[发明专利]具有故障模拟功能的飞轮模拟器及实现方法

权利要求书

1.具有故障模拟功能的飞轮模拟器，其特征在于它由RS-485收发器(1)、控制电压输入接口(2)、A/D转换器(3)、数据处理器DSP(4)、数字隔离磁耦(5)、第一D/A转换器(7-1)、第二D/A转换器(7-2)、驱动芯片(7-3)、第一模拟量输出口(6-1)、第二模拟量输出口(6-2)、飞轮转速输出口(6-3)和飞轮转速方向输出口(6-4)组成，

所述RS-485收发器(1)的串行通讯口与所述数据处理器DSP(4)的RS-485串行通讯口相连，RS-485收发器(1)用于注入飞轮模拟器的参数及故障类型，控制电压输入接口(2)的输出端与A/D转换器(3)输入端相连，A/D转换器(3)的信号输入/输出端与数据处理器DSP(4)的电压信号输入/输出端相连，数据处理器DSP(4)的飞轮轴温信号输出端与数字隔离磁耦(5)的第一数字量输入端相连，数据处理器DSP(4)的飞轮电机电流信号输出端与数字隔离磁耦(5)的第二数字量输入端相连，数据处理器DSP(4)的飞轮转速输出端与数字隔离磁耦(5)的飞轮转速输入端相连，数据处理器DSP(4)的飞轮转速方向输出端与数字隔离磁耦(5)的飞轮转速方向输入端相连，数字隔离磁耦(5)的第一数字量输出端与第一D/A转换器(7-1)的信号输入端相连，第一D/A转换器(7-1)的信号输出端与第一模拟量输出口(6-1)的信号输入端相连、数字隔离磁耦(5)的第二数字量输出端与第二D/A转换器(7-2)的信号输入端相连，第二D/A转换器(7-2)的信号输出端与第二模拟量输出口(6-2)的信号输入端相连、数字隔离磁耦(5)的飞轮转速输出端与驱动芯片(7-3)的飞轮转速输入端相连，驱动芯片(7-3)的飞轮转速输出端与飞轮转速输出口(6-3)的信号输入端相连，数字隔离磁耦(5)的飞轮转速方向输出端与驱动芯片(7-3)的飞轮转速方向输入端相连，驱动芯片(7-3)的飞轮转速方向输出端与飞轮转速方向输出口(6-4)的信号输入端相连，数据处理器DSP(4)内部固化有飞轮模拟器主控制器(4-1)和控制电压缓存器(a)。

2.利用权利要求1所述的模拟器实现飞轮故障模拟的方法，其特征在每次故障模拟具体过程如下：

步骤A、参数和故障类型通过RS-485收发器(1)注入飞轮模拟器主控制器(4-1)，所述参数包括飞轮模型参数、仿真周期信息、飞轮轴温参数和飞轮电机电流数据参数；

步骤B、A/D转换器(3)采集当前控制电压U，并将所述电压U传递至飞轮模拟器主控制器(4-1)；

步骤C、飞轮模拟器主控制器(4-1)将控制电压缓存器(a)的内容更新为步骤B获得的控制电压U；

步骤D、飞轮模拟器主控制器(4-1)根据接收到的参数和故障类型进行故障注入指令的分析，按照故障类型输出相应故障信号；

步骤D中输出的信号中的遥测飞轮轴温信号和遥测飞轮电机电流信号通过数字隔离磁耦(5)发送给D/A转换器进行数/模转换，转换后获得的两路模拟信号分别经第一模拟量输出口(6-1)和第二模拟量输出口(6-2)输出；飞轮模拟器主控制器(4-1)将步骤D获得的飞轮转速脉冲信号和转速方向信号通过数字隔离磁耦(5)发送给驱动芯片，获得两路驱动信号经飞轮转速输出口(6-3)和飞轮转速方向输出口(6-4)输出。

3.根据权利要求2所述的使用飞轮模拟器实现飞轮故障模拟的方法，其特征在于步骤D所述的按照故障类型进行处理是指，根据故障类型作相应的处理，具体过程如下：

步骤D1、判断故障类型，故障类型参数对应的故障模拟功能如下：

故障类型0表示：飞轮模拟器工作正常，输出飞轮模拟器正常定位数据；

故障类型1表示：飞轮模拟器工作故障，故障表现为飞轮模拟器对中心计算机一直无输出；

故障类型2表示：飞轮模拟器工作故障，故障表现为飞轮模拟器对中心计算机无输出故障持续时间参数个仿真周期；

故障类型3表示：飞轮模拟器工作故障，故障表现为飞轮模拟器对中心计算机输出极性反；

故障类型4表示：飞轮模拟器工作故障，故障表现为飞轮模拟器对中心计算机输出极性反故障持续时间参数个仿真周期；

故障类型5表示：飞轮模拟器软复位，取消当前飞轮工作故障，恢复飞轮模拟器工作状态至初始状态；

若故障类型为0，则执行步骤D2和D3；若故障类型为1，则执行步骤D4；若故障类型为2，则执行步骤D5、D6和D7；若故障类型为3，则执行步骤D8、D9和D10；若故障类型为4，则执行步骤D11、D12、D13、D14和D15；若故障类型为5，则执行步骤D16和D17；

步骤D2、飞轮模拟器主控制器(4-1)按照飞轮模拟器的数学模型进行计算，获得飞轮转速脉冲信号和转速方向信号；

步骤D3、读取经RS-485收发器(1)注入数据中的飞轮轴温参数和飞轮电机电流数据参数，获得遥测飞轮轴温信号和遥测飞轮电机电流信号，此次故障模拟结束；

步骤D4、飞轮模拟器不输出飞轮转速脉冲信号、转速方向信号、遥测飞轮轴温信号和遥测飞轮电机电流信号，此次故障模拟结束；

步骤D5、飞轮模拟器持续N个仿真周期不输出飞轮转速脉冲信号、转速方向信号、遥测飞轮轴温信号和遥测飞轮电机电流信号，其中N为正整数；

步骤D6、故障持续时间结束，飞轮模拟器主控制器(4-1)按照飞轮模拟器的数学模型进行计算，获得飞轮转速脉冲信号和转速方向信号；

步骤D7、读取经RS-485收发器(1)注入数据中的飞轮轴温参数和飞轮电机电流数据参数，并将所述飞轮轴温参数和飞轮电机电流数据参数转换成模拟信号输出，此次故障模拟结束；

步骤D8、飞轮模拟器主控制器(4-1)按照飞轮模拟器的数学模型进行计算，获得飞轮转速脉冲信号和转速方向信号；

步骤D9、飞轮模拟器主控制器(4-1)改变飞轮极性；

步骤D10、读取经RS-485收发器(1)注入数据中的飞轮轴温参数和飞轮电机电流数据参数，获得遥测飞轮轴温信号和遥测飞轮电机电流信号，此次故障模拟结束；

步骤D11、飞轮模拟器主控制器(4-1)按照飞轮模拟器的数学模型进行计算，获得飞轮转速脉冲信号和转速方向信号；

步骤D12、飞轮模拟器主控制器(4-1)改变飞轮极性；

步骤D13、飞轮模拟器持续M个仿真周期，其中M为正整数；

步骤D14、故障持续时间结束，飞轮模拟器主控制器(4-1)改变飞轮极性，此次故障模拟结束；

步骤D15、读取经RS-485收发器(1)注入数据中的飞轮轴温参数和飞轮电机电流数据参数，获得遥测飞轮轴温信号和遥测飞轮电机电流信号，此次故障模拟结束；

步骤D16、飞轮模拟器主控制器(4-1)将控制电压U清0；

步骤D17、飞轮模拟器主控制器(4-1)恢复参数为缺省值，此次故障模拟结束；

飞轮模拟器的数学模型如下：

其中J为飞轮转动惯量；t为飞轮仿真周期；K₁为飞轮电机力矩系数；K₂为飞轮反电势系数；U为控制电压，ω为飞轮角速度；

飞轮模拟器输出转速脉冲频率的计算方法为：单位为Hz，转速方向为TTL信号，高电平代表正转，低电平代表反转。