(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210531106.9 (22)申请日 2022.05.16 (71)申请人 中山大学 地址 510220 广东省广州市海珠区新港西 路135号 (72)发明人 刘源　徐驰　姜昌武　李文艳　 (74)专利代理 机构 深圳市创富知识产权代理有 限公司 4 4367 专利代理师 范伟民 (51)Int.Cl. G01D 21/02(2006.01) G06F 30/27(2020.01) G06N 3/04(2006.01) G06N 3/08(2006.01) (54)发明名称 一种用于卫星飞轮的在轨故障检测方法 (57)摘要 本发明公开了一种用于卫星飞轮的在轨故 障检测方法， 包括反作用飞轮控制指令、 反作用 飞轮、 飞轮状态测量传感器模块、 故障检测计算 机、 n个状态延 迟模块与故障检测模型； 所述方法 包括以下步骤： 系统初始化， 包括反飞轮解析模 型参数初始化、 故障检测阈值设定； 反作用飞轮 和反作用飞轮解析模型接收反作用飞轮控制指 令， 并各自运行， 得到相应的状态输出结果通过 一级残差计算模块计算反作用飞轮和反作用飞 轮解析模型的一级残差， 将一级残差与故障检测 阈值eth进行比较， 判断反作用飞轮是否发生故 障。 权利要求书2页 说明书8页 附图1页 CN 114877940 A 2022.08.09 CN 114877940 A 1.一种用于卫星飞轮的在轨故障检测方法， 其特征在于， 包括反作用飞轮控制 指令、 反 作用飞轮、 飞轮状态测量传感器模块、 故障检测计算机、 n个状态延迟模块与故障检测模型； 其中， 所述方法包括以下步骤： S1系统初始化， 包括反飞轮解析模型参数初始化、 故障检测阈值eth设定； 。 S2反作用飞轮和反作用飞轮解析模型接收反作用飞轮控制指令， 并各自运行， 得到相 应的状态输出 结果yk和yM,k。 S3通过一级残差计算模块计算反作用飞轮和反作用飞轮解析模型的一级残差， 该残差 可表述为： eM,k＝yk‑yM,k S4将一级残差与故障检测阈值eth进行比较， 判断反作用飞轮是否发生故障。 2.根据权利要求1所述的用于卫星飞轮的在轨故障检测方法， 其特征在于， 所述步骤S1 中的反作用飞轮解析模型 可用下式进行描述： 其中， f1(ω)＝KsHs(ω‑ωssign(ω) ) f2(ω,Im)＝KfHfVm f3(ω)＝Csi n(Ntω/2) Vm＝Vbus‑6‑Ke|ω|‑Hb(RINIbus+1) τv＝[0.0049‑0.00002(T+30)] 上式中： Im为电机电枢电流； ω为飞轮转速； ωd为压流转换频率； Gd为反作用飞轮的驱 动增益； Vcom为控制器生成的控制电压； f1(ω)为转速极限回路反馈电压函数； J为飞轮转动 惯量； Kt为电机扭矩增益； τc为库伦摩擦力矩系数； sign(ω)为符号函数； f2(ω,Im)为EMF回 路反馈电压； f3(ω)为电机扰动力矩函数； τv为黏性摩擦力矩系 数； τnoise为轴承扰动力矩； γ＝[γ1,γ2]T为系统扰动项； τout为飞轮输出力矩； υ为测量噪声项； Ks为超速循环增益； Hf， Hs， Hb为开关函数； ωs为转速极限； Kf为电压反馈增益； Vm为反馈电压； C电机扰动常数； Nt为 电机极数； Vbus为母线电压； Ke为反向EMF电压增益； RIN为输入阻抗； Ibus为母线电流； RB为电 桥电阻； Pq为静态功率； T为环境温度。 各参数 取值可根据飞轮具体型号进行调整；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114877940 A 2其中， 电机电枢电流 Im与控制量rk相同； 飞轮输出力矩 τout与飞轮状态输出yk相同。 3.根据权利要求1所述的用于卫星飞轮的在轨故障检测方法， 其特征在于， 反作用飞轮 控制指令是由控制器发出的飞轮控制指令， 接入反作用飞轮和故障检测计算机 。 4.根据权利要求1所述的用于卫星飞轮的在轨故障检测方法， 其特征在于， 飞轮状态测 量传感器模块包括转速测量传感器、 温度测量传感器、 力矩测量传感器； 故障检测计算机包 括PROPROM型FPGA配置芯片、 XC4VFX12SFG363型FPGA4 ‑2； 其中， 转速测量传感器、 温度测量 传感器、 力矩测量传感器的输入端分别与反作用飞轮的状态输出端连接。 PROM型FPGA配置 芯片的配置文件输入输出端与XC4VF X12SFG363型FPGA4‑2的配置文件输入输出端连接 。 5.根据权利要求4所述的用于卫星飞轮的在轨故障检测方法， 其特征在于， XC4VFX12SFG363型FPGA4 ‑2包括控制指令接收端口、 故障检测算法与传感数据接口； 其中控 制指令接收端口4 ‑2‑1的输入端与反作用飞轮控制指令1连接， 其输出端与故障检测算法输 入端连接， 传感数据接口的输入端分别与转速测量传感器、 温度测量传感器和力矩测量传 感器的输出端连接， 其输出端与故障检测算法输入端连接， 通过故障检测算法经过计算输 出故障检测结果。 6.根据权利要求1所述的用于卫星飞轮的在轨故障检测方法， 其特征在于， 故障检测算 法包括反作用飞轮状态延迟模块、 反作用飞轮故障检测模型； 其中， 反作用飞轮状态延迟模 块包括N个串联的状态延迟电路， 反作用飞轮故障检测模型包括分反作用飞轮解析模型和 一级残差计算模块。 7.根据权利要求6所述的用于卫星飞轮的在轨故障检测方法， 其特征在于， 反作用飞轮 状态延迟模块6中n个状态延迟电路通过串联的方式连接。 状态延迟电路6 ‑1的输入端于传 感数据接口的输出端连接； n个状态延迟电路的输出均与反作用飞轮解析模型 的输入端连 接。 反作用飞轮解析模型 的输入端还与控制指令接 收端口的输出端连接。 一级残差计算模 块的输入端分别与传感数据接口 的输出端和反作用飞轮解析模型的输出端连接 。 8.根据权利要求1所述的用于卫星飞轮的在轨故障检测方法， 其特征在于， 所述故障检 测模型中还包括了 GMDH神经网络模 型和二级残差计算模块， 其中状态延迟电路的输入端于 传感数据接的输出端连接； n个状态延迟电路的输出均分别与反作用飞轮解析模型、 GMD H神 经网络模的输入端连接； 反作用飞轮解析模型、 GMDH神经网络模型的输入端与控制指令接 收端口的输出端连接； 一级残差计算模块的输入端分别与传感数据接口的输出端和反作用 飞轮解析模型的输出端连接； 二级残差计算模块的输入端分别与一级残差计算模块和GMD H 神经网络模型的输出端连接 。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114877940 A 3