專利名稱：動(dòng)態(tài)摩擦參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及動(dòng)態(tài)摩擦參數(shù)的測(cè)量，用于指導(dǎo)高性能伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：
在伺服系統(tǒng)中，具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的兩個(gè)接觸面上會(huì)產(chǎn)生摩擦力。摩擦降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度，導(dǎo)致了低速爬行現(xiàn)象，對(duì)系統(tǒng)性能的提高構(gòu)成了嚴(yán)重的障礙。大量的研究表明摩擦是一種復(fù)雜的物理現(xiàn)象，摩擦系數(shù)不僅與接觸面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度非線性相關(guān)，稱之為摩擦的靜態(tài)特性，而且還存在摩擦記憶、增加的靜摩擦力等動(dòng)態(tài)效應(yīng)。Armstrong B，Dupont P，Canudas de Wit C.在《Automatica》，1994年30卷第7期上發(fā)表的論文“A Survey of Models，Analysis Tools and Compensation Methods forthe Control of Machines with Friction”對(duì)此進(jìn)行了很好的綜述。在伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，不考慮或僅考慮最簡(jiǎn)單的摩擦現(xiàn)象，如靜摩擦力或Coulomb摩擦力，將導(dǎo)致跟蹤精度下降、控制參數(shù)整定困難、低速運(yùn)行平穩(wěn)性差等問(wèn)題。為了更好地描述伺服系統(tǒng)中存在的摩擦并對(duì)其造成的危害進(jìn)行補(bǔ)償，有必要研究精確的摩擦模型及其參數(shù)的測(cè)試與辨識(shí)，即首先對(duì)摩擦進(jìn)行準(zhǔn)確的建模，其次精確測(cè)量出特定情況下接觸表面間的摩擦力，然后依據(jù)特定的摩擦模型，采用參數(shù)辨識(shí)的方法獲得模型中各參數(shù)的數(shù)值。到目前為止，人們已提出了多達(dá)30余種摩擦模型，其中最具影響力的模型是Canudas De Wit C等發(fā)表于《IEEE Transaction on Automatic Control》1995年40卷第3期的論文“A New Model forControl of Systems with Friction”中提出的LuGre模型，它能全面地描述接觸面從靜止到運(yùn)動(dòng)各個(gè)狀態(tài)摩擦力的變化情況。下式即為L(zhǎng)uGre模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式，其中T為接觸表面正壓力一定時(shí)的摩擦力或摩擦力矩，z為接觸表面剛毛的平均變形量，ωl為相對(duì)運(yùn)動(dòng)角速度；剛度系數(shù)σ0、粘性阻尼系數(shù)σ1，Coulomb摩擦力矩FC、靜摩擦力矩FS、臨界Stribeck角速度ωS、粘性摩擦系數(shù)σ2為6個(gè)摩擦參數(shù)。
為了在工程中應(yīng)用此模型，就需要測(cè)量出實(shí)際接觸表面間的摩擦，然而，剛毛的平均變形量z是無(wú)法測(cè)量的，6個(gè)模型參數(shù)FC、FS、ωs、σ0、σ1、σ2也是高度耦合的，因此不能通過(guò)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)獲得相應(yīng)參數(shù)的取值，只有采用參數(shù)辨識(shí)的方法才能得到這6個(gè)參數(shù)的最佳估計(jì)。
目前國(guó)內(nèi)外已有的摩擦參數(shù)測(cè)試設(shè)備有 (1)英國(guó)RAY-RAN公司的FT摩擦測(cè)試系統(tǒng) 該測(cè)試系統(tǒng)能自動(dòng)測(cè)量接觸表面間的靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)，并能進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示，該靜摩擦系數(shù)相當(dāng)于LuGre模型的Fs，該動(dòng)摩擦系數(shù)相當(dāng)于LuGre模型中的Fc，σ2。由于使用的模型簡(jiǎn)單，測(cè)量數(shù)據(jù)中既無(wú)法體現(xiàn)Stribeck效應(yīng)，又不能描述摩擦記憶、增加的靜摩擦力這些動(dòng)態(tài)摩擦效應(yīng)。
(2)濟(jì)南實(shí)驗(yàn)機(jī)廠的MHK-500摩擦磨損試驗(yàn)機(jī) 試驗(yàn)機(jī)采用手動(dòng)加載、人工調(diào)節(jié)砝碼和游碼的方法測(cè)量接觸面間的摩擦系數(shù)，即LuGre模型中的Fs和Fc，無(wú)法測(cè)量速度與摩擦力之間的關(guān)系，更不能測(cè)量動(dòng)態(tài)摩擦參數(shù)，如LuGre模型中的σ0、σ1。目前已有在其基礎(chǔ)上通過(guò)增加電子裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量的研究報(bào)道，如俞建衛(wèi)發(fā)表于《密封與潤(rùn)滑》2007，32(2)的論文“MHK-500環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)智能測(cè)控系統(tǒng)的研制”，但仍不能測(cè)試動(dòng)態(tài)摩擦參數(shù)。
目前國(guó)內(nèi)外在LuGre摩擦參數(shù)的測(cè)量方法主要有二步辨識(shí)法，該方法最先由C.Candus等發(fā)表于《Internatinal Journal of Adaptive Control and Signal Processing》1997年第11卷的論文“Adaptive friction compensation with partially known dynamic frictionmodel”首先提出，其思路是將LuGre模型中的參數(shù)分為兩類，即4個(gè)靜態(tài)參數(shù)FC、FS、ωS、σ2和2個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)σ0、σ1。假定在勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，剛毛的平均變形量z不發(fā)生改變，即這樣上述LuGre模型就可簡(jiǎn)化為 即將動(dòng)態(tài)的LuGre模型變?yōu)殪o態(tài)的Stribeck模型。于是辨識(shí)步驟為 第一步采用勻速控制方法，分別測(cè)量相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度或角速度和對(duì)應(yīng)的摩擦力或摩擦力矩，就可使用曲線擬合的方法確定4個(gè)靜態(tài)參數(shù)FC、FS、ωS、σ2。
第二步在確定靜態(tài)參數(shù)的前提下，辨識(shí)動(dòng)態(tài)參數(shù)σ0、σ1。
對(duì)于動(dòng)態(tài)參數(shù)，目前又有以下幾種辨識(shí)方法 (1)線性化方法給系統(tǒng)作用一個(gè)較小的力u，使其出現(xiàn)預(yù)滑動(dòng)微小轉(zhuǎn)角θ，直接利用測(cè)量出的轉(zhuǎn)角，由式辨識(shí)出剛度系數(shù)σ0。
將滯滑運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦模型在平衡點(diǎn)處線性化，可得 其中，J為運(yùn)動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
此方法將系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一個(gè)二階系統(tǒng)，使其處于臨界阻尼狀態(tài)，利用表達(dá)式得到σ1。例如C.Candus等發(fā)表于《International Journall of AdaptiveControl and Signal Processing》1997年第11卷的論文“Adaptive friction compensationwith partially known dynamic friction model就使用這種方法。
由于這種線性化方法的辨識(shí)結(jié)果依賴于參數(shù)初值的選取，因此辨識(shí)精度及收斂性較難保證，而且預(yù)滑動(dòng)微小位移的測(cè)量非常困難。
(2)優(yōu)化方法驅(qū)動(dòng)負(fù)載使其進(jìn)行低速周期運(yùn)動(dòng)，將位置誤差作為優(yōu)化目標(biāo)、兩個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)σ0、σ1作為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，最終獲得滿意的σ0、σ1取值。如DE-PENG LIU 2005年發(fā)表于《Proceedings of the Fourth International Conference onMachine Learning and Cybernetics》的論文“Research on Parameter Identification of FrictionModel for Servo System Based on Genetic Algorithms”采用的就是這種方法。
(3)頻域辨識(shí)法采用局部線性化的方法將原系統(tǒng)簡(jiǎn)化為二階線性系統(tǒng)，采用頻域方法辨識(shí)動(dòng)態(tài)參數(shù)。使系統(tǒng)處于預(yù)滑動(dòng)階段，給系統(tǒng)輸入任意噪聲激勵(lì)，就能測(cè)出頻域響應(yīng)函數(shù)。頻率ω接近0的區(qū)域內(nèi)，根據(jù)|G(j·0)|＝Cm/σ0，直接辨識(shí)出剛度系數(shù)σ0，依據(jù)測(cè)量出的頻率響應(yīng)函數(shù)，估計(jì)出二階線性系統(tǒng)的系數(shù)，可辨識(shí)出σ1+σ2。例如RonH.A.Hensen等人發(fā)表于《IEEE Transactions on Control systems Technology》2002年第10卷第2期的論文“Frequency Domain Identification of Dynamic Friction ModelParameters”描述的就是這種方法。
上述辨識(shí)方法均存在如下不足 1.由于這些方法都要采用勻速實(shí)驗(yàn)獲得靜態(tài)參數(shù)，而勻速實(shí)驗(yàn)要逐點(diǎn)進(jìn)行，因此工作量大、耗時(shí)，同時(shí)還要求系統(tǒng)在低速運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，不易實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上在伺服系統(tǒng)中測(cè)試摩擦的目的之一就是獲得良好的低速運(yùn)行平穩(wěn)性，在未知摩擦參數(shù)時(shí)就要達(dá)到這一目的，難度很大。
2.由于線性化方法和頻域方法都對(duì)原模型進(jìn)行了近似處理，因而對(duì)于動(dòng)態(tài)參數(shù)的測(cè)量必然導(dǎo)致其準(zhǔn)確性下降。
3.由于原LuGre模型中的動(dòng)態(tài)參數(shù)和靜態(tài)參數(shù)本身就是耦合在一起的，因此按“勻速運(yùn)動(dòng)對(duì)剛毛的平均變形量z不發(fā)生改變”的假設(shè)，將系統(tǒng)解耦也沒(méi)有理論依據(jù)的。
綜上所述，目前既沒(méi)有一種能簡(jiǎn)捷、有效地辨識(shí)LuGre摩擦參數(shù)的方法，也沒(méi)有可用于獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的儀器設(shè)備。
發(fā)明的內(nèi)容 本發(fā)明的目的在于避免上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種測(cè)量動(dòng)態(tài)摩擦參數(shù)的系統(tǒng)及方法，以便捷地實(shí)現(xiàn)對(duì)不同材料間動(dòng)態(tài)摩擦參數(shù)的高精度測(cè)量，提高伺服系統(tǒng)的性能。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)思路是采用高精度力矩傳感器和高精度絕對(duì)編碼器設(shè)計(jì)摩擦力矩測(cè)試裝置，采用停滯時(shí)間可調(diào)的變周期正弦驅(qū)動(dòng)方式，使接觸面間摩擦的動(dòng)、靜態(tài)特性得以充分體現(xiàn)，并輔以控制器實(shí)現(xiàn)摩擦力矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角及驅(qū)動(dòng)力矩的實(shí)時(shí)測(cè)量、存儲(chǔ)；將測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析處理，從而一次性得到全部的6個(gè)參數(shù)的辨識(shí)值。
本發(fā)明的測(cè)試系統(tǒng)包括試件及砝碼固定裝置、電機(jī)、驅(qū)動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)軸、鎖緊機(jī)構(gòu)和控制器，其中，電機(jī)下面固定有絕對(duì)編碼器，用于檢測(cè)試件表面的相對(duì)位置與速度；試件及砝碼固定裝置與鎖緊機(jī)構(gòu)之間通過(guò)固定軸同軸安裝有力矩傳感器，用于檢測(cè)摩擦力矩。
所述的試件及砝碼固定裝置分上下兩部分，下部與驅(qū)動(dòng)軸固定為一體，上部與力矩傳感器固連；該下部的表面設(shè)有正方形的凹槽，用于安裝下測(cè)試件，上部安裝有上測(cè)試件。
所述的電機(jī)采用力矩電機(jī)，并與絕對(duì)編碼器同軸安裝在驅(qū)動(dòng)軸的底部，直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)。
所述的控制器中設(shè)有自動(dòng)測(cè)試和參數(shù)自動(dòng)辨識(shí)程序。該控制器分別與絕對(duì)編碼器、力矩傳感器和力矩電機(jī)連接，構(gòu)成閉環(huán)控制回路，以控制測(cè)試件表面的相對(duì)速度、測(cè)量實(shí)時(shí)位置、速度和摩擦力矩。
所述的驅(qū)動(dòng)軸的中部設(shè)有二層水平支架，該支架與機(jī)架固定為一體。
本發(fā)明的測(cè)試方法采用一步辨識(shí)法，其技術(shù)原理是 當(dāng)所估計(jì)的各參數(shù)接逼近真值時(shí)，摩擦力矩的誤差和系統(tǒng)位置響應(yīng)的誤差最小，這樣就可將參數(shù)辨識(shí)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求解下述優(yōu)化問(wèn)題 find σ0、σ1，F(xiàn)C、FS、ωS、σ2 其中J為系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Tu為驅(qū)動(dòng)力矩，

θi、

和Tfi分別為第i個(gè)采樣點(diǎn)的轉(zhuǎn)角預(yù)估值、實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)角、摩擦力矩的預(yù)估值和摩擦力矩的實(shí)測(cè)值，λ1為表征累計(jì)轉(zhuǎn)角誤差要求的權(quán)值，其取值范圍為0～1，λ2為表征最大轉(zhuǎn)角誤差要求的權(quán)值，其取值范圍為0～1，λ3為表征累計(jì)摩擦力矩誤差要求的權(quán)值，其取值范圍為0～1，λ4為為表征最大摩擦力矩誤差要求的權(quán)值，其取值范圍為0～1。
根據(jù)上述原理本發(fā)明的測(cè)試方法，包括如下過(guò)程 (1)安裝測(cè)試件并設(shè)置測(cè)試參數(shù)； (2)啟動(dòng)控制器按照設(shè)置的測(cè)試參數(shù)控制力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載運(yùn)行，并同步記錄采樣時(shí)刻、摩擦力矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角及電機(jī)繞組電流參數(shù)； (3)設(shè)定當(dāng)前摩擦參數(shù)，即剛度系數(shù)σ0、粘性阻尼系數(shù)σ1，Coulomb摩擦力矩FC、靜摩擦力矩FS、臨界Stribeck角速度ωS、粘性摩擦系數(shù)σ2的相應(yīng)估計(jì)值

并根據(jù)所述電機(jī)繞組電流通過(guò)求解系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程，得到每個(gè)時(shí)刻的力矩電機(jī)轉(zhuǎn)角估計(jì)值
(4)計(jì)算每個(gè)時(shí)刻的力矩電機(jī)轉(zhuǎn)角估計(jì)值與記錄該時(shí)刻的轉(zhuǎn)角實(shí)測(cè)值的誤差累計(jì)值EA，并找出最大的力矩電機(jī)轉(zhuǎn)角誤差值EMA； (5)計(jì)算每個(gè)時(shí)刻的摩擦力矩估計(jì)值與記錄該時(shí)刻的摩擦力矩實(shí)測(cè)值的誤差累計(jì)值ET，并找出最大的摩擦力矩誤差值EMT； (6)判斷步驟(4)、(5)所得到的參數(shù)是否滿足步驟(1)所設(shè)定的測(cè)試參數(shù)，如果滿足則輸出當(dāng)前的摩擦參數(shù)

如果不滿足按遺傳算法修正摩擦參數(shù)

重復(fù)步驟(3)，直至滿足終止條件結(jié)束。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn) 1).由于本發(fā)明的測(cè)試系統(tǒng)設(shè)有控制器，可以實(shí)現(xiàn)被測(cè)材料的自動(dòng)測(cè)試和參數(shù)的自動(dòng)辨識(shí)；同時(shí)由于本發(fā)明系統(tǒng)設(shè)有絕對(duì)編碼器，可有效檢測(cè)被測(cè)材料表面的相對(duì)轉(zhuǎn)角與角速度；此外由于本發(fā)明系統(tǒng)安裝有力矩傳感器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)摩擦力矩進(jìn)行高精度測(cè)量。
2)由于本發(fā)明的測(cè)試方法采用一步辨識(shí)法，無(wú)需進(jìn)行勻速實(shí)驗(yàn)，因而測(cè)試簡(jiǎn)單，使所有摩擦參數(shù)一次辨識(shí)完成；同時(shí)解決了按“勻速運(yùn)動(dòng)不改變剛毛的平均變形量z”假設(shè)沒(méi)有理論依據(jù)的問(wèn)題。
仿真結(jié)果表明，采用本發(fā)明動(dòng)態(tài)摩擦測(cè)試方法，6個(gè)摩擦參數(shù)的平均誤差為0.601％。



圖1是本發(fā)明測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明控制器原理框圖； 圖3是本發(fā)明一步辨別識(shí)方法測(cè)試流程圖； 圖4是本發(fā)明一步辨識(shí)方法的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖，其中(a)為迭代1000次各摩擦參數(shù)的辨識(shí)值表示圖，(b)為迭代50000次各摩擦參數(shù)的辨識(shí)值表示圖。
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

具體實(shí)施例方式 參照?qǐng)D1，本發(fā)明的測(cè)試系統(tǒng)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)部分由手柄1、鎖緊機(jī)構(gòu)2、力矩傳感器4、測(cè)試件及砝碼固定裝置6、待測(cè)試件7、驅(qū)動(dòng)軸8、機(jī)架10、水平支架11、力矩電機(jī)13、絕對(duì)編碼器14和控制器16組成。該測(cè)試件及砝碼固定裝置6分為上下兩層，下層6a的表面設(shè)有正方形凹槽，上層6b為階梯軸，力矩傳感器上固連有上下法蘭盤4a和4b，機(jī)架10為整體鑄造的長(zhǎng)方體框架結(jié)構(gòu)，便于操作，中間設(shè)有二層水平支架11以增強(qiáng)剛度，驅(qū)動(dòng)軸8通過(guò)軸承9安裝于水平支架11上，可以繞其軸線旋轉(zhuǎn)。絕對(duì)編碼器14與力矩電機(jī)13固定，并通過(guò)連軸器12同軸安裝于驅(qū)動(dòng)軸8的下端，該驅(qū)動(dòng)軸的上端與測(cè)試件及砝碼固定裝置的下層6a固定，測(cè)試件及砝碼固定裝置的上層6b通過(guò)下法蘭盤4a與力矩傳感器4連接，該上層6b的兩邊放置砝碼5，為上下測(cè)試件施加載荷，力矩傳感器4通過(guò)上法蘭盤與固定軸3下端連接，固定軸3通過(guò)鎖緊機(jī)構(gòu)2與機(jī)架10連接，固定軸3的上端與手柄1固連。測(cè)試件7分別置于測(cè)試件及砝碼固定裝置的上下層，其中下測(cè)試件7a置于測(cè)試件及砝碼固定裝置的下層6a的凹槽內(nèi)，上測(cè)試件7通過(guò)螺釘15固定在測(cè)試件及砝碼固定裝置的上層6b表面?？刂破?6通過(guò)電纜分別與力矩電機(jī)13、絕對(duì)編碼器14和力矩傳感器4連接，構(gòu)成閉環(huán)控制回路，以控制測(cè)試件表面的相對(duì)速度、測(cè)量實(shí)時(shí)位置、速度和摩擦力矩。
參照?qǐng)D2，控制器16以數(shù)字信號(hào)處理器DSP為核心，由用戶界面、電機(jī)控制部分和摩擦力矩檢測(cè)部分組成，具有運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集、信息處理等功能。
(1)DSP 所述的DSP用于接收用戶設(shè)置的測(cè)試信息、對(duì)測(cè)試件進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試和參數(shù)自動(dòng)辨識(shí)、將測(cè)試結(jié)果發(fā)送到PC機(jī)，該DSP中固化有自動(dòng)測(cè)試和參數(shù)自動(dòng)辨識(shí)程序，并擴(kuò)展有64KB的靜態(tài)RAM，以存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)。本實(shí)例的DSP采用TMS320LF2407A型號(hào)，但不限于此型號(hào)。
(2)用戶界面 所述的用戶界面主要由320×240點(diǎn)陣LCD顯示屏、鍵盤和USB2.0接口電路組成。
320×240點(diǎn)陣LCD顯示屏通用并行I/O端口與DSP通過(guò)相連，DSP可將控制命令和字符信息通過(guò)并行I/O口發(fā)送給LCD顯示屏，顯示出設(shè)定的信息、工作狀態(tài)和參數(shù)辨識(shí)結(jié)果。
鍵盤采用16鍵矩陣式鍵盤，但不限于16鍵，通過(guò)8根數(shù)據(jù)線與DSP的通用I/O口相連，DSP通過(guò)掃描相應(yīng)I/O口的狀態(tài)獲取按鍵信息。通過(guò)鍵盤輸入的參數(shù)包括運(yùn)行速度范圍、運(yùn)行周期、辨識(shí)精度、停滯時(shí)間范圍。
USB2.0接口由接口控制器PHILIPS ISP1581構(gòu)成，通過(guò)系統(tǒng)總線與DSP相連，同時(shí)USB2.0接口控制器與PC之間采用現(xiàn)有的USB電纜連接。測(cè)量辨識(shí)完成后，可將測(cè)量及辨識(shí)結(jié)果發(fā)送到PC機(jī)上進(jìn)行存儲(chǔ)。
(3)電機(jī)控制部分 所述的電機(jī)控制部分由D/A轉(zhuǎn)換器、伺服放大器、電機(jī)繞組電流檢測(cè)電路、絕對(duì)式編碼器組成。
D/A轉(zhuǎn)換器采用12位高速D/A芯片MX7541，轉(zhuǎn)換速度0.6μs，其數(shù)字輸入端通過(guò)系統(tǒng)總線與DSP相連，其模擬輸出端與伺服放大器的模擬輸入端相連。
伺服放大器的模擬輸入端與D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端相連，輸出端與力矩電機(jī)連接。
繞組電流檢測(cè)電路由精密電阻及A/D轉(zhuǎn)換器組成，精密電阻串聯(lián)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)回路中，其兩端的壓降反映了電機(jī)繞組中電流的大小，采用高速12位A/D轉(zhuǎn)換器MAX120，轉(zhuǎn)換速度1.6μs，將此電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并通過(guò)系統(tǒng)總線傳送給DSP。
絕對(duì)式編碼器通過(guò)RS485接口與DSP相連，該絕對(duì)式編碼器用于檢測(cè)力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)角。
該電機(jī)控制部分可構(gòu)成電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)三閉環(huán)位置控制回路，也可工作于開(kāi)環(huán)方式。在進(jìn)行摩擦參數(shù)測(cè)試時(shí)，使用開(kāi)環(huán)方式工作，DSP根據(jù)輸入的運(yùn)行速度范圍給出呈正弦變化的控制信號(hào)，經(jīng)D/A變換后送伺服放大器產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載跟隨參考信號(hào)運(yùn)動(dòng)。
(4)摩擦力矩檢測(cè)部分 所述的摩擦力矩檢測(cè)部分由高精度的靜態(tài)力矩傳感器Staiger Mohilo 0510RD，量程10Nm，精度±0.02Nm，和12位高速A/D轉(zhuǎn)換器MAX120構(gòu)成。
靜態(tài)力矩傳感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)A/D變換后存儲(chǔ)于擴(kuò)展的RAM中。A/D轉(zhuǎn)換器MAX120和靜態(tài)RAM均通過(guò)系統(tǒng)總線與DSP相連。
測(cè)試時(shí)，力矩電機(jī)13通過(guò)傳動(dòng)軸8驅(qū)動(dòng)下測(cè)試件7a運(yùn)轉(zhuǎn)，上測(cè)試件7b保持靜止，通過(guò)力矩傳感器4和控制器就可測(cè)量出上下測(cè)試件7b和7a間的摩擦力矩。
參照?qǐng)D3，本發(fā)明對(duì)動(dòng)態(tài)摩擦參數(shù)的測(cè)量主要包括測(cè)試準(zhǔn)備、自動(dòng)測(cè)試和參數(shù)自動(dòng)辨識(shí)三個(gè)過(guò)程，具體步驟如下 第一步測(cè)試準(zhǔn)備，包括安裝測(cè)試件和設(shè)置測(cè)試參數(shù)。
1)安裝測(cè)試件首先松開(kāi)鎖緊機(jī)構(gòu)，向上提起手柄，使摩擦測(cè)試面脫離，再鎖緊手柄，使其不至下落；其次，將測(cè)試件分別安裝在上下兩個(gè)測(cè)量面上；最后，松開(kāi)鎖緊機(jī)構(gòu)2，使上下試件表面完全接觸； 2)設(shè)定接觸面壓力根據(jù)不同的工況，選擇適當(dāng)?shù)捻来a加載，鎖緊手柄； 3)參數(shù)設(shè)置通過(guò)鍵盤輸入運(yùn)行速度范圍、參數(shù)辨識(shí)精度、測(cè)試周期數(shù)、停滯時(shí)間范圍參數(shù)。
第二步自動(dòng)測(cè)試 按下鍵盤上的“測(cè)試”按鍵，力矩電機(jī)在DSP控制電路的作用下啟動(dòng)，其轉(zhuǎn)速在要求的運(yùn)行范圍內(nèi)按正弦曲線變化，同時(shí)將每1ms采樣周期的摩擦力矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、電機(jī)繞組電流這些參數(shù)記錄在靜態(tài)RAM中，在完成設(shè)定的測(cè)試周期后，測(cè)試結(jié)束。
第三步參數(shù)自動(dòng)辨識(shí) 1)設(shè)定當(dāng)前摩擦參數(shù) 即設(shè)定6個(gè)摩擦參數(shù)，即剛度系數(shù)σ0、粘性阻尼系數(shù)σ1，Coulomb摩擦力矩FC、靜摩擦力矩FS、臨界Stribeck角速度ωS、粘性摩擦系數(shù)σ2的相應(yīng)估計(jì)值

2)計(jì)算力矩電機(jī)轉(zhuǎn)角的估計(jì)值 該轉(zhuǎn)角的估計(jì)值可通過(guò)四階龍格庫(kù)塔法對(duì)以下運(yùn)動(dòng)微分方程進(jìn)行求解獲得 其中，

為t時(shí)刻摩擦力矩的估計(jì)值，依據(jù)當(dāng)前各參數(shù)的估計(jì)值


按LuGre模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式(1)可計(jì)算得到；J為已知的系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，含電機(jī)轉(zhuǎn)子、傳動(dòng)軸及試件、砝碼固定裝置的下部及下測(cè)試件；Ka為已知的電機(jī)力矩常數(shù)；I(t)第為t時(shí)刻電機(jī)繞組的電流的測(cè)量值，I(t)從記錄的第i個(gè)采樣點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中導(dǎo)出，設(shè)tp為采樣周期，則t＝i·tp；

為t時(shí)刻的轉(zhuǎn)角。
3)計(jì)算累計(jì)轉(zhuǎn)角估值誤差并選出最大轉(zhuǎn)角估值誤差 設(shè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程共獲得n組采樣數(shù)據(jù)，

和θi分別為第i個(gè)采樣點(diǎn)轉(zhuǎn)角的預(yù)估值和實(shí)測(cè)值，其中 累計(jì)轉(zhuǎn)角誤差根據(jù)下式計(jì)算 最大轉(zhuǎn)角估值誤差根據(jù)下式選擇 4)計(jì)算累計(jì)摩擦力矩估值誤差并選出最大摩擦力矩估值誤差 設(shè)

和Tfi分別為第i個(gè)采樣點(diǎn)摩擦力矩的預(yù)估值和實(shí)測(cè)值，其中累計(jì)摩擦力矩估值誤差根據(jù)下式計(jì)算 最大摩擦力矩估值誤差根據(jù)下式選擇 5)計(jì)算目標(biāo)函數(shù)，判斷其是否達(dá)到給定的估值精度目標(biāo)函數(shù)按下式計(jì)算 J＝λ1EA+λ2EMA+λ3ET+λ4EMT 其中，λ1為表征累計(jì)轉(zhuǎn)角誤差要求的權(quán)值，其取值范圍為0～1；λ2為表征最大轉(zhuǎn)角誤差要求的權(quán)值，其取值范圍為0～1；λ3為表征累計(jì)摩擦力矩誤差要求的權(quán)值，其取值范圍為0～1；λ4為表征最大摩擦力矩誤差要求的權(quán)值，其取值范圍為0～1。
如果摩擦參數(shù)估值達(dá)到給定的精度，則在LCD顯示屏上輸出結(jié)果，并將實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)和辨識(shí)結(jié)果通過(guò)USB接口發(fā)送到PC機(jī)上進(jìn)行存儲(chǔ)。
如未達(dá)到要求的精度，則按照遺傳算法修正各摩擦參數(shù)的估計(jì)值


返回步驟1)，直至滿足精度要求。
本發(fā)明的效果可通過(guò)以下仿真數(shù)據(jù)進(jìn)一步說(shuō)明 仿真條件取J＝1Kgm2，給定一組摩擦參數(shù)作為參數(shù)的實(shí)際值，以最優(yōu)個(gè)體作為辨識(shí)輸出，采用遺傳算法計(jì)算100代、1000代和50000代的辨識(shí)值。
仿真結(jié)果如圖4和表1所示，由圖4(a)可看出遺傳算法運(yùn)行1000代時(shí)，各參數(shù)的最優(yōu)個(gè)體取值即辨識(shí)值已趨近于其真值，由圖4(b)可看出遺傳算法運(yùn)行50000代時(shí)，各參數(shù)的辨識(shí)值已滿足誤差要求。由表1可知遺傳算法運(yùn)行1000代時(shí)的6個(gè)參數(shù)的平均辨識(shí)誤差為2.612％，最大辨識(shí)誤差為9.4％；遺傳算法運(yùn)行50000代時(shí)，參數(shù)σ0、σ1，F(xiàn)S、FC、ωS、σ2的辨識(shí)誤差分別為0.000％、0.030％、0.596％、0.007％、0.030％、2.940％，這6個(gè)參數(shù)的最大辨識(shí)誤差為2.940％，平均辨識(shí)誤差為0.601％，從而說(shuō)明了本發(fā)明方法的有效性。
表1
權(quán)利要求
1.一種動(dòng)態(tài)摩擦參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，包括測(cè)試件及砝碼固定裝置、電機(jī)、驅(qū)動(dòng)軸、鎖緊機(jī)構(gòu)和控制器，其特征在于，電機(jī)(13)下面固定有絕對(duì)編碼器(14)，用于測(cè)量測(cè)試件表面的相對(duì)轉(zhuǎn)角與角速度；測(cè)試件及砝碼固定裝置(6)與鎖緊機(jī)構(gòu)(2)之間通過(guò)固定軸(3)同軸安裝有力矩傳感器(4)，用于檢測(cè)摩擦力矩。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，測(cè)試件及砝碼固定裝置(6)分上下兩層(6b和6a)，下層(6a)與驅(qū)動(dòng)軸(8)固定為一體，上層(6b)與力矩傳感器(4)固連；該下層的表面設(shè)有正方形的凹槽，用于安裝下測(cè)試件(7a)，上層安裝有上測(cè)試件(7b)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，電機(jī)(13)采用力矩電機(jī)，并與絕對(duì)編碼器(14)同軸安裝在驅(qū)動(dòng)軸(8)的底部，直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，控制器(16)中設(shè)有自動(dòng)測(cè)試和參數(shù)自動(dòng)辨識(shí)程序。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，控制器(16)分別與絕對(duì)編碼器(14)、力矩傳感器(4)和力矩電機(jī)(13)連接，構(gòu)成閉環(huán)控制回路，以控制測(cè)試件表面的相對(duì)轉(zhuǎn)速、測(cè)量實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速和摩擦力矩。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，驅(qū)動(dòng)軸(8)的中部設(shè)有二層水平支架(11)，該支架與機(jī)架(10)固定為一體。
7.一種動(dòng)態(tài)摩擦參數(shù)測(cè)試方法，包括如下過(guò)程
(1)安裝測(cè)試件并設(shè)置測(cè)試參數(shù)；
(2)啟動(dòng)控制器按照設(shè)置的測(cè)試參數(shù)控制力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載運(yùn)行，并同步記錄采樣時(shí)刻、摩擦力矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角及電機(jī)繞組電流參數(shù)；
(3)設(shè)定當(dāng)前摩擦參數(shù)，即剛度系數(shù)σ0、粘性阻尼系數(shù)σ1，Coulomb摩擦力矩FC、靜摩擦力矩FS、臨界Stribeck角速度ωS、粘性摩擦系數(shù)σ2的相應(yīng)估計(jì)值
并根據(jù)所述電機(jī)繞組電流通過(guò)求解系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程，得到每個(gè)時(shí)刻的力矩電機(jī)轉(zhuǎn)角估計(jì)值
(4)計(jì)算每個(gè)時(shí)刻的力矩電機(jī)轉(zhuǎn)角估計(jì)值與記錄該時(shí)刻的轉(zhuǎn)角實(shí)測(cè)值的誤差累計(jì)值EA，并找出最大的力矩電機(jī)轉(zhuǎn)角誤差值EMA；
(5)計(jì)算每個(gè)時(shí)刻的摩擦力矩估計(jì)值與記錄該時(shí)刻的摩擦力矩實(shí)測(cè)值的誤差累計(jì)值ET，并找出最大的摩擦力矩誤差值EMT；
(6)判斷步驟(4)、(5)所得到的參數(shù)是否滿足步驟(1)所設(shè)定的測(cè)試參數(shù)，如果滿足則輸出當(dāng)前的摩擦參數(shù)
如果不滿足按遺傳算法修正摩擦參數(shù)
重復(fù)步驟(3)，直至滿足終止條件結(jié)束。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的測(cè)試方法，其特征在于步驟(1)所述的設(shè)置測(cè)試參數(shù)，包括力矩電機(jī)的運(yùn)行速度范圍、運(yùn)行周期、停滯時(shí)間范圍及摩擦參數(shù)辨識(shí)精度。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的測(cè)試方法，其特征在于步驟(3)所述的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程為
式中，
為t時(shí)刻摩擦力矩的估計(jì)值，J為已知的系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，I(t)為t時(shí)刻電機(jī)繞組的電流的測(cè)量值，Ka為已知的電機(jī)力矩常數(shù)，
為t時(shí)刻的轉(zhuǎn)角的估計(jì)值。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的測(cè)試方法，其特征在于，步驟(6)所述的判斷步驟(4)、(5)所得到的參數(shù)是否滿足步驟(1)所設(shè)定的測(cè)試參數(shù)，按如下過(guò)程進(jìn)行
(6a).通過(guò)如下公式對(duì)步驟(4)、(5)所得到的參數(shù)進(jìn)行求和
J＝λ1EA+λ2EMA+λ3ET+λ4EMT
式中，λ1為表征累計(jì)轉(zhuǎn)角誤差要求的權(quán)值，其取值范圍為0～1，λ2為表征最大轉(zhuǎn)角誤差要求的權(quán)值，其取值范圍為0～1，λ3為表征累計(jì)摩擦力矩誤差要求的權(quán)值，其取值范圍為0～1，λ4為為表征最大摩擦力矩誤差要求的權(quán)值，其取值范圍為0～1；
(6b).用所求和的值J與設(shè)定的辨識(shí)精度參數(shù)進(jìn)行比較，小于該設(shè)定辨識(shí)精度參數(shù)的作為辨識(shí)值輸出，反之重新進(jìn)行修正。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種動(dòng)態(tài)摩擦參數(shù)的測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試方法，該系統(tǒng)在電機(jī)(13)上安裝絕對(duì)編碼器(14)，在測(cè)試件及砝碼固定裝置(6)與鎖緊機(jī)構(gòu)(2)之間同軸安裝力矩傳感器(4)，測(cè)試件安裝在砝碼固定裝置的上下層。測(cè)試時(shí)通過(guò)控制器控制電機(jī)運(yùn)行，同步記錄采樣時(shí)刻、摩擦力矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角及電機(jī)繞組電流參數(shù)；設(shè)定當(dāng)前摩擦參數(shù)的估計(jì)值σ0、σ1、Fc、Fs、ωs、σ，并求解系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程，得到每個(gè)采樣時(shí)刻的力矩電機(jī)轉(zhuǎn)角估計(jì)值θ(t)；分別計(jì)算各時(shí)刻的力矩電機(jī)轉(zhuǎn)角估計(jì)值誤差和摩擦力矩估計(jì)值誤差，將該誤差參數(shù)與所設(shè)定的測(cè)試參數(shù)比較，滿足精度要求的輸出摩擦參數(shù)估計(jì)值，否則重新修正。本發(fā)明具有測(cè)試簡(jiǎn)便和精度高的優(yōu)點(diǎn)，適用對(duì)各種材料的動(dòng)態(tài)摩擦參數(shù)測(cè)試。
文檔編號(hào)G01D21/02GK101226068SQ20081001747
公開(kāi)日2008年7月23日 申請(qǐng)日期2008年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月1日
發(fā)明者進(jìn) 黃, 丹 張, 段寶巖, 馬燕玲 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)