CN108333946B - 摩擦加载方法及系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种摩擦加载方法及系统，其中该摩擦加载方法包括在前一时刻切换控制信号值S(k‑1)小于O的情况下，比较运动停止微速率阈值p0和系统运动角位移θl与马达角位移θm之差的绝对值；以及在运动停止微速率阈值p0大于系统运动角位移θl与马达角位移θm之差的绝对值的情况下，输出大于0的切换控制信号值S(k)，以控制采用位移控制模式来实现静摩擦模拟，否则输出小于0的切换控制信号值S(k)，以控制采用力/力矩控制模式来实现动摩擦模拟,其中k表示当前时刻。

Description

摩擦加载方法及系统
技术领域
本公开涉及一种摩擦加载方法及系统。
背景技术
摩擦是机械伺服系统中最常见的负载之一，它是一种非常复杂的非线性物理现象，产生于具有相对运动的接触面之间。摩擦特性不仅严重影响伺服机构的控制精度，而且在低速情况下会造成爬行，甚至出现极限环震荡，影响其稳定性。为了克服摩擦带来的危害，在伺服机构研制阶段要进行摩擦负载的模拟测试，通常采用磁粉离合器、液压或电动的刹车摩擦片等方式来实现。
对于很多大型的伺服执行结构，如飞机与火箭推力矢量喷管控制机构、高速飞行器舵面伺服机构、坦克与火炮炮塔控制机构，其主要负载是由摩擦负载、空气动力负载、重力矩负载、惯性负载等组合而成，而且摩擦负载是其中非常主要的因素。这类机构的组合负载具有强时变与非线性的特性，通常使用负载模拟器主动施加。但对于其中的摩擦，通常需要额外并联磁粉离合器，增加了系统的复杂程度。仅用负载模拟器实现对摩擦力/力矩进行主动加载一直没有被提出和解决。
发明内容
为了解决至少一个上述问题，在本公开的第一方面中，本公开提供了一种摩擦加载方法，其包括：
在前一时刻切换控制信号值S(k-1)小于O的情况下，比较运动停止微速率阈值p0和系统运动角位移θl与马达角位移θm之差的绝对值；以及
在运动停止微速率阈值p0大于系统运动角位移θl与马达角位移θm之差的绝对值的情况下，输出大于0的切换控制信号值S(k)，以控制采用位移控制模式来实现静摩擦模拟，否则输出小于0的切换控制信号值 S(k)，以控制采用力/力矩控制模式来实现动摩擦模拟,
其中k表示当前时刻。
在根据本公开的一些实施方式中，摩擦加载方法还包括：
在前一时刻切换控制信号值S(k-1)大于O的情况下，比较系统运动角位移θl与马达角位移θm；
在系统运动角位移θl大于马达角位移θm的情况下，计算式(1)
Sgn(θl-θm)Ms-Mf (1)
其中Ms表示被加载最大静摩擦力矩的绝对值，Mf表示摩擦力矩加载最终输出，
在式(1)小于0的情况下，输出小于0的切换控制信号值S(k)，以控制采用力/力矩控制模式来实现动摩擦模拟，否则输出大于0的切换控制信号值S(k)，以控制采用位移控制模式来实现静摩擦模拟。
在根据本公开的一些实施方式中，摩擦加载方法还包括：
在系统运动角位移θl小于马达角位移θm的情况下，计算式(1)
Sgn(θl-θm)Ms-Mf (1)
在式(1)小于0的情况下，输出大于0的切换控制信号值S(k)，以控制采用位移控制模式来实现静摩擦模拟，否则输出小于0的切换控制信号值S(k)，以控制采用力/力矩控制模式来实现动摩擦模拟。
在根据本公开的一些实施方式中，根据等式(2)来执行力/力矩控制模式，
Umc＝KfsyUsy+KfmGMctrl(S)(Mfr-Mfo) (2)
其中，Umc表示力/力矩控制并联综合输出，Kfsy表示速度同步控制系数，Usy表示速度同步解耦控制器输出，Kfm表示力/力矩控制系数，GMctrl表示力/力矩控制传递函数，Mfr表示摩擦力/力矩加载指令，Mfo表示摩擦力/力矩加载采样。
在根据本公开的一些实施方式中，根据等式(3)来执行位移控制模式，
Udc＝-KfdGDctrl(θl-θm) (3)
其中，Udc表示位移控制输出，Kfd为位移控制系数，GDctrl为位移控制传递函数。
在本公开的第二方面中，本公开提供了一种摩擦加载系统，其包括：
负载部，负载部输出系统运动角位移θl；
伺服执行器，伺服执行器输出伺服执行器角位移θf；
负载模拟器，负载模拟器输出马达角位移θm；以及
切换控制模块，切换控制模块用于控制负载模拟器实现动摩擦模拟或静摩擦模拟，
其中，在前一时刻切换控制信号值S(k-1)小于O的情况下，切换控制模块比较运动停止微速率阈值p0和系统运动角位移θl与马达角位移θm之差的绝对值；以及
在运动停止微速率阈值p0大于系统运动角位移θl与马达角位移θm之差的绝对值的情况下，切换控制模块输出大于0的切换控制信号值 S(k)，以控制负载模拟器采用位移控制模式来实现静摩擦模拟，否则输出小于0的切换控制信号值S(k)，以控制负载模拟器采用力/力矩控制模式来实现动摩擦模拟,
其中k表示当前时刻。
在根据本公开的一些实施方式中，在前一时刻切换控制信号值S(k-1) 大于O的情况下，切换控制模块比较系统运动角位移θl与马达角位移θm；
在系统运动角位移θl大于马达角位移θm的情况下，切换控制模块计算式(1)
Sgn(θl-θm)Ms-Mf (1)
其中Ms表示被加载最大静摩擦力矩的绝对值，Mf表示摩擦力矩加载最终输出，
在式(1)小于0的情况下，切换控制模块输出小于0的切换控制信号值S(k)，以控制负载模拟器采用力/力矩控制模式来实现动摩擦模拟，否则输出大于0的切换控制信号值S(k)，以控制负载模拟器采用位移控制模式来实现静摩擦模拟。
在根据本公开的一些实施方式中，在系统运动角位移θl小于马达角位移θm的情况下，切换控制模块计算式(1)
Sgn(θl-θm)Ms-Mf (1)
在式(1)小于0的情况下，切换控制模块输出大于0的切换控制信号值S(k)，以控制负载模拟器采用位移控制模式来实现静摩擦模拟，否则输出小于0的切换控制信号值S(k)，以控制负载模拟器采用力/力矩控制模式来实现动摩擦模拟。
在根据本公开的一些实施方式中，根据等式(2)来执行力/力矩控制模式，
Umc＝KfsyUsy+KfmGMctrl(S)(Mfr-Mfo) (2)
其中，Umc表示力/力矩控制并联综合输出，Kfsy表示速度同步控制系数，Usy表示速度同步解耦控制器输出，Kfm表示力/力矩控制系数，GMctrl表示力/力矩控制传递函数，Mfr表示摩擦力/力矩加载指令，Mfo表示摩擦力/力矩加载采样。
在根据本公开的一些实施方式中，根据等式(3)来执行位移控制模式，
Udc＝-KfdGDctrl(θl-θm) (3)
其中，Udc表示位移控制输出，Kfd为位移控制系数，GDctrl为位移控制传递函数。
附图说明
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1示出了根据本公开至少一个实施方式的摩擦加载方法的流程图。
图2示出了带摩擦负载的伺服系统角度跟踪曲线与静摩擦平台现象。
图3示出了根据本公开至少一个实施方式的摩擦加载系统的框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。
图1示出了带摩擦负载的伺服系统角度跟踪曲线与静摩擦平台现象。图1中可见，系统运动角位移从峰值处，即速度为零时刻开始停止运动，出现了静摩擦特有的平台现象。
静摩擦力矩不依赖于速度，静摩擦力矩并不是真正意义上的摩擦力，而是一种约束力矩，因为它既不耗能也不是滑动的结果。图1中的平台现象就是这种约束作用的表现。同时原理指出，静摩擦力矩的最大值不是瞬时达到的，而是随着驱动力矩的变化而变化，静摩擦力矩等于负载的外驱动力矩。
因此，本公开提供了一种带静摩擦描述的Stribeck模型,如下表示：
Figure BDA0001588122370000051
其中，Mext：负载的外驱动力矩(Nm)；Mf：摩擦力矩加载最终输出(Nm)。
基于上述的带静摩擦描述的Stribeck模型，本公开提供了一种摩擦加载方法。
图2示出了根据本公开至少一个实施方式的摩擦加载方法的流程图。如图1所示，在前一时刻的切换控制信号值S(k-1)小于O的情况下，比较运动停止微速率阈值p0和系统运动角位移θl与马达角位移θm之差的绝对值abs(θl-θm)；
在p0大于abs(θl-θm)的情况下，则当前时刻的切换控制信号值S(k) 为1，即采用位移控制模式来实现静摩擦模拟，否则S(k)为-1，即采用力/力矩控制模式来实现动摩擦模拟。
在S(k-1)大于O的情况下，对系统运动角位移θl与马达角位移θm进行比较；
在系统运动角位移θl大于马达角位移θm的情况下，计算式(1)
Sgn(θl-θm)Ms-Mf (1)
其中Ms表示被加载最大静摩擦力矩的绝对值，Mf表示摩擦力矩加载最终输出，
在式(1)小于0的情况下，则当前时刻的切换控制信号值S(k)为 -1，即采用力/力矩控制模式来实现动摩擦模拟，否则S(k)为1，即采用位移控制模式来实现静摩擦模拟；以及
在系统运动角位移θl小于马达角位移θm的情况下，计算式(1)
Sgn(θl-θm)Ms-Mf (1)
在式(1)小于0的情况下，则当前时刻的切换控制信号值S(k)为 1，即采用位移控制模式来实现静摩擦模拟，否则S(k)为-1，即采用力/ 力矩控制模式来实现动摩擦模拟。
在图2中，下标d-m表示从位移控制模式转向力/力矩控制模式，即由静到动；下标m-d表示从力/力矩控制模式转向位移控制模式，即由动到静。
在本公开的至少一个实施方式中，根据等式(2)来执行力/力矩控制模式，
Umc＝KfsyUsy+KfmGMctrl(S)(Mfr-Mfo) (2)
其中，Umc表示力/力矩控制并联综合输出；Kfsy表示速度同步控制系数；Usy表示速度同步解耦控制器输出；Kfm表示力/力矩控制系数；GMctrl表示力/力矩控制传递函数；Mfr表示摩擦力/力矩加载指令；Mfo表示摩擦力/力矩加载采样。
在本公开的至少一个实施方式中，根据等式(3)来执行位移控制模式，
Udc＝-KfdGDctrl(θl-θm) (3)
其中，Udc表示位移控制输出，Kfd为位移控制系数(V/rad)，GDctrl为位移控制传递函数。
因为负载与马达(例如液压马达)之间并不是绝对的刚性连接，在位移为零或可以忽略不计时，可以认为θl-θm＝0；而当负载力矩增大时，负载角位移会逐渐大于马达角位移，这也是主动负载模拟器产生输出力矩的原因。角位移一般采用光栅码盘进行测试，通过板卡转换为数字量，进而传递给计算机，测量较为精确，适合作为控制量进行切换控制器控制。
被测伺服执行器拖动真实负载的情况下，伺服执行器的动力学模型：
Mact＝Gl(θf-θl) (4)
其中，Mact为舵机驱动力矩输出(Nm)，Gl为负载部的有效弹簧刚度 (Nm/rad)，θf为伺服执行器的角位移(rad)，
负载部的动力学方程：
Figure BDA0001588122370000071
其中，Jl为负载惯量(kg·m2)，Bl为负载粘滞阻尼(Nm·s/rad)。
摩擦表面的动力学方程：
Mext＝Mf (6)
对于图3中的负载模拟器，Mext是负载模拟器的外干扰力矩，其动力学方程：
Figure BDA0001588122370000072
其中，Jm为马达的转子惯量(kg·m2)，Bm为马达的粘滞阻尼(Nm·s/rad)；
当负载模拟器作位移控制时，θl处在图1中的平台段，即θl-θm＝0, 可近似认为负载角位移等于马达角位移，不考虑控制品质问题，式(7)中的负载角速度
Figure BDA0001588122370000073
由图1可见，系统在静摩擦段时存在动态过程，并非瞬时现象，故负载角加速度
Figure BDA0001588122370000074
所以，式(7)可变为：
Mext＝Mf (8)
从而实现了外驱动力矩等于摩擦力矩加载最终输出力矩。
同理，位移控制时，结合式(8)，式(5)可变为：
Gl(θf-θl)＝Mext＝Mf (9)
根据本公开实施方式的摩擦加载方法解决了用电液力/力矩负载模拟器切换加载动、静摩擦力/力矩的问题，实现了静摩擦与动摩擦的真实模拟，能够复现伺服机构拖动大摩擦力/力矩负载运动的真实情况。
图3示出了根据本公开至少一个实施方式的摩擦加载系统的框图。如图3所示，摩擦加载系统300 包括负载部301、伺服执行器302、负载模拟器303、切换控制模块304。
负载部301输出系统运动角位移θl，伺服执行器302输出伺服执行器302角位移θf，负载模拟器303输出马达角位移θm，以及切换控制模块304用于控制负载模拟器303实现动摩擦模拟或静摩擦模拟。
在前一时刻切换控制信号值S(k-1)小于O的情况下，切换控制模块304比较运动停止微速率阈值p0和系统运动角位移θl与马达角位移θm之差的绝对值abs(θl-θm)；以及
在p0大于abs(θl-θm)的情况下，切换控制模块304输出的当前时刻的切换控制信号值S(k)为1，以控制负载模拟器303采用位移控制模式来实现静摩擦模拟，否则输出的S(k)为-1，以控制负载模拟器303采用力/力矩控制模式来实现动摩擦模拟。
在S(k-1)大于O的情况下，切换控制模块304比较系统运动角位移θl与马达角位移θm；
在系统运动角位移θl大于马达角位移θm的情况下，切换控制模块 304计算式(1)
Sgn(θl-θm)Ms-Mf (1)
其中Ms表示被加载最大静摩擦力矩的绝对值，Mf表示摩擦力矩加载最终输出，
在式(1)小于0的情况下，切换控制模块304输出的S(k)为-1，以控制负载模拟器303采用力/力矩控制模式来实现动摩擦模拟，否则输出的S(k)为1，以控制负载模拟器303采用位移控制模式来实现静摩擦模拟。
在系统运动角位移θl小于马达角位移θm的情况下，切换控制模块 304计算式(1)
Sgn(θl-θm)Ms-Mf (1)
在式(1)小于0的情况下，切换控制模块304输出的S(k)为1，以控制负载模拟器303采用位移控制模式来实现静摩擦模拟，否则输出的S (k)为-1，以控制负载模拟器303采用力/力矩控制模式来实现动摩擦模拟。
根据本公开实施方式的摩擦加载方法解决了用电液力/力矩负载模拟器切换加载动、静摩擦力/力矩的问题，实现了静摩擦与动摩擦的真实模拟，能够复现伺服机构拖动大摩擦力/力矩负载运动的真实情况。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (6)

1.一种摩擦加载方法，其特征在于，所述摩擦加载方法包括：
在前一时刻切换控制信号值S(k-1)小于0 的情况下，比较运动停止微速率阈值p0和系统运动角位移θl与马达角位移θm之差的绝对值；以及
在运动停止微速率阈值p0大于系统运动角位移θl与马达角位移θm之差的绝对值的情况下，输出大于0的切换控制信号值S(k)，以控制采用位移控制模式来实现静摩擦模拟，否则输出小于0的切换控制信号值S(k)，以控制采用力/力矩控制模式来实现动摩擦模拟；
在前一时刻切换控制信号值S(k-1)大于0的情况下，比较系统运动角位移θl与马达角位移θm；
在系统运动角位移θl大于马达角位移θm的情况下，计算式(1)
Sgn(θl-θm)Ms-Mf (1)
其中Ms表示被加载最大静摩擦力矩的绝对值，Mf表示摩擦力矩加载最终输出，
在式(1)小于0的情况下，输出小于0的切换控制信号值S(k)，以控制采用力/力矩控制模式来实现动摩擦模拟，否则输出大于0的切换控制信号值S(k)，以控制采用位移控制模式来实现静摩擦模拟；
在系统运动角位移θl小于马达角位移θm的情况下，计算式(1)
Sgn(θl-θm)Ms-Mf (1)
在式(1)小于0的情况下，输出大于0的切换控制信号值S(k)，以控制采用位移控制模式来实现静摩擦模拟，否则输出小于0的切换控制信号值S(k)，以控制采用力/力矩控制模式来实现动摩擦模拟；
其中k表示当前时刻。
2.根据权利要求1所述的摩擦加载方法，其特征在于，根据等式(2)来执行力/力矩控制模式，
Umc＝KfsyUsy+KfmGMctrl(S)(Mfr-Mfo) (2)
其中，Umc表示力/力矩控制并联综合输出；
Kfsy表示速度同步控制系数；
Usy表示速度同步解耦控制器输出；
Kfm表示力/力矩控制系数；
GMctrl表示力/力矩控制传递函数；
Mfr表示摩擦力/力矩加载指令；
Mfo表示摩擦力/力矩加载采样。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的摩擦加载方法，其特征在于，根据等式(3)来执行位移控制模式，
Udc＝-KfdGDctrl(θl-θm) (3)
其中，Udc表示位移控制输出；
Kfd为位移控制系数；
GDctrl为位移控制传递函数。
4.一种摩擦加载系统，其特征在于，所述摩擦加载系统包括：
负载部，所述负载部输出系统运动角位移θl；
伺服执行器，所述伺服执行器输出伺服执行器角位移θf；
负载模拟器，所述负载模拟器输出马达角位移θm；以及
切换控制模块，所述切换控制模块用于控制所述负载模拟器实现动摩擦模拟或静摩擦模拟，
其中，在前一时刻切换控制信号值S(k-1)小于0 的情况下，所述切换控制模块比较运动停止微速率阈值p0和系统运动角位移θl与马达角位移θm之差的绝对值；以及
在运动停止微速率阈值p0大于系统运动角位移θl与马达角位移θm之差的绝对值的情况下，所述切换控制模块输出大于0的切换控制信号值S(k)，以控制所述负载模拟器采用位移控制模式来实现静摩擦模拟，否则输出小于0的切换控制信号值S(k)，以控制所述负载模拟器采用力/力矩控制模式来实现动摩擦模拟；
在前一时刻切换控制信号值S(k-1)大于0 的情况下，所述切换控制模块比较系统运动角位移θl与马达角位移θm；
在系统运动角位移θl大于马达角位移θm的情况下，所述切换控制模块计算式(1)
Sgn(θl-θm)Ms-Mf (1)
其中Ms表示被加载最大静摩擦力矩的绝对值，Mf表示摩擦力矩加载最终输出，
在式(1)小于0的情况下，所述切换控制模块输出小于0的切换控制信号值S(k)，以控制所述负载模拟器采用力/力矩控制模式来实现动摩擦模拟，否则输出大于0的切换控制信号值S(k)，以控制所述负载模拟器采用位移控制模式来实现静摩擦模拟；
在系统运动角位移θl小于马达角位移θm的情况下，计算式(1)
Sgn(θl-θm)Ms-Mf (1)
在式(1)小于0的情况下，输出大于0的切换控制信号值S(k)，以控制采用位移控制模式来实现静摩擦模拟，否则输出小于0的切换控制信号值S(k)，以控制采用力/力矩控制模式来实现动摩擦模拟；
其中k表示当前时刻。
5.根据权利要求4所述的摩擦加载系统，其特征在于，
根据等式(2)来执行力/力矩控制模式，
Umc＝KfsyUsy+KfmGMctrl(S)(Mfr-Mfo) (2)
其中，Umc表示力/力矩控制并联综合输出；
Kfsy表示速度同步控制系数；
Usy表示速度同步解耦控制器输出；
Kfm表示力/力矩控制系数；
GMctrl表示力/力矩控制传递函数；
Mfr表示摩擦力/力矩加载指令；
Mfo表示摩擦力/力矩加载采样。
6.根据权利要求4-5中任一项所述的摩擦加载系统，其特征在于，
根据等式(3)来执行位移控制模式，
Udc＝-KfdGDctrl(θl-θm) (3)
其中，Udc表示位移控制输出；
Kfd为位移控制系数；
GDctrl为位移控制传递函数。
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