CN111780906A - 一种正弦力系统摩擦力测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正弦力系统摩擦力测试方法，将信号发生器通过放大器与被测对象连接；速度传感器安装在被测对象上，并将数据传递给测试计算机；所述信号发生器输出正弦信号，驱动放大器产生正弦驱动电流，所述被测对象所受推力为F＝ρAsin(ωt)，ρ为推力‑电流系数，且为常数；调节所述正弦信号的幅值和周期，使所述被测对象运动速度达到最高速度V_max；记录一组由多个周期组成的速度数据V(t)；对数据进行同步、降噪处理，获得单个周期的数据曲线，根据所述速度数据计算被测对象的加速度a(t)；根据f(t)＝F(t)‑Ma(t)，计算摩擦力；根据速度数据V(t)、摩擦力数据f(t)绘制摩擦曲线。本发明提供了一种正弦力系统摩擦力测试方法，解决了传统技术中恒定速度低速精度差、换向摩擦无法测试、离散数据特征点遗漏建模误差问题。

Description

一种正弦力系统摩擦力测试方法

技术领域

本发明涉及控制技术领域，更具体的说是涉及一种正弦力系统摩擦力测试方法。

背景技术

摩擦的产生原因比较复杂，有多种因素综合形成总体摩擦力。研究者建立的解析形式的摩擦模型也有多种，如Lugre、GSM模型等，因其随应用环境变化而呈现的力学特征差异比较大，采用某种统一的解析模型在实际应用中，难免顾此失彼；又新近研究文献对摩擦原因的形成仍在探讨，甚至与传统的结论不一致。解析模型在复杂环境下应用存在本质上的缺点。实际应用中，具体的摩擦产生的主要因素、次要因素，各个因素的强弱关系等存在一定的随机性，因此具体摩擦的整体特征会有较大差异。

对于电机驱动的机械系统，传统的摩擦模型的测试是，将系统电机在速度闭环的控制下，给电机若干个恒定速度，测试这几组速度与摩擦力的对应关系，根据数据，使用lugre、GSM等模型进行曲线拟合，并将获得的补偿模型应用与算法当中。这个做法的一些不足如下：

恒定速度需要良好的闭环性能，在低速的情况下，由于控制器的性能问题，速度恒定精度差，测试不准确。

恒定速度在研究设备换向时的摩擦动态特征时，无能为力，而对于具有空间连续封闭曲线加工要求的机床、机械臂，这个特征很重要。

恒定速度的测试，离散的数据点，其选择可能错过特征点，使得模型重要特征不能被测试，造成建模误差。

因此，如何提供一种高效、高精度的摩擦力测试方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种正弦力系统摩擦力测试方法，解决了传统技术中恒定速度精度差，测试不准确，建模存在误差的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种正弦力系统摩擦力测试方法，具体步骤包括如下：

步骤一：将信号发生器通过放大器与被测对象连接；速度传感器安装在被测对象上，并将数据传递给测试计算机；

步骤二：所述信号发生器输出正弦信号，驱动放大器产生正弦驱动电流，所述被测对象所受推力为F＝ρAsin(ωt)，ρ为推力-电流系数，且为常数；

步骤三：调节所述正弦信号的幅值和周期，使所述被测对象运动速度达到最高速度V_max；

步骤四：记录一组由多个周期组成的速度数据V(t)；

步骤五：对数据进行同步、降噪处理，获得单个周期的数据曲线，根据所述速度数据计算被测对象的加速度a(t)；

步骤六：根据f(t)＝F(t)-Ma(t)，计算摩擦力；

步骤七：根据速度数据V(t)、摩擦力数据f(t)绘制摩擦曲线。

优选的，在上述的一种正弦力系统摩擦力测试方法中，不需要速度控制环节，所述被测对象包括但不限于：直线电机、旋转电机、力矩电机、双轴系统。

优选的，在上述的一种正弦力系统摩擦力测试方法中，所述步骤一中，正弦信号是幅值连续渐变、方向可变的信号，测试过程中可以获得速度幅值和方向连续变化的测试数据。

优选的，在上述的一种正弦力系统摩擦力测试方法中，所述步骤三中，通过调节幅值和周期，可使驱动对象在有限的行程内达到测试范围的最高限，被测对象的运动为往复运动。

优选的，在上述的一种正弦力系统摩擦力测试方法中，所述步骤五中，按周期同步截取，形成单个周期的数据曲线，将多个周期的相同相位的数据进行平均，获得单周期的平均速度，进行微分处理，获得每个时刻的加速度 a(t)。

优选的，在上述的一种正弦力系统摩擦力测试方法中，所述步骤七中，获得的模型为连续的、方向变化的、包含速度零点换向粘滞特性的数值模型。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，技术效果在于：

(1)对于传统恒定速度测试方法需要良好的闭环性能，维持稳定速度，在低速的情况下，由于控制器的性能问题，速度恒定精度差，测试不准确。而新的方法不需要速度闭环控制,不用设计闭环控制器。只给系统精确的正弦驱动力，并通过测量单元测量对象运动数据即可，摩擦力对速度的影响，体现在速度的变化上，利用后期数据处理方法得到摩擦模型，在这一点上，新方法与传统方法在数据利用的思路上是相反的。

(2)现有的基于恒定速度在研究设备换向时的摩擦动态特征时，效果不佳，对于低速或极低速，这种方只能尽量逼近。限于设备的经济性、当前控制系统硬件技术的极限，不能完全实极低速度的平稳控制，因此这种方法在极低速度下精度不可信。而对于具有空间连续封闭曲线加工要求的机床、机械臂，这个特征很重要。新的方法使用正弦力进行对象驱动，正弦力在换向过程是平滑变化的，其数据的记录完全包括换向过程，使得对象在换向过程中的摩擦特性能够通过数据直接分析。

(3)现有恒定速度的测试，离散的数据点，其选择可能错过特征点，使得模型重要特征不能被测试，造成建模误差。而新方法采用正弦力，力是组件增加、减小、并反向变化，推动对象在速度正反向、由零到大连续变化，因此测得的数据是连续的模型，覆盖测试范围内的所有测试点，不存在遗漏特殊数据的问题。

(4)采用正弦力的方法，包含正向、反向的激励，使得被测对象的正向、反向、速度极限以内的不同参数下的特征都能直接体体现，因此在一个周期内的数据即可包含所有信息，测试内容丰富、数据信息量大，测试过程时间短，效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明的流程图；

图2附图为本发明调节正弦信号推力的变化曲线；

图3附图为本发明速度、位移和正弦力的变化曲线；

图4附图为本发明的正弦力与加速度的变化曲线；

图5附图为本发明的速度与摩擦力的变化曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种正弦力系统摩擦力测试方法，解决了传统技术中恒定速度测试摩擦力存在的问题。

实施例一：用于测试直线电机

第一步：准备好驱动放大器，将其设置在电流模式下；采用ARS2000驱动器，通过软件设置为电流驱动模式。

第二步：连接好数据发生器、数据采集器、驱动放大器、被测系统。使用PC机与dSPACE DS1104板卡构成数据输出、输入系统，使用MATLAB 软件设计正弦驱动信号、输入输出通道配饰系统。将DS1104的模拟量输出与驱动器连接，将驱动器与BOB-DTL85型直线电机连接，将电机传感器与 DS1104脉冲接口连接。

第三步：输出正弦信号，驱动放大器产生正弦驱动电流，电机推力 F＝ρAsin(ωt)，ρ为推力-电流系数，固定常数。使电机在正弦力的驱动下做往返运动。使用Controdesk测试软件软件，调节信号的幅值A、频率ω。一般A 参数要小、ω为一个较低的肉眼可感知频率。逐步增大数值，开始驱动力小，不能推动，参数逐渐增大，系统动力逐渐增大，电机即开始小范围往复运动。如图2所示。

第四步：调节正弦信号的幅值、周期，使电机在有限行程内达到最高速度Vmax；并作往返运动。电机开始往复运动，此时通过Controdesk测试软件软件，监视速度最大值，逐步调节A、ω，在有限行程内，使得最高速度Vmax 达到要求，A增加会使速度增大，同时行程增大，ω增加缩短加速时间，同时缩短行程，通过相互配合，使得行程和Vmax都达到要求。

第五步：记录电机速度数据V(t)，一般是周期数据。通过Controdesk测试软件，测试一组数据，一般应包含多个周期的数据，实例中测试信号周期为 0.5Hz，采样周期为1kHz。采集10000组数据。如图3所示。

第六步：对数据进行同步、降噪处理，获得单个周期的数据曲线。根据记录的电机速度数据计算电机动子加速度a(t)。通过MATLAB软件进行数据的处理。

如图4所示。

第七步：根据f(t)＝F(t)-Ma(t)，计算摩擦力。通过MATLAB软件进行数据的处理。

第八步：根据速度数据V(t)、摩擦力数据f(t)绘制摩擦模型。通过MATLAB 进行处理。如图5所示。在电机控制上，这个模型更加连续、精细的反应实际系统的实时摩擦力，主要用于前馈补偿，这样可以预先消除扰动，提高整体系统的精确度。

实施例二：用于旋转电机

第一步：同实施例一

第二步：连接好数据发生器、数据采集器、驱动放大器、被测系统。使用PC机与dSPACE DS1104板卡构成数据输出、输入系统，使用MATLAB 软件设计正弦驱动信号、输入输出通道配饰系统。将DS1104的模拟量输出与驱动器连接，将驱动器与科尔摩根AKM42G三相旋转电机将电机传感器与 DS1104脉冲接口连接。

第三步到第八步：同实施例一；

实施例三：用于测试力矩电机。

第一步：同实施例一

第二步：连接好数据发生器、数据采集器、驱动放大器、被测系统。使用PC机与dSPACE DS1104板卡构成数据输出、输入系统，使用MATLAB 软件设计正弦驱动信号、输入输出通道配饰系统。将DS1104的模拟量输出与驱动器连接，将驱动器与安川SGMCS-08D直驱电机，将电机传感器与DS1104 脉冲接口连接。

第三步到第八步：同实施例一。

实施例四：测试双轴系统

第一步：准备好驱动放大器，将其设置在电流模式下；测试采用两个 ARS2000驱动器，通过软件设置为电流驱动模式。

第二步：连接好数据发生器、数据采集器、驱动放大器、被测系统。使用PC 机与dSPACEDS1104板卡构成数据输出、输入系统，使用MATLAB软件设计正弦驱动信号、输入输出通道配饰系统。将DS1104的两路模拟量输出与两个驱动器连接，将驱动器与伺服电机连接，将两个电机传感器与DS1104的；两个脉冲接口分别连接。

第三步到第八步：操作步骤与实施例一致，同时测试2组数据。

实施例五：用于测试直线电机

第一步：准备好驱动放大器，将其设置在电流模式下；采用艾思控 AQMD360驱动器，通过拨码开关设置为电流驱动模式。

第二步：连接好数据发生器、数据采集器、驱动放大器、被测系统。使用PC机与dSPACEDS1104板卡构成数据输出、输入系统，使用MATLAB 软件设计正弦驱动信号、输入输出通道配饰系统。将DS1104的模拟量输出与驱动器连接，将驱动器与直流电机连接(24V800W)型直线电机连接，将电机传感器与DS1104脉冲接口连接。

第三步到第八步：同实施例一。

实施例六：多路通用经济型

本实施例采用高性能DSP处理器，代替dSPACE系统，硬件成本可减少约10 万元(2019年价格)。

第一步：同实施例一，测试通道数小于等于3，硬件套数小于等于3。

第二步：连接好数据发生器、数据采集器、驱动放大器、被测系统。使用TI公司TMS320F28377型号DSP构成数据输出、输入测试系统系统。使用DSP内部软件模块生成正弦驱动信号、使用DSP输入输出通道采集信息，使用SCI总线将测试数据显示在本地液晶屏上。将DSP的模拟量输出(或者脉冲量接口)与驱动器连接，将驱动器与电机连接，将电机传感器与单片机编码器接口连接(最多3路)。

第三步：输出正弦信号，驱动放大器产生正弦驱动电流，电机推力 F＝ρAsin(ωt)，ρ为推力-电流系数，固定常数。使电机在正弦力的驱动下做往返运动。使用自编软件通过USB或串口与DSP通信，设置信号的幅值A、频率ω。由DSP运行正弦波发生单元产生正弦信号，通过模拟(脉冲)端口输出给驱动器，DSP同时将设定数据、测试数据显示在本地小液晶屏上。一般A 参数要小、ω为一个较低的肉眼可感知频率。逐步增大数值，开始驱动力小，不能推动，参数逐渐增大，系统动力逐渐增大，电机即开始小范围往复运动。

第四步：调节正弦信号的幅值、周期，使电机在有限行程内达到最高速度Vmax；并作往返运动。电机开始往复运动，监视速度最大值，逐步调节A、ω，在有限行程内，使得最高速度Vmax达到要求，A增加会使速度增大，同时行程增大，ω增加缩短加速时间，同时缩短行程，通过相互配合，使得行程和Vmax都达到要求。

第五步：记录电机速度数据V(t)，一般是周期数据。通过DSP内部软件将测试数据记录到芯片RAM内部，测试一组数据，一般应包含多个周期的数据，实例中测试信号周期为0.5Hz，采样周期为1kHz。采集10000组数据。通过USB 或串口读出数据。

第六步～第七步：同实施例一。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种正弦力系统摩擦力测试方法，其特征在于，具体步骤包括如下：

步骤一：将信号发生器通过放大器与被测对象连接；速度传感器安装在被测对象上，并将数据传递给测试计算机；

步骤二：所述信号发生器输出正弦信号，驱动放大器产生正弦驱动电流，所述被测对象所受推力为F＝ρAsin(ωt)，ρ为推力-电流系数，且为常数；

步骤三：调节所述正弦信号的幅值和周期，使所述被测对象运动速度达到最高速度V_max；

步骤四：记录一组由多个周期组成的速度数据V(t)；

步骤五：对数据进行同步、降噪处理，获得单个周期的数据曲线，根据所述速度数据计算被测对象的加速度a(t)；

步骤六：根据f(t)＝F(t)-Ma(t)，计算摩擦力；

步骤七：根据速度数据V(t)、摩擦力数据f(t)绘制摩擦曲线。

2.根据权利要求1所述的一种正弦力系统摩擦力测试方法，其特征在于，所述被测对象包括但不限于：直线电机、旋转电机、力矩电机、双轴系统。

3.根据权利要求1所述的一种正弦力系统摩擦力测试方法，其特征在于，所述步骤二中，正弦信号是幅值连续渐变、方向可变的信号，测试过程中可以获得速度幅值和方向连续变化的测试数据。

4.根据权利要求1所述的一种正弦力系统摩擦力测试方法，其特征在于，所述步骤三中，通过调节幅值和周期，使驱动对象在有限的行程内达到测试范围的最高限，被测对象的运动为往复运动。

5.根据权利要求1所述的一种正弦力系统摩擦力测试方法，其特征在于，所述步骤五中，按周期同步截取，形成单个周期的数据曲线，将多个周期的相同相位的数据进行平均，获得单周期的平均速度，进行微分处理，获得每个时刻的加速度a(t)。

Images