自动估计机械系统中的惯性、库伦摩擦和粘性摩擦的方法技术方案

提供了用于估计受控机械系统的惯性、库仑摩擦系数和粘性摩擦系数的系统和方法。在一个或更多个实施例中，惯性和摩擦估计系统可以在测试序列期间产生随时间连续变化的转矩命令信号。在测试序列期间测量和记录作为对时变转矩命令信号的响应的运动系统的速度。估计系统然后基于发送到运动系统的转矩命令数据以及测量的速度数据来估计运动系统的惯性和摩擦系数。在一些实施例中，估计系统基于转矩命令信号和速度数据的积分来估计惯性和摩擦系数。

Automatic estimation of inertia, friction and viscous friction in mechanical systems in Kulun

A system and method for estimating inertia, Coulomb friction coefficient and viscous friction coefficient of controlled mechanical systems are provided. In one or more embodiments, the inertia and friction estimation system can generate torque command signals continuously changing over time during the test sequence. The speed of the motion system acting as a response to the time-varying torque command signal is measured and recorded during the test sequence. The estimation system then estimates the inertia and friction coefficient of the motion system based on the torque command data and the measured velocity data transmitted to the motion system. In some embodiments, the estimation system estimates the inertia and friction coefficients based on the integration of the torque command signal and the velocity data.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】自动估计机械系统中的惯性、库伦摩擦和粘性摩擦的方法
本公开总体上涉及运动控制，更具体地，涉及估计用作运动控制系统中的参数的惯性和摩擦系数。
技术介绍
许多自动化应用采用运动控制系统来控制机器的位置和速度。这种运动控制系统通常包括在控制器的引导下操作的一个或更多个电机或类似的致动装置，控制器根据用户定义的控制算法向电机发送位置和速度控制指令。一些运动控制系统以闭环配置操作，由此控制器指示电机移动到目标位置或转换到目标速度(期望状态)并且接收指示电机的实际状态的反馈信息。控制器监测反馈信息以确定电机是否已经达到目标位置或速度，并且调整控制信号以校正实际状态与期望状态之间的误差。运动控制系统的设计者试图在运动速度和系统稳定性之间达到最佳平衡。例如，如果控制器命令电机以高转矩将机械组件转换到目标位置，则机器可以开始以高速(并且因此以时间有效的方式)使当前位置与期望位置之间的距离变近，但由于高转矩，可能会超出期望位置。因此，控制器必须施加校正信号来使机器回到期望位置。在运动系统收敛到期望位置之前，可能需要几次这样的迭代，这导致不期望的机器振荡。相反，指示电机以较低的转矩运行可能会提高初始状态转换的准确度，并减少或消除机器振荡，但会增加将机器置于期望位置所需的时间。理想情况下，应该选择控制器增益系数来优化状态转换速度与系统稳定性之间的平衡。选择合适的控制器增益系数的过程称为调节(tuning)。受控机械系统对来自具有给定的一组控制器增益系数的控制器的信号的响应取决于机械系统的物理特性，包括惯性和摩擦。惯性表示运动系统对加速或减速的阻力。摩擦力是系统的物理组件之间滑动接触产生的阻力，例如转子与轴之间的接触。系统的总摩擦力可以被建模为库仑摩擦和粘性摩擦的组合。图1是系统的组合库仑和粘性摩擦的简化模型100，所述组合库仑和粘性摩擦是速度的函数。系统的库仑摩擦具有相对恒定的大小，其由系统刚从静息状态开始移动时摩擦力的大小表示。当系统向前移动时，库仑摩擦可以由点102a表示，而当系统向相反方向移动时，库仑摩擦可以由点102b表示。粘性摩擦表示可以是系统的运动组件之间的润滑功能的摩擦力，粘性摩擦的大小通常随着速度的大小而增加，并且由简化模型100中的斜坡104a和104b表示。对受控机械系统的惯性和摩擦的准确估计可以简化调节过程并提高系统的性能。然而，确定给定机械系统的这些参数的准确值可能是困难的。在一些情况下，惯性是基于额定电机数据和包括负载在内的组件的物理数据(重量，尺寸等)，使用手动计算来估计的。这样的计算可能是麻烦且耗时的，并且可能不会给出这些重要参数的准确值。
技术实现思路
本公开的一个或更多个实施例涉及用于自动估计受控机械系统的惯性、粘性摩擦系数和库仑摩擦系数的系统和方法。为此，惯性和摩擦估计系统可以指示控制器向电机发送转矩控制信号，其中转矩控制信号随时间连续变化。该转矩控制信号可以基于在惯性和摩擦估计系统中定义的测试序列而被控制。在一个或更多个实施例中，测试序列可以指定转矩控制信号将以定义的增大速率逐渐增大，使得电机加速。响应于运动系统的速度满足定义的标准，转矩控制信号然后将逐渐减小，使得电机减速至静息状态。在这些加速和减速阶段期间，惯性估计系统响应于转矩控制信号测量并记录电机随时间的速度。然后，估计系统可以基于时变转矩信号和测量的速度曲线来确定机械系统的估计惯量、估计粘性摩擦系数和估计库仑摩擦系数。系统设计人员可以使用这些估计的惯性和摩擦系数来确定运动系统的合适的控制参数。例如，估计的惯性和/或摩擦系数可以由控制器使用以便于确定系统的适当的控制器增益。附图说明图1是作为速度的函数的系统的组合库仑和粘性摩擦的简化模型。图2是闭环运动控制架构的简化图。图3是能够产生机械系统的惯性、粘性摩擦系数和库仑摩擦系数的估计值的示例惯性和摩擦估计系统的框图。图4是示出与惯性和摩擦估计系统相关联的输入和输出的框图。图5是示出在示例测试序列期间惯性和摩擦估计系统与运动控制系统之间的交互的示图。图6是按时间绘制的示例转矩命令信号u(t)的曲线图和对应的速度反馈v(t)的曲线图。图7是描绘向运动控制器提供惯性和摩擦系数估计的惯性和摩擦估计系统的框图。图8是其中惯性和摩擦估计系统作为与运动控制器分离的独立组件操作的架构的示图。图9是示出了利用由惯性和摩擦估计系统产生的估计的惯性和摩擦系数的示例运动控制调节应用。图10用于估计受控机械系统的惯性、库伦摩擦系数和粘性摩擦系数的示例方法的流程图。图11A和图11B是用于在运动系统上执行测试序列以便估计系统的惯性、粘性摩擦和库伦摩擦的示例方法的流程图。图12是表示用于实现本文描述的一个或更多个实施例的示例网络或分布式计算环境的框图。图13是表示用于实现本文描述的一个或更多个实施例的示例计算系统或操作环境的框图。具体实施方式本文描述的系统和方法涉及用于产生针对受控机械系统的估计的惯性、粘性摩擦系数和库仑摩擦系数的技术。通过经由测试序列来运行机械系统，本公开的一个或更多个实施例可以以基本上自动的方式估计这些参数，测试序列将在本文中更详细地定义。该测试序列的结果可以用于产生针对该系统的精确的惯性估计、粘性摩擦系数估计和库仑摩擦系数估计。之后，可以使用这些估计的参数以便于简化和精确的调节以及对运动系统的控制。图2是闭环运动控制架构的简图。控制器202被编程为控制驱动机械负载206的电机204。控制器202、电机204和负载206包括示例性运动控制系统的主要组件。在示例应用中，负载206可以表示单轴或多轴机器人或定位系统的轴。在这样的应用中，控制器202发送控制信号208，其指示电机204以期望的速度将负载106移动到期望的位置。控制信号208可以被直接提供给电机204或提供给控制传递给电机204的功率(并且因此控制电机的速度和方向)的电机驱动器(未示出)。反馈信号210基本上实时地指示电机204和/或负载206的当前状态(例如，位置、速度等)。在伺服驱动系统中，反馈信号210可以例如由跟踪电机的绝对或相对位置的编码器或解析器(未示出)产生。在没有速度传感器的无传感器系统中，反馈信号可以由速度/位置估计器提供。在移动操作期间，控制器监测反馈信号210以确保负载206已准确地到达目标位置。控制器202将由反馈信号210指示的负载的实际位置与目标位置进行比较，并根据需要调整控制信号208以减小或消除实际位置与目标位置之间的误差。在另一个示例应用中，负载206可以表示由电机204驱动的旋转负载(例如，泵、洗衣机、离心机等)，其中控制器202控制负载的旋转速度。在该示例中，控制器202(经由控制信号208)向电机204提供从第一速度转变为第二速度的指令，并且基于反馈信号210对控制信号208进行必要的调整。可以理解的是，本申请的参数估计技术不限于与上述示例类型的运动控制系统一起使用，而是基本上适用于任何类型的运动控制应用。响应于期望位置或速度与目标位置或速度(如反馈信号210所报告的)之间的误差，由控制器202产生的控制信号输出取决于控制回路的增益系数。由于合适的增益选择取决于被控制的机械系统的物理特性，所以设计工程师通常必须采用试错法来识别合适的增益系数(即调节控制环路)。例如，具有高惯性(对加速或本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于估计运动系统的参数的方法，包括：通过包括至少一个处理器的系统产生随时间连续变化的转矩命令信号；通过所述系统测量运动设备的速度数据，所述速度数据表示作为对所述转矩命令信号的响应的所述运动系统的速度；通过所述系统至少部分地基于所述速度数据和所述转矩命令信号来确定所述运动系统的惯性、粘性摩擦系数和库仑摩擦系数的估计值；以及通过所述系统将所述估计值输出到显示设备、运动控制器或外部系统中的至少一个。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.09.11 US 14/851,3071.一种用于估计运动系统的参数的方法，包括：通过包括至少一个处理器的系统产生随时间连续变化的转矩命令信号；通过所述系统测量运动设备的速度数据，所述速度数据表示作为对所述转矩命令信号的响应的所述运动系统的速度；通过所述系统至少部分地基于所述速度数据和所述转矩命令信号来确定所述运动系统的惯性、粘性摩擦系数和库仑摩擦系数的估计值；以及通过所述系统将所述估计值输出到显示设备、运动控制器或外部系统中的至少一个。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述确定包括包括至少部分地基于所述速度数据在三个时间范围上的积分以及所述转矩命令信号在所述三个时间范围上的积分来确定所述惯性、粘性摩擦系数和库仑摩擦系数。3.根据权利要求1所述的方法，其中，产生转矩命令信号包括：根据预定义的测试序列来调整所述转矩命令信号，并且调整所述转矩命令信号包括响应于所述运动系统的速度达到预定义的速度检查点来改变所述转矩命令信号的方向或者变化率中的至少一个。4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述确定包括：在所述三个时间范围中的第一时间范围上分别对所述转矩命令信号和所述速度数据进行积分以得到U1和V1，其中所述第一时间范围以时间t＝ta开始并且以时间t＝tb结束；在所述三个时间范围中的第二时间范围上分别对所述转矩命令信号和所述速度数据进行积分以得到U2和V2，其中所述第二时间范围以时间t＝tb开始并且以时间t＝tc结束；在所述三个时间范围中的第三时间范围上分别对所述转矩命令信号和所述速度数据进行积分以得到U3和V3，其中所述第三时间范围以时间t＝te开始并且以时间t＝tf结束；根据U1、V1、U2、V2、U3和V3来确定所述惯性、所述粘性摩擦系数和所述库仑摩擦系数的估计值，其中，u(t)是作为时间的函数的所述转矩命令信号，以及v(t)是作为时间的函数的所述速度数据。5.根据权利要求4所述的方法，其中，确定所述惯性、所述粘性摩擦系数和所述库仑摩擦系数的估计值包括求解针对J、Bv和Bc的以下方程：Δv1J+V1Bv+Δt1Bc＝U1，Δv2J+V2Bv+Δt2Bc＝U2，以及Δv3J+V3Bv+Δt3Bc＝U3其中，J是所述惯性，Bv是所述粘性摩擦系数，Bc是所述库伦摩擦系数，Δv1是所述运动系统在时间t＝ta与时间t＝tb之间的速度变化，Δv2是所述运动系统在时间t＝tb与时间t＝tc之间的速度变化，Δv3是所述运动系统在时间t＝te与时间t＝tf之间的速度变化，Δt1是时间t＝ta与时间t＝tb之间的差，Δt2是时间t＝tb与时间t＝tc之间的差，以及Δt3是时间t＝te与时间t＝tf之间的差。6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述求解包括使用矩阵解法来求解所述方程。7.根据权利要求1所述的方法，还包括基于所述惯性、所述粘性摩擦系数或所述库伦摩擦系数中的至少一个来确定所述运动系统的至少一个控制器增益系数。8.一种用于估计运动系统的参数的系统，包括：存储器；处理器，被配置为执行存储在所述存储器中的计算机可执行组件，所述计算机可执行组件包括：转矩命令产生器，被配置为在测试序列期间产生随时间连续变化的转矩命...

【专利技术属性】
技术研发人员：田刚，
申请(专利权)人：莱恩斯特里姆技术有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US