动态摩擦参数测试系统及测试方法技术方案

本发明专利技术公开了一种动态摩擦参数的测试系统及测试方法，该系统在电机（１３）上安装绝对编码器（１４），在测试件及砝码固定装置（６）与锁紧机构（２）之间同轴安装力矩传感器（４），测试件安装在砝码固定装置的上下层。测试时通过控制器控制电机运行，同步记录采样时刻、摩擦力矩、转速、转角及电机绕组电流参数；设定当前摩擦参数的估计值＊↓［０］、＊↓［１］、＊↓［ｃ］、＊↓［ｓ］、＊↓［ｓ］、＊↓［２］，并求解系统运动微分方程，得到每个采样时刻的力矩电机转角估计值＊（ｔ）；分别计算各时刻的力矩电机转角估计值误差和摩擦力矩估计值误差，将该误差参数与所设定的测试参数比较，满足精度要求的输出摩擦参数估计值，否则重新修正。本发明专利技术具有测试简便和精度高的优点，适用对各种材料的动态摩擦参数测试。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于测试
，特别是涉及动态摩擦参数的测量，用于指导高性能伺服系统的设计。
技术介绍
在伺服系统中，具有相对运动或相对运动趋势的两个接触面上会产生摩擦力。摩擦降低了系统的稳定性和稳态精度，导致了低速爬行现象，对系统性能的提高构成了严重的障碍。大量的研究表明摩擦是一种复杂的物理现象，摩擦系数不仅与接触面间的相对运动速度非线性相关，称之为摩擦的静态特性，而且还存在摩擦记忆、增加的静摩擦力等动态效应。Armstrong B，Dupont P，Canudas de Wit C.在《Automatica》，1994年30卷第7期上发表的论文“A Survey of Models，Analysis Tools and Compensation Methods forthe Control of Machines with Friction”对此进行了很好的综述。在伺服系统设计时，不考虑或仅考虑最简单的摩擦现象，如静摩擦力或Coulomb摩擦力，将导致跟踪精度下降、控制参数整定困难、低速运行平稳性差等问题。为了更好地描述伺服系统中存在的摩擦并对其造成的危害进行补偿，有必要研究精确的摩擦模型及其参数的测试与辨识，即首先对摩擦进行准确的建模，其次精确测量出特定情况下接触表面间的摩擦力，然后依据特定的摩擦模型，采用参数辨识的方法获得模型中各参数的数值。到目前为止，人们已提出了多达30余种摩擦模型，其中最具影响力的模型是Canudas De Wit C等发表于《IEEE Transaction on Automatic Control》1995年40卷第3期的论文“A New Model forControl of Systems with Friction”中提出的LuGre模型，它能全面地描述接触面从静止到运动各个状态摩擦力的变化情况。下式即为LuGre模型的数学表达式，其中T为接触表面正压力一定时的摩擦力或摩擦力矩，z为接触表面刚毛的平均变形量，ωl为相对运动角速度；刚度系数σ0、粘性阻尼系数σ1，Coulomb摩擦力矩FC、静摩擦力矩FS、临界Stribeck角速度ωS、粘性摩擦系数σ2为6个摩擦参数。-->dzdt=ωl-σ0|ωl|g(ωl)zσ0g(ωl)=FC+(FS-FC)e-(ωl/ωs)2T=σ0z+σ1dzdt+σ2ωl---(1)]]>为了在工程中应用此模型，就需要测量出实际接触表面间的摩擦，然而，刚毛的平均变形量z是无法测量的，6个模型参数FC、FS、ωs、σ0、σ1、σ2也是高度耦合的，因此不能通过简单的实验获得相应参数的取值，只有采用参数辨识的方法才能得到这6个参数的最佳估计。目前国内外已有的摩擦参数测试设备有：(1)英国RAY-RAN公司的FT摩擦测试系统该测试系统能自动测量接触表面间的静摩擦系数和动摩擦系数，并能进行数据存储、显示，该静摩擦系数相当于LuGre模型的Fs，该动摩擦系数相当于LuGre模型中的Fc，σ2。由于使用的模型简单，测量数据中既无法体现Stribeck效应，又不能描述摩擦记忆、增加的静摩擦力这些动态摩擦效应。(2)济南实验机厂的MHK-500摩擦磨损试验机试验机采用手动加载、人工调节砝码和游码的方法测量接触面间的摩擦系数，即LuGre模型中的Fs和Fc，无法测量速度与摩擦力之间的关系，更不能测量动态摩擦参数，如LuGre模型中的σ0、σ1。目前已有在其基础上通过增加电子装置实现自动测量的研究报道，如俞建卫发表于《密封与润滑》2007，32(2)的论文：“MHK-500环块摩擦磨损试验机智能测控系统的研制”，但仍不能测试动态摩擦参数。目前国内外在LuGre摩擦参数的测量方法主要有二步辨识法，该方法最先由C.Candus等发表于《Internatinal Journal of Adaptive Control and Signal Processing》1997年第11卷的论文“Adaptive friction compensation with partially known dynamic frictionmodel”首先提出，其思路是将LuGre模型中的参数分为两类，即4个静态参数FC、FS、ωS、σ2和2个动态参数σ0、σ1。假定在匀速运动时，刚毛的平均变形量z不发生改变，即z·=0,]]>这样上述LuGre模型就可简化为T=[FC+(FS-FC)e-(ωlωS)2]sgn(ωl)+σ2ω2]]>即将动态的LuGre模型变为静态的Stribeck模型。于是辨识步骤为：第一步：采用匀速控制方法，分别测量相对运动速度或角速度和对应的摩擦力或摩-->擦力矩，就可使用曲线拟合的方法确定4个静态参数FC、FS、ωS、σ2。第二步：在确定静态参数的前提下，辨识动态参数σ0、σ1。对于动态参数，目前又有以下几种辨识方法：(1)线性化方法：给系统作用一个较小的力u，使其出现预滑动微小转角θ，直接利用测量出的转角，由式σ^0=uθ]]>辨识出刚度系数σ0。将滞滑运动时的摩擦模型在平衡点处线性化，可得：dzdt=θ·]]>Jθ··+(σ1+σ2)θ·+σ0θ=u]]>其中，J为运动部分转动惯量。此方法将系统简化为一个二阶系统，使其处于临界阻尼状态，利用表达式σ1=2ξσ0m-σ2]]>得到σ1。例如C.Candus等发表于《International Journall of AdaptiveControl and Signal Processing》1997年第11卷的论文“Adaptive friction compensationwith partially known dynamic friction model就使用这种方法。由于这种线性化方法的辨识结果依赖于参数初值的选取，因此辨识精度及收敛性较难保证，而且预滑动微小位移的测量非常困难。(2)优化方法：驱动负载使其进行低速周期运动，将位置误差作为优化目标、两个动态参数σ0、σ1作为设计变量进行优化计算，最终获得满意的σ0、σ1取值。如DE-PENG LIU 2005年发表于《Proceedings of the Fourth International Conference onMachine Learning and Cybernetics》的论文“Research on Parameter Identification of FrictionModel for Servo System Based on Genetic Algorithms”采用的就是这种方法。(3)频域辨识法：采用局部线性化的方法将原系统简化为二阶线性系统，采用频域方法辨本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种动态摩擦参数测试系统，包括测试件及砝码固定装置、电机、驱动轴、锁紧机构和控制器，其特征在于，电机（１３）下面固定有绝对编码器（１４），用于测量测试件表面的相对转角与角速度；测试件及砝码固定装置（６）与锁紧机构（２）之间通过固定轴（３）同轴安装有力矩传感器（４），用于检测摩擦力矩。

【技术特征摘要】
1.一种动态摩擦参数测试系统，包括测试件及砝码固定装置、电机、驱动轴、锁紧机构和控制器，其特征在于，电机(13)下面固定有绝对编码器(14)，用于测量测试件表面的相对转角与角速度；测试件及砝码固定装置(6)与锁紧机构(2)之间通过固定轴(3)同轴安装有力矩传感器(4)，用于检测摩擦力矩。2.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，测试件及砝码固定装置(6)分上下两层(6b和6a)，下层(6a)与驱动轴(8)固定为一体，上层(6b)与力矩传感器(4)固连；该下层的表面设有正方形的凹槽，用于安装下测试件(7a)，上层安装有上测试件(7b)。3.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，电机(13)采用力矩电机，并与绝对编码器(14)同轴安装在驱动轴(8)的底部，直接驱动负载运转。4.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，控制器(16)中设有自动测试和参数自动辨识程序。5.根据权利要求1或4所述的测试系统，其特征在于，控制器(16)分别与绝对编码器(14)、力矩传感器(4)和力矩电机(13)连接，构成闭环控制回路，以控制测试件表面的相对转速、测量实时转角、转速和摩擦力矩。6.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，驱动轴(8)的中部设有二层水平支架(11)，该支架与机架(10)固定为一体。7.一种动态摩擦参数测试方法，包括如下过程：(1)安装测试件并设置测试参数；(2)启动控制器按照设置的测试参数控制力矩电机驱动负载运行，并同步记录采样时刻、摩擦力矩、转速、转角及电机绕组电流参数；(3)设定当前摩擦参数，即刚度系数σ0、粘性阻尼系数σ1，Coulomb摩擦力矩FC、静摩擦力矩FS、临界Stribeck角速度ωS、粘性摩擦系数σ2的相应估计值并根据所述电机绕组电流通过求解系统运动微分方程，得到每个时刻...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄进，张丹，段宝岩，马燕玲，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：87[]