专利名称：伺服转台LuGre模型摩擦参数及转动惯量的一体化测量方法
技术领域：
本发明属于测量控制领域，涉及控制调节系统中非电量的测量方法，具体来说就是电机拖动控制系统中摩擦和转动惯量的测量方法。
背景技术：
转台伺服系统中，摩擦参数和转动惯量的是系统设计和调试过程中较为重要的技术指标。尤其在低速阶段，摩擦呈较为严重的非线性，对系统跟踪性能影响很大。摩擦模型的精确性是伺服转台低速跟踪性能的重要保证。近些年来摩擦的深入研究，出现了许多新的摩擦模型。LuGre是一种比较完善且容易实施的摩擦模型，通过引入刚鬟模型采用6个参数可精确地诠释了摩擦力的绝大部分特性。谭文斌，李醒飞，向红标等人在文章《应用稳态误差分析辨识LuGre模型参数》，(《光学精密工程》，2011年，19卷第三期，664-671页)中提出了以稳态误差分析为基础的模型参数辨识方法，该方法需要运动控制器件能够实时测出输出力矩、角速度、角位移。如孙洪鑫等人在论文《基于改进遗传算法的LuGre模型参数辨识》(《武汉理工大学学报》2009年，31卷第23期，113-117页)中利用伺服系统输出的位移(或角加速度)和控制力直接进行参数辨识。该方法需要已知伺服系统的质量或转动惯量，还要对位移和控制量能够实时记录。李拥军在博士学位论文《光电跟踪系统低速平稳性技术研究》(中国科学院光电技术研究所2009年博士学位论文)中通过精确测量摩擦预滑阶段的摩擦力和角位移，采用频域辨识方法获取动态参数。西安电子科技大学黄进等人的发明专利《动态摩擦参数测试系统及测试方法》(公开号CN1012^K)68)需要在电机上安装编码器，在固定装置与锁紧机构间安装力矩传感器，在控制电机运行过程中同步记录采样时刻、摩擦力矩、角速度、转角及电机绕组电流参数。北京航空航天大学段海滨等人的发明专利《一种利用蚁群算法辨识高精度伺服系统摩擦参数的方法》(公开号CN101122779) 提供了一种利用蚁群算法辨识高精度伺服系统摩擦参数的方法。以上方法需要在传动轴上安装力矩传感器，不仅价格昂贵，而且需要改变被测机构原来固有的结构，破坏了原机构的整体性。胡浩军等人在论文《稳定转台摩擦参数的测量及其对稳定精度的影响》(《光电工程》2007年，34卷第5期5-9页)中利用电机勻速和自由减速两种状态的电流和角速度变化曲线辨识摩擦模型的静参数库伦摩擦和粘滞摩擦系数。但是该方法主要利用减速曲线的中间阶段，没有也不能分析摩擦在低速阶段的非线性特性，因而也就未能求解摩擦的动参数，而摩擦对转台角速度伺服精度影响最大的部分也就在低速阶段。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种伺服转台LuGre模型摩擦参数及转动惯量的一体化测量方法，该方法利用有直流电机驱动的伺服转台在输入端开路，无外力作用，仅在摩擦作用下的自由减速过程中出现的角速度过零现象中包含的微观力信息，辨识出转台摩擦的LuGre模型参数及转台转动部分的转动惯量。
本发明的技术解决方案是伺服转台LuGre模型摩擦参数及转动惯量的一体化测量方法，实现步骤如下(1)获取转台驱动电机输入端等效电容C、电感L、输入电阻R、电机反电势系数Kb 和力矩系数Cm;(2)控制转台做勻速转动，测量转台角速度、电流的变化曲线，根据电机力矩平衡公式Cm—a = Mc+02· ω求出库伦力矩Μ。和粘滞摩擦系数Q2，式中，ia为转台驱动电机的电枢电流，ω为转台驱动电机的角速度；(3)测量转台驱动电机输入端开路、仅有摩擦作用下自由减速过程的角速度变化曲线 。⑴It。，其中ts为角速度衰减到0的调节时间；(4)以LuGre模型的动力参数stribeck角速度GJs、最大静摩擦力Ms、鬃毛刚度 σ C1、微观阻尼系数σ工和转台转动惯量J为输入变量，以时间t为自变量构造自由减速拟合曲线①玎叫，从狗冲,·!]^ It。，具体构造方法如下(a)利用电机电枢回路电压平衡方程
权利要求
1.伺服转台LuGre模型摩擦参数及转动惯量的一体化测量方法，其特征在于步骤如下(1)获取转台驱动电机输入端等效电容C、电感L、输入电阻R、电机反电势系数Kb和力矩系数Cm ；(2)控制转台做勻速转动，测量转台角速度、电流的变化曲线，根据电机力矩平衡公式 Cm'ia = Mc+o2. ω求出库伦力矩Μ。和粘滞摩擦系数σ2，式中，、为转台驱动电机的电枢电流，ω为转台驱动电机的角速度；(3)测量转台驱动电机输入端开路、仅有摩擦作用下自由减速过程的角速度变化曲线 。(i)lt。，其中ts为角速度衰减到0的调节时间；(4)以LuGre模型的动力参数stribeck角速度ωs、最大静摩擦力Ms、鬃毛刚度σ。、微观阻尼系数σ工和转台转动惯量J为输入变量，以时间t为自变量构造自由减速拟合曲线 ω([ω Μ,σ0,σι,Ι], ) ^，具体构造方法如下(a)利用电机电枢回路电压平衡方程 o = ^iadt+Ria+L^+Kb(0 (b)通过连续系统离散化方法得到转台驱动电机的电枢电流、递推公式 ia(k) = h1 · i (k-1) +··· +bn · i (k-n) +a1 · ω (k_l)+...+am · ω (k_m)； ia(k) = h1 · i (k-1) +··· +bn · i (k-n) +a1 · ω (k_l)+...+am · ω (k_m)；式中{co(k-l)，ω (k-2), . . . , co(k-m)}为离散表达式输入信号序列，m为离散表达式中输入信号最高阶项阶次，Ua(k)，...，ia(k-n)}为输出信号序列，η为输出信号最高阶阶次,b,, ... , bn, a,, ... ,am 为各阶系数；(c)利用LuGre模型表达式dz\ω\—=ω -σ0 1 1 ζ dtg(m),,dz< Mf= σ0ζ + σι--h σ2ωdt上式中ζ为刚鬃形变，ω为当前角速度，g( )为stribeck曲线，由此得到摩擦力矩Mf 的离散表达式‘g{k) = Mc+{Ms-Mc)e-(0J(k-l)l^2Az(Ic) = ω(Λ-1)-σ0. z(k -1)^ g(k)z(k) = Δζ⑷· Ts + z(k -1) Mf(k) = σ0 . z(Ji) + σλ . Δζ(Λ) + σ2. m(k -1)上式中Ts为数据更新周期，k为采样时刻，g (k)为k时刻stribeck曲线离散值，Δ ζ (k) 表示刚毛形变ζ在k时刻的一阶差分值，ζ (k)表示刚毛形变ζ在k时刻的离散值，Mf(k)表示摩擦力矩在k时刻的离散值；(d)利用电机动力学方程通过连续系统离散化方法得到角速度的递推公式 Δ ω (k) = Cm · ia(k)-Mf(k) ω (k) = Δ ω (k) · Ts+ω (k_l)；(5)设置评价函数为实测曲线《Jt)和拟合曲线ω([ω3，Μ3，σ 0, O1,J],t)误差的范数e = ||coQ(t)-co([cos，Ms，oQ，ο J]，t) | |，利用优化算法求解最优输入变量组[ω s，Ms, σ0, (^，刀，使叫⑷从狗沖,·^) I。逼近外⑴L，从而辨识出拟合曲线的输入参数。
2.根据权利要求1所述的伺服转台LuGre模型摩擦参数及转动惯量的一体化测量方法，其特征在于所述步骤(5)中求解最优输入变量组的优化算法是指基于非线性模型的最优化算法，包括但不限于以下方法或方法组合遗传算法、Levenberg-Marquet方法、牛顿-高斯法、经典牛顿法或信赖域法。
全文摘要
伺服转台LuGre模型摩擦参数及转动惯量的一体化测量方法获取转台驱动电机输入端等效电容C，电感L，输入电阻R，电机反电势系数Kb，力矩系数Cm；控制转台做匀速转动，测量角速度、电流的变化曲线，求出转台库伦力矩MC和粘滞摩擦系数σ2；测量转台驱动电机输入开路、仅有摩擦作用下自由减速过程的角速度变化曲线ω0(t)；以LuGre模型的动力参数和转台转动惯量为输入变量，以时间t为自变量构造自由减速拟合曲线ω([ωs，Ms，σ0，σ1，J]，t)；设置评价准则，利用优化算法使ω([ωs，Ms，σ0，σ1，J]，t)逼近ω0(t)，从而辨识出拟合曲线的输入参数。本发明不需安装力矩传感器，不破坏转台的整体性；在测量过程中只需要驱动电流、转台角速度等信息，实现方便，且能够准确地描述摩擦过程的复杂的动态、静态特性，便于对转台进行高精度控制。
文档编号G01M1/10GK102269638SQ201110106758
公开日2011年12月7日 申请日期2011年4月27日 优先权日2011年4月27日
发明者于伟, 包启亮, 李志俊, 李锦英, 毛耀, 马佳光 申请人:中国科学院光电技术研究所