[发明专利]自动估计机械系统中的惯性、库伦摩擦和粘性摩擦的方法

说明书

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。

技术领域

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。

背景技术

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。

发明内容

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