劉 超，何 平，王 猛，趙志強(qiáng)

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，哈爾濱150001）

·微機(jī)應(yīng)用·

基于數(shù)字濾波技術(shù)的舵機(jī)摩擦力矩在線檢測(cè)

劉 超，何 平，王 猛，趙志強(qiáng)

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，哈爾濱150001）

隨著我國(guó)航天戰(zhàn)略發(fā)展計(jì)劃，現(xiàn)代航天技術(shù)正向高技術(shù)、高挑戰(zhàn)、高精度等方向發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)舵機(jī)參數(shù)摩擦力矩的在線檢測(cè)，設(shè)計(jì)了一種以TMS320F2812為主控芯片的基于數(shù)字濾波技術(shù)的舵機(jī)摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)。首先，介紹了摩擦力矩的檢測(cè)方案，然后，對(duì)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行了主控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)以及測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理與分析。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)檢測(cè)舵機(jī)摩擦力矩參數(shù)時(shí)具有效率高、精度高、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，具有較高的使用價(jià)值。

摩擦力矩；在線檢測(cè)；TMS320F2812；數(shù)字濾波

1 引 言

舵機(jī)又名控制舵面的伺服電機(jī)，是航天器在姿態(tài)控制時(shí)的核心執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過連桿和齒輪等帶動(dòng)舵面轉(zhuǎn)動(dòng)，控制飛行器的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。隨著現(xiàn)代航天技術(shù)的不斷發(fā)展，如何保證航天系統(tǒng)的可靠性、安全性已經(jīng)成為現(xiàn)今不可回避的話題，是現(xiàn)今航天領(lǐng)域的重要課題［1］。

舵機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)性能指標(biāo)直接關(guān)系舵機(jī)的穩(wěn)定性，其中舵機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦力矩對(duì)舵機(jī)的整體性能有重大影響。從靜態(tài)方面看，它相當(dāng)于死區(qū)的影響，會(huì)增加穩(wěn)態(tài)誤差，從而降低系統(tǒng)的精度；從動(dòng)態(tài)方面講，其主要影響是造成系統(tǒng)低速運(yùn)動(dòng)時(shí)的平穩(wěn)性，換向過程中的延時(shí)［2］。準(zhǔn)確測(cè)量舵機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦力矩為改進(jìn)舵機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)和加工工藝提供了科學(xué)依據(jù)，由于系統(tǒng)對(duì)測(cè)量精度的要求很高，在數(shù)據(jù)處理過程中要采用大量的軟件濾波算法，因此系統(tǒng)采用高性能處理器TMS320F2812作為主控芯片，提高數(shù)據(jù)處理效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)摩擦力矩的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

2 摩擦力矩檢測(cè)原理

作用在兩個(gè)有相互運(yùn)動(dòng)或者相互運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的物體之間的力稱為摩擦力。當(dāng)物體的兩運(yùn)動(dòng)副元素之間產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)生在兩運(yùn)動(dòng)副元素間阻礙其相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩稱為摩擦力矩［3］。

如圖1所示，當(dāng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速為0時(shí)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦力矩表現(xiàn)為靜摩擦力矩，其摩擦力矩大小與施加在該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上的力矩大小相等，方向相反。隨著施加在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上的力矩值逐漸增大，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上的摩擦力矩也相應(yīng)增大，當(dāng)達(dá)到靜摩擦力矩最大值后，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)入滑動(dòng)摩擦力矩作用階段。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于液體潤(rùn)滑作用，動(dòng)摩擦力矩隨轉(zhuǎn)速增加而減小，從而直至接觸面完全潤(rùn)滑［4］。由于測(cè)試條件限制（例如機(jī)電部分在機(jī)械裝配中的誤差、扭矩傳感器、角度傳感器動(dòng)態(tài)測(cè)量中誤差和滯后），在傳感器數(shù)據(jù)采集完成后進(jìn)行信號(hào)處理，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波、曲線擬合，使繪制的實(shí)際實(shí)驗(yàn)曲線更接近理論曲線，同時(shí)使觀測(cè)值更為清晰、準(zhǔn)確、可靠。

圖1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的靜動(dòng)摩擦力矩曲線

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

舵機(jī)摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)主要由三部分組成，分別為上位機(jī)部分、下位機(jī)部分和機(jī)電系統(tǒng)部分，如圖2所示。

圖2 摩擦力矩檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖

主控系統(tǒng)的主控芯片選用高速、高性能的數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320F2812。為了使主控芯片安全、可靠地工作，還設(shè)有基本外圍模塊，提供主控芯片的工作條件［5］。

在進(jìn)行舵機(jī)摩擦力矩參數(shù)測(cè)量時(shí)，舵機(jī)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的主控系統(tǒng)通過控制力矩電機(jī)進(jìn)行力矩加載，同時(shí)采集各傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，包括扭矩傳感器和測(cè)角傳感器，將數(shù)據(jù)反饋至主控系統(tǒng)進(jìn)行控制量的處理與校正，使舵機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)按照預(yù)定的控制算法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。另外，測(cè)試系統(tǒng)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、擬合等進(jìn)一步處理后，求得摩擦力矩的待測(cè)參數(shù)。

4 待測(cè)數(shù)據(jù)的采集與處理

4.1 摩擦力矩參數(shù)測(cè)量

舵機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)摩擦力矩的測(cè)量分為靜摩擦力矩的測(cè)量和動(dòng)摩擦力矩的測(cè)量。進(jìn)行靜摩擦力矩測(cè)量時(shí)，首先控制加載力矩電機(jī)產(chǎn)生一定小量的力矩使舵機(jī)沿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一小段位移后緩慢停止，以創(chuàng)造靜摩擦力產(chǎn)生的條件。然后控制力矩電機(jī)在舵機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸入軸加載由零開始的級(jí)梯遞增的順時(shí)針力矩直至舵機(jī)輸出軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，其過程中系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集扭矩傳感器的輸出值并進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換、濾波、補(bǔ)償?shù)忍幚?，通過上位機(jī)繪制靜摩擦力矩特性曲線分析計(jì)算得出傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的靜摩擦力矩特性。

該段位移運(yùn)行完成后，開始測(cè)量舵機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)摩擦力矩。首先，施加正向力矩控制舵機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。逐步減小力矩，使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以不同梯級(jí)的速度作正向勻速轉(zhuǎn)動(dòng)直至停止，記錄下各力矩，最后得到摩擦力矩特性曲線。正向動(dòng)摩擦力測(cè)試完成后，反向動(dòng)摩擦力的測(cè)試過程同理。摩擦力矩測(cè)試流程圖如圖3所示。

圖3 摩擦力矩測(cè)量流程圖

4.2 測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理與分析

舵機(jī)摩擦力矩參數(shù)在線檢測(cè)系統(tǒng)按照上述待測(cè)參數(shù)測(cè)試過程對(duì)舵機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行待測(cè)參數(shù)摩擦力矩的測(cè)試。測(cè)試過程所反饋的各傳感器參數(shù)運(yùn)用LABVIEW可視化編程軟件及其曲線擬合模塊進(jìn)行濾波、擬合等處理，并繪制相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果曲線。

濾波技術(shù)可以有效降低干擾、防止噪聲。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)采集得到的信號(hào)進(jìn)行濾波處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)混入有用信號(hào)中的噪聲和干擾的有效濾除。濾波技術(shù)分為模擬濾波技術(shù)和數(shù)字濾波技術(shù)，而數(shù)字軟件濾波技術(shù)相較于模擬濾波技術(shù)有著極大的優(yōu)勢(shì)［6］。由于系統(tǒng)測(cè)量的數(shù)據(jù)量較大，因此在測(cè)試數(shù)據(jù)處理、校正中，系統(tǒng)采用中值濾波的方法，用以克服參數(shù)測(cè)量時(shí)因偶然因素引起的波動(dòng)干擾，對(duì)原始測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理。

4.2.1 濾波算法的實(shí)現(xiàn)

中值濾波技術(shù)運(yùn)用排序統(tǒng)計(jì)理論對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，它能有效抑制測(cè)試過程中的干擾、噪聲，被越來越多地應(yīng)用于圖像數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域。

取奇數(shù)n個(gè)數(shù)，將其按數(shù)值的從小到大順序排列，處于最中間位置的數(shù)即為此序列的代表值；當(dāng)n為偶數(shù)時(shí)，把最中間兩數(shù)的平均值設(shè)為中值，不管n為奇數(shù)或是偶數(shù)，中值濾波器的定義差別不大。

對(duì)一系列采樣信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波時(shí)，通常取中值濾波器的移動(dòng)窗口的長(zhǎng)度為奇數(shù)，對(duì)移動(dòng)窗口中的所有觀測(cè)值按其數(shù)值按從小到大順序進(jìn)行排列，最后將最中間位置的觀測(cè)值作為該窗口中值濾波后的輸出數(shù)值。另外，需要注意的是，對(duì)于有限長(zhǎng)序列，在中值濾波前需要將輸入信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)展，使整個(gè)輸出信號(hào)的長(zhǎng)度與輸入信號(hào)的長(zhǎng)度相等［7］。

濾波完成之后，對(duì)所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，實(shí)現(xiàn)用擬合曲線的函數(shù)解析式來反映待測(cè)變量間的關(guān)系，曲線擬合的方法被廣泛應(yīng)用于圖像處理、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析等領(lǐng)域，使系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果更清晰可靠［8］。

4.2.2 測(cè)量結(jié)果分析

檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)舵機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了靜摩擦力矩和動(dòng)摩擦力矩參數(shù)的測(cè)試，以舵機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出軸角速度為橫坐標(biāo)，輸入軸角速度為縱坐標(biāo)，其摩擦力矩測(cè)量原始圖如圖4所示。

由圖4可以看出，通過輸出軸傳感器和輸入軸傳感器采集到的數(shù)據(jù)存在干擾和噪聲，因此原始的摩擦力矩測(cè)量并不理想。需要通過數(shù)據(jù)濾波、擬合方法對(duì)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，中值濾波后的測(cè)試如圖5所示。

圖4 濾波前摩擦力矩原始圖

圖5 濾波后摩擦力矩測(cè)試圖

由圖5可以看出，經(jīng)過對(duì)原始輸出軸角度數(shù)據(jù)和力矩?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，摩擦力矩測(cè)試圖濾除了大部分摩擦力矩測(cè)試過程中的噪聲和干擾，取得了很好的濾波效果。為了讓曲線連續(xù)光滑，方便后續(xù)研究，加入曲線擬合技術(shù)對(duì)濾波后的摩擦力矩側(cè)視圖進(jìn)行擬合，得到摩擦力矩變化曲線，使得測(cè)試結(jié)果更加清晰，曲線擬合后摩擦力矩測(cè)試圖如圖6所示。

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)的基于數(shù)字濾波技術(shù)的舵機(jī)摩擦力矩在線檢測(cè)系統(tǒng)，運(yùn)用DSP技術(shù)實(shí)現(xiàn)了舵機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)摩擦力矩的測(cè)量。以TMS320F2812為主控芯片，運(yùn)用數(shù)字濾波和曲線擬合技術(shù)，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行處理與分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)測(cè)試效率高，測(cè)試結(jié)果誤差小，具有很高的實(shí)用價(jià)值，對(duì)航天航空的研究與發(fā)展具有非常重要的意義。

［1］于瑞濤.基于嵌入式的微型軸承摩擦力矩測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.上海：上海交通大學(xué)，2008：1-15.

［2］蔣明桔，秦現(xiàn)生，沈宏華.舵機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)靜動(dòng)摩擦力矩測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.測(cè)控技術(shù)，2009，28（12）：44-47.

［3］馮炳.摩擦力矩的測(cè)試方法研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010：2-20.

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［6］Ding Xuefang，Zhou Yan.The Application of Discrete Fourier Transform and Inverse Transform in Digital Filter Design［C］.Education Technology and Management Engineering，2012：342-346.

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Detection of Actuator Friction Torque Based on Digital Filtering Techniques

LIU Chao，HE Ping，WANG Meng，ZHAO Zhi-qiang
（School of Astronautics，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

Modern space technology is moving toward the direction of high technology，high challenge and high precision with the development of the national aerospace strategic plan.In order to measure the friction torque of the actuator，the project designs on-line detection system based on digital filter and curve fitting technology.The system uses TMS320F2812 as the control core.Firstly，the program of friction torque detection is described.Then，the overall structure of the test system is designed.Finally，the software algorithm of the control system and the processing system for friction torque of the actuator are designed.With the experimental verification，when testing the friction torque of the actuator，the system has the performance of high efficiency，high precision and strong resistance to interfere and it has a high value in use.

Friction torque；On-line detection；TMS320F2812；Digital filter

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.05.016

TP274

：A

：1002-2279（2014）05-0056-03

劉超（1989-），男，河北任丘市人，碩士研究生，主研方向：工業(yè)過程檢測(cè)與控制、檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。

2014-01-16