基于數字濾波技術的舵機摩擦力矩在線檢測

劉 超，何 平，王 猛，趙志強

（哈爾濱工業大學航天學院，哈爾濱150001）

·微機應用·

基于數字濾波技術的舵機摩擦力矩在線檢測

劉 超，何 平，王 猛，趙志強

（哈爾濱工業大學航天學院，哈爾濱150001）

隨著我國航天戰略發展計劃，現代航天技術正向高技術、高挑戰、高精度等方向發展。為了實現舵機參數摩擦力矩的在線檢測，設計了一種以TMS320F2812為主控芯片的基于數字濾波技術的舵機摩擦力矩在線檢測系統。首先，介紹了摩擦力矩的檢測方案，然后，對系統的總體結構進行了設計，最后進行了主控系統的軟件設計以及測量結果的數據處理與分析。經實驗驗證，系統檢測舵機摩擦力矩參數時具有效率高、精度高、抗干擾性強等特點，具有較高的使用價值。

摩擦力矩；在線檢測；TMS320F2812；數字濾波

1 引 言

舵機又名控制舵面的伺服電機，是航天器在姿態控制時的核心執行機構，通過連桿和齒輪等帶動舵面轉動，控制飛行器的運動姿態。隨著現代航天技術的不斷發展，如何保證航天系統的可靠性、安全性已經成為現今不可回避的話題，是現今航天領域的重要課題［1］。

舵機傳動機構的各項性能指標直接關系舵機的穩定性，其中舵機傳動機構的摩擦力矩對舵機的整體性能有重大影響。從靜態方面看，它相當于死區的影響，會增加穩態誤差，從而降低系統的精度；從動態方面講，其主要影響是造成系統低速運動時的平穩性，換向過程中的延時［2］。準確測量舵機傳動機構的摩擦力矩為改進舵機設計參數和加工工藝提供了科學依據，由于系統對測量精度的要求很高，在數據處理過程中要采用大量的軟件濾波算法，因此系統采用高性能處理器TMS320F2812作為主控芯片，提高數據處理效率，實現對舵機摩擦力矩的實時檢測。

2 摩擦力矩檢測原理

作用在兩個有相互運動或者相互運動趨勢的物體之間的力稱為摩擦力。當物體的兩運動副元素之間產生相對轉動，發生在兩運動副元素間阻礙其相對轉動的力矩稱為摩擦力矩［3］。

如圖1所示，當傳動機構的轉速為0時，傳動機構的摩擦力矩表現為靜摩擦力矩，其摩擦力矩大小與施加在該傳動機構上的力矩大小相等，方向相反。隨著施加在傳動機構上的力矩值逐漸增大，傳動機構上的摩擦力矩也相應增大，當達到靜摩擦力矩最大值后，傳動機構開始轉動，傳動機構進入滑動摩擦力矩作用階段。傳動機構開始轉動時，由于液體潤滑作用，動摩擦力矩隨轉速增加而減小，從而直至接觸面完全潤滑［4］。由于測試條件限制（例如機電部分在機械裝配中的誤差、扭矩傳感器、角度傳感器動態測量中誤差和滯后），在傳感器數據采集完成后進行信號處理，對原始數據進行數據濾波、曲線擬合，使繪制的實際實驗曲線更接近理論曲線，同時使觀測值更為清晰、準確、可靠。

圖1 傳動機構的靜動摩擦力矩曲線

3 系統總體設計

舵機摩擦力矩在線檢測系統主要由三部分組成，分別為上位機部分、下位機部分和機電系統部分，如圖2所示。

圖2 摩擦力矩檢測系統原理框圖

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

在進行舵機摩擦力矩參數測量時，舵機參數測試系統的主控系統通過控制力矩電機進行力矩加載，同時采集各傳感器的測量數據，包括扭矩傳感器和測角傳感器，將數據反饋至主控系統進行控制量的處理與校正，使舵機傳動機構按照預定的控制算法進行運動。另外，測試系統對采集到的數據進行濾波、擬合等進一步處理后，求得摩擦力矩的待測參數。

4 待測數據的采集與處理

4.1 摩擦力矩參數測量

舵機傳動機構摩擦力矩的測量分為靜摩擦力矩的測量和動摩擦力矩的測量。進行靜摩擦力矩測量時，首先控制加載力矩電機產生一定小量的力矩使舵機沿順時針轉動一小段位移后緩慢停止，以創造靜摩擦力產生的條件。然后控制力矩電機在舵機傳動機構的輸入軸加載由零開始的級梯遞增的順時針力矩直至舵機輸出軸產生轉動，其過程中系統實時采集扭矩傳感器的輸出值并進行AD轉換、濾波、補償等處理，通過上位機繪制靜摩擦力矩特性曲線分析計算得出傳動機構的靜摩擦力矩特性。

該段位移運行完成后，開始測量舵機傳動機構的動摩擦力矩。首先，施加正向力矩控制舵機傳動機構進行勻速轉動。逐步減小力矩，使傳動機構以不同梯級的速度作正向勻速轉動直至停止，記錄下各力矩，最后得到摩擦力矩特性曲線。正向動摩擦力測試完成后，反向動摩擦力的測試過程同理。摩擦力矩測試流程圖如圖3所示。

圖3 摩擦力矩測量流程圖

4.2 測量結果的數據處理與分析

舵機摩擦力矩參數在線檢測系統按照上述待測參數測試過程對舵機傳動機構進行待測參數摩擦力矩的測試。測試過程所反饋的各傳感器參數運用LABVIEW可視化編程軟件及其曲線擬合模塊進行濾波、擬合等處理，并繪制相應的測試結果曲線。

濾波技術可以有效降低干擾、防止噪聲。通過對實驗采集得到的信號進行濾波處理，實現對混入有用信號中的噪聲和干擾的有效濾除。濾波技術分為模擬濾波技術和數字濾波技術，而數字軟件濾波技術相較于模擬濾波技術有著極大的優勢［6］。由于系統測量的數據量較大，因此在測試數據處理、校正中，系統采用中值濾波的方法，用以克服參數測量時因偶然因素引起的波動干擾，對原始測量數據進行初步處理。

4.2.1 濾波算法的實現

中值濾波技術運用排序統計理論對信號進行濾波處理，它能有效抑制測試過程中的干擾、噪聲，被越來越多地應用于圖像數據處理等領域。

取奇數n個數，將其按數值的從小到大順序排列，處于最中間位置的數即為此序列的代表值；當n為偶數時，把最中間兩數的平均值設為中值，不管n為奇數或是偶數，中值濾波器的定義差別不大。

對一系列采樣信號數據進行中值濾波時，通常取中值濾波器的移動窗口的長度為奇數，對移動窗口中的所有觀測值按其數值按從小到大順序進行排列，最后將最中間位置的觀測值作為該窗口中值濾波后的輸出數值。另外，需要注意的是，對于有限長序列，在中值濾波前需要將輸入信號進行擴展，使整個輸出信號的長度與輸入信號的長度相等［7］。

濾波完成之后，對所得的實驗數據進行曲線擬合，實現用擬合曲線的函數解析式來反映待測變量間的關系，曲線擬合的方法被廣泛應用于圖像處理、計算機輔助設計及實驗數據的處理和分析等領域，使系統測試結果更清晰可靠［8］。

4.2.2 測量結果分析

檢測系統對舵機傳動機構進行了靜摩擦力矩和動摩擦力矩參數的測試，以舵機傳動機構輸出軸角速度為橫坐標，輸入軸角速度為縱坐標，其摩擦力矩測量原始圖如圖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據存在干擾和噪聲，因此原始的摩擦力矩測量并不理想。需要通過數據濾波、擬合方法對所得的數據進行進一步處理，中值濾波后的測試如圖5所示。

圖4 濾波前摩擦力矩原始圖

圖5 濾波后摩擦力矩測試圖

由圖5可以看出，經過對原始輸出軸角度數據和力矩數據進行數字濾波處理，摩擦力矩測試圖濾除了大部分摩擦力矩測試過程中的噪聲和干擾，取得了很好的濾波效果。為了讓曲線連續光滑，方便后續研究，加入曲線擬合技術對濾波后的摩擦力矩側視圖進行擬合，得到摩擦力矩變化曲線，使得測試結果更加清晰，曲線擬合后摩擦力矩測試圖如圖6所示。

5 結束語

設計的基于數字濾波技術的舵機摩擦力矩在線檢測系統，運用DSP技術實現了舵機傳動機構摩擦力矩的測量。以TMS320F2812為主控芯片，運用數字濾波和曲線擬合技術，對測量結果進行處理與分析。實驗結果表明，該系統測試效率高，測試結果誤差小，具有很高的實用價值，對航天航空的研究與發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試系統設計［D］.上海：上海交通大學，2008：1-15.

［2］蔣明桔，秦現生，沈宏華.舵機傳動機構靜動摩擦力矩測控系統設計［J］.測控技術，2009，28（12）：44-47.

［3］馮炳.摩擦力矩的測試方法研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2010：2-20.

［4］許宏，張怡，王凌，等.基于Stribeck摩擦模型的無刷直流電機控制系統設計與仿真［J］.控制與應用技術，2011，38（2）：26-31.

［5］孫麗明.TMS320F2812原理及其C語言程序開發［M］.北京：清華大學出版社，2008.

［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.

［7］嚴琛.基于脈沖噪聲檢測的圖像去噪研究［D］，南京：南京理工大學，2006：12-24.

［8］劉丹.基于三次樣條曲線擬合公路平面線形方法研究基于點云數據的曲線擬合［D］.阜新：遼寧工程技術大學，2009：10-18.

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：工業過程檢測與控制、檢測技術與自動化裝置。

2014-01-16