CN112596437A - 一种蜗轮蜗杆疲劳台的负载电机控制方法 - Google Patents

一种蜗轮蜗杆疲劳台的负载电机控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种蜗轮蜗杆疲劳台的负载电机控制方法，包括以下步骤：(1)根据输入扭矩信号和输出扭矩信号计算***的频率响应函数；(2)计算首次迭代输入扭矩信号并将其作为当前输入扭矩信号；(3)根据当前输入扭矩信号得到当前输出扭矩信号，计算当前输出扭矩信号与期望响应信号的误差；(4)计算误差频域函数；(5)根据误差频域函数计算补偿值频域函数；(6)计算补偿值时域函数；(7)将补偿值时域函数与当前输入扭矩信号相加得到新的输入扭矩信号；(8)循环步骤(3)至(7)，满足条件则停止循环，得到最终输入扭矩信号；(9)将最终输入扭矩信号输入负载电机。本发明能使最终输出扭矩信号无限接近于期望响应信号。

Description

一种蜗轮蜗杆疲劳台的负载电机控制方法
技术领域
本发明涉及自动控制技术领域，特别是涉及一种蜗轮蜗杆疲劳台的负载电机控制方法。
背景技术
蜗轮蜗杆传动机构在汽车领域有较多应用，如在汽车的电动助力转向***中，减速机构大部分采用蜗轮蜗杆减速机构，由于使用较为频繁，所以蜗轮蜗杆的疲劳耐久试验是非常必要的。
蜗轮蜗杆疲劳台用于蜗轮蜗杆的耐久试验，疲劳台中包含驱动电机和负载电机，其中负载电机输出扭矩信号，在测试及控制过程中，经常需要负载电机输出某个特定扭矩信号，但是由于整个试验***的各个环节，包括试件、测量***等都存在非线性因素，使得电机实际输出扭矩和期望扭矩之间存在很大的误差。为了消除非线性的影响，需要通过有效的算法来修正激励信号，使电机的实际输出扭矩趋近期望输出扭矩。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种蜗轮蜗杆疲劳台的负载电机控制方法，能够使最终输出扭矩信号无限接近于期望响应信号。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种蜗轮蜗杆疲劳台的负载电机控制方法，包括：
步骤(1)：将输入扭矩信号x(t)作为***的激励信号，得到输出扭矩信号y(t)，根据所述输入扭矩信号x(t)和输出扭矩信号y(t)求解***的频率响应函数H(ω)；
步骤(2)：根据所述***的频率响应函数H(ω)，计算首次迭代输入扭矩信号的时域函数x0(t)，并将所述首次迭代输入扭矩信号的时域函数x0(t)作为当前输入扭矩信号；
步骤(3)：将当前输入扭矩信号输入***，并采集***的当前输出扭矩信号yi(t)，计算当前输出扭矩信号yi(t)与期望响应信号yT(t)之间的误差函数ei(t)；
步骤(4)：将所述误差函数ei(t)进行傅里叶变换，得到所述误差函数ei(t)的频域函数Ei(ω)；
步骤(5)：根据所述误差函数ei(t)的频域函数Ei(ω)计算补偿值的频域函数ΔXi(ω)；
步骤(6)：将所述补偿值的频域函数ΔXi(ω)经过逆傅里叶变换，得到补偿值的时域函数Δxi(t)；
步骤(7)：将所述补偿值的时域函数Δxi(t)与所述步骤(3)中的当前输入扭矩信号相加，得到下一次输入扭矩信号xi+1(t)；
步骤(8)：循环所述步骤(3)至步骤(7)，当所述补偿值的时域函数Δxi(t)小于预设阈值，则停止循环，得到最终输入扭矩信号；
步骤(9)：将所述最终输入扭矩信号输入负载电机。
所述步骤(1)中***的频率响应函数H(ω)的公式为：
Figure BDA0002834447750000021
其中，Gxy(ω)为输入扭矩信号和输出扭矩信号的互功率谱密度函数且
Figure BDA0002834447750000022
Gxx(ω)为输入扭矩信号的自功率谱密度函数，
Figure BDA0002834447750000023
且Gxx(ω)不为0；X(ω)为由输入扭矩信号x(t)经过傅里叶变换得到的频域函数，Y(ω)为由输出扭矩信号y(t)经过傅里叶变换得到的频域函数且Y(ω)＝H(ω)X(ω)，X*(ω)为X(ω)的共轭函数，T为时间。
所述步骤(2)中根据所述***的频率响应函数H(ω)，计算首次迭代输入扭矩信号的时域函数x0(t)，具体为：根据所述***的频率响应函数H(ω)计算首次迭代输入扭矩信号的频域函数X0(ω)，公式为：X0(ω)＝H-1(ω)αYT(ω)，其中，H-1(ω)为***的逆频率响应函数，α为修正系数，YT(ω)由期望响应信号yT(t)经过傅里叶变换得到；再将所述首次迭代输入扭矩信号的频域函数X0(ω)经过逆傅里叶变换，得到首次迭代输入扭矩信号的时域函数x0(t)，公式为：x0(t)＝IFFT[X0(ω)]，其中，IFFT表示逆傅里叶变换。
所述步骤(3)中计算当前输出扭矩信号yi(t)与期望响应信号yT(t)之间的误差函数ei(t)，公式为：ei(t)＝yT(t)-yi(t),i＝0,1,2,...,k，其中，yT(t)为期望响应信号，yi(t)为当前输出扭矩信号。
所述步骤(4)中误差函数ei(t)的频域函数Ei(ω)的公式为：Ei(ω)＝FFT[ei(t)],i＝0,1,2,...,k，其中，FFT表示傅里叶变换。
所述步骤(5)中补偿值的频域函数ΔXi(ω)的公式为：ΔXi(ω)＝H-1(ω)βEi(ω),i＝1,2,...,k，其中，β为补偿系数，Ei(ω)为误差函数ei(t)的频域函数，H-1(ω)为***的逆频率响应函数。
所述步骤(6)中补偿值的时域函数Δxi(t)的公式为：Δxi(t)＝IFFT[ΔXi(ω)],i＝0,1,2,...,k，其中，IFFT表示逆傅里叶变换。
所述步骤(7)中下一次输入扭矩信号xi+1(t)的公式为：xi+1(t)＝xi(t)+Δxi(t),i＝0,1,2,...,k，其中，xi(t)为当前输入扭矩信号，Δxi(t)为补偿值的时域函数。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明能够让负载电机最终的输出扭矩信号无限接近于期望响应信号，通过有效消除非线性的影响，使基于蜗轮蜗杆疲劳台的非线性***在测试时候有效避免各环节带来的影响，进而使蜗轮蜗杆耐久性测试数据更为精确；本发明还间接提高了车辆的安全性。
附图说明
图1是本发明实施方式的方法流程图；
图2是本发明实施方式中***输入扭矩信号和输出扭矩信号的频域函数示意图；
图3是本发明实施方式的***期望响应信号示意图；
图4是本发明实施方式中***首次迭代运算得到的当前输出扭矩信号与期望响应信号示意图；
图5是本发明实施方式的***迭代运算完成后的当前输出扭矩信号与期望响应信号示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种蜗轮蜗杆疲劳台的负载电机控制方法，使得负载电机输出扭矩信号可以无限接近于期望响应信号，如图1所示，具体方法如下：
步骤(1)：定义输入扭矩信号x(t)，本实施方式中的输入扭矩信号x(t)为50Hz的扫频信号，将所述输入扭矩信号x(t)作为***的激励信号，采集***输出扭矩信号y(t)，根据所述输入扭矩信号x(t)和输出扭矩信号y(t)求解***的频率响应函数H(ω)，计算方法如下：
将所述输入扭矩信号x(t)和输出扭矩信号y(t)经过傅里叶变换得到频域函数X(ω)和Y(ω)，频域函数X(ω)和Y(ω)具体见图2，频域函数X(ω)和Y(ω)满足如下公式：
Y(ω)＝H(ω)X(ω)
其中，H(ω)为***的频率响应函数，将上式两端乘以X(ω)的共轭函数X*(ω)，并取时间平均及集合平均，H(ω)与平均无关，则有：
Figure BDA0002834447750000041
可进一步转化为如下公式，即：
Gxy(ω)＝H(ω)Gxx(ω)
若Gxx(ω)不为零，则可得***的频率响应函数H(ω)，公式为：
Figure BDA0002834447750000042
其中，Gxy(ω)为输入扭矩信号和输出扭矩信号的互功率谱密度函数，Gxx(ω)为输入扭矩信号的自功率谱密度函数。
步骤(2)：计算首次迭代输入扭矩信号，计算方法如下：
首先计算首次迭代输入扭矩信号x(t)的频域函数X0(ω)，公式为：
X0(ω)＝H-1(ω)αYT(ω)
其中，H-1(ω)为***的逆频率响应函数，α为修正系数，YT(ω)由期望响应信号yT(t)经过傅里叶变换得出，期望响应信号yT(t)如图3所示；将所述首次迭代输入扭矩信号的频域函数X0(ω)经过逆傅里叶变换，可得首次迭代输入扭矩信号的时域函数x0(t)，公式为：
x0(t)＝IFFT[X0(ω)]
其中，IFFT表示逆傅里叶变换；再将所述首次迭代输入扭矩信号的时域函数x0(t)作为当前输入扭矩信号。
步骤(3)：将当前输入扭矩信号作为激励信号输入***，采集***的当前输出扭矩信号yi(t)，计算***的当前输出扭矩信号yi(t)与期望响应信号yT(t)之间的误差函数ei(t)，公式为：
ei(t)＝yT(t)-yi(t),i＝0,1,2,...,k
其中，yT(t)为期望响应信号；yi(t)为当前输出扭矩信号，即实际响应信号。
图4示出了首次迭代得到的当前输出扭矩信号yi(t)与期望响应信号yT(t)的位置关系。
步骤(4)：将步骤(3)中计算出的误差函数ei(t)进行傅里叶变换，得到所述误差函数ei(t)的频域函数Ei(ω)，公式为：
Ei(ω)＝FFT[ei(t)],i＝0,1,2,...,k
其中，FFT表示傅里叶变换。
步骤(5)：根据所述误差函数ei(t)的频域函数Ei(ω)计算补偿值的频域函数ΔXi(ω)，计算公式为：
ΔXi(ω)＝H-1(ω)βEi(ω),i＝1,2,...,k
其中，H-1(ω)为***的逆频率响应函数，β为补偿系数，由于在不同频段内误差值不同，因此每个频段的补偿值也不同，补偿系数β在每个频段的取值也不同；在本实施方式中，每2Hz为一个频段，根据每个频段内的误差大小计算补偿系数β。
步骤(6)：将所述步骤(5)中补偿值的频域函数ΔXi(ω)经过逆傅里叶变换，得到补偿值的时域函数Δxi(t)，公式为：
Δxi(t)＝IFFT[ΔXi(ω)],i＝0,1,2,...,k
其中，IFFT表示逆傅里叶变换。
步骤(7)：将所述补偿值的时域函数Δxi(t)与所述步骤(3)中的当前输入扭矩信号相加，得到***的下一次输入扭矩信号xi+1(t)，即将下一次输入扭矩信号xi+1(t)作为新的激励信号输入***；所述下一次输入扭矩信号xi+1(t)的公式为：
xi+1(t)＝xi(t)+Δxi(t),i＝0,1,2,...,k
其中，xi(t)为当前输入扭矩信号。
步骤(8)：重复所述步骤(3)至步骤(7)，直至得出的补偿值的时域函数Δxi(t)小于预设阈值，代表此时***的实际响应信号已经无限接近期望响应信号，则停止循环，得到最终输入扭矩信号；迭代运算完成后的当前输出扭矩信号与期望响应信号如图5所示。
步骤(9)：将所述最终输入扭矩信号输入负载电机。
由此可见，本发明能够让负载电机最终的输出扭矩信号无限接近于期望响应信号，通过有效消除非线性的影响，使基于蜗轮蜗杆疲劳台的非线性***在测试时候有效避免各环节带来的影响，进而使蜗轮蜗杆耐久性测试数据更为精确。

Claims (8)

1.一种蜗轮蜗杆疲劳台的负载电机控制方法，其特征在于，包括：
步骤(1)：将输入扭矩信号x(t)作为***的激励信号，得到输出扭矩信号y(t)，根据所述输入扭矩信号x(t)和输出扭矩信号y(t)求解***的频率响应函数H(ω)；
步骤(2)：根据所述***的频率响应函数H(ω)，计算首次迭代输入扭矩信号的时域函数x0(t)，并将所述首次迭代输入扭矩信号的时域函数x0(t)作为当前输入扭矩信号；
步骤(3)：将当前输入扭矩信号输入***，并采集***的当前输出扭矩信号yi(t)，计算当前输出扭矩信号yi(t)与期望响应信号yT(t)之间的误差函数ei(t)；
步骤(4)：将所述误差函数ei(t)进行傅里叶变换，得到所述误差函数ei(t)的频域函数Ei(ω)；
步骤(5)：根据所述误差函数ei(t)的频域函数Ei(ω)计算补偿值的频域函数ΔXi(ω)；
步骤(6)：将所述补偿值的频域函数ΔXi(ω)经过逆傅里叶变换，得到补偿值的时域函数Δxi(t)；
步骤(7)：将所述补偿值的时域函数Δxi(t)与所述步骤(3)中的当前输入扭矩信号相加，得到下一次输入扭矩信号xi+1(t)；
步骤(8)：循环所述步骤(3)至步骤(7)，当所述补偿值的时域函数Δxi(t)小于预设阈值，则停止循环，得到最终输入扭矩信号；
步骤(9)：将所述最终输入扭矩信号输入负载电机。
2.根据权利要求1所述的蜗轮蜗杆疲劳台的负载电机控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中***的频率响应函数H(ω)的公式为：
Figure FDA0002834447740000011
其中，Gxy(ω)为输入扭矩信号和输出扭矩信号的互功率谱密度函数且
Figure FDA0002834447740000012
Gxx(ω)为输入扭矩信号的自功率谱密度函数，
Figure FDA0002834447740000013
且Gxx(ω)不为0；X(ω)为由输入扭矩信号x(t)经过傅里叶变换得到的频域函数，Y(ω)为由输出扭矩信号y(t)经过傅里叶变换得到的频域函数且Y(ω)＝H(ω)X(ω)，X*(ω)为X(ω)的共轭函数，T为时间。
3.根据权利要求1所述的蜗轮蜗杆疲劳台的负载电机控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中根据所述***的频率响应函数H(ω)，计算首次迭代输入扭矩信号的时域函数x0(t)，具体为：根据所述***的频率响应函数H(ω)计算首次迭代输入扭矩信号的频域函数X0(ω)，公式为：X0(ω)＝H-1(ω)αYT(ω)，其中，H-1(ω)为***的逆频率响应函数，α为修正系数，YT(ω)由期望响应信号yT(t)经过傅里叶变换得到；再将所述首次迭代输入扭矩信号的频域函数X0(ω)经过逆傅里叶变换，得到首次迭代输入扭矩信号的时域函数x0(t)，公式为：x0(t)＝IFFT[X0(ω)]，其中，IFFT表示逆傅里叶变换。
4.根据权利要求1所述的蜗轮蜗杆疲劳台的负载电机控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中计算当前输出扭矩信号yi(t)与期望响应信号yT(t)之间的误差函数ei(t)，公式为：ei(t)＝yT(t)-yi(t),i＝0,1,2,...,k，其中，yT(t)为期望响应信号，yi(t)为当前输出扭矩信号。
5.根据权利要求1所述的蜗轮蜗杆疲劳台的负载电机控制方法，其特征在于，所述步骤(4)中误差函数ei(t)的频域函数Ei(ω)的公式为：Ei(ω)＝FFT[ei(t)],i＝0,1,2,...,k，其中，FFT表示傅里叶变换。
6.根据权利要求1所述的蜗轮蜗杆疲劳台的负载电机控制方法，其特征在于，所述步骤(5)中补偿值的频域函数ΔXi(ω)的公式为：ΔXi(ω)＝H-1(ω)βEi(ω),i＝1,2,...,k，其中，β为补偿系数，Ei(ω)为误差函数ei(t)的频域函数，H-1(ω)为***的逆频率响应函数。
7.根据权利要求1所述的蜗轮蜗杆疲劳台的负载电机控制方法，其特征在于，所述步骤(6)中补偿值的时域函数Δxi(t)的公式为：Δxi(t)＝IFFT[ΔXi(ω)],i＝0,1,2,...,k，其中，IFFT表示逆傅里叶变换。
8.根据权利要求1所述的蜗轮蜗杆疲劳台的负载电机控制方法，其特征在于，所述步骤(7)中下一次输入扭矩信号xi+1(t)的公式为：xi+1(t)＝xi(t)+Δxi(t),i＝0,1,2,...,k，其中，xi(t)为当前输入扭矩信号，Δxi(t)为补偿值的时域函数。
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