CN112034282A - 一种基于加速因子的运动控制器加速退化试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于加速因子的运动控制器加速退化试验方法，包括以下步骤：步骤1、设计运动控制器加速退化试验方案；步骤2、将所述样品放入温度试验箱内进行试验；等。本发明方法的特点是将输出信号脉宽差作为运动控制器性能退化的测试指标，以温度作为加速应力，利用在短时加速试验中获得的性能数据对运动控制器性能退化过程进行建模，从而预测运动控制器在正常条件下的可靠度和工作寿命。该方法能够反映运动控制器在正常条件下的失效进程，以较大的加速系数进行加速试验，缩短了试验时间，为运动控制器退化寿命研究提供了一种可行的技术方法。

Description

一种基于加速因子的运动控制器加速退化试验方法

技术领域

本发明属于电子产品加速退化试验方法，具体涉及一种基于加速因子的运动控制器加速退化试验方法。

背景技术

运动控制器是控制电动机运行方式的专用控制器，通常可以以单片机、微机处理器、专用芯片、基于PC总线的DSP和FPGA等作为核心处理器进行构建，其功能是在特定使用条件下将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动，实现机械运动精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制。在运动控制器的工作过程中，其失效主要是由于芯片、集成电路、光耦、功率输出等器件的性能退化，使得输出精度无法满足使用要求，导致运动控制器退化失效。由于运动控制器发生失效，将导致驱动负载设备的运动精度不满足使用要求甚至功能丧失。因此对运动控制器的可靠性进行评价，合理评估和预测其可靠寿命，对保障相关设备的可靠性和完好率具有重要意义。

退化寿命预测目前主要有基于退化试验和基于加速退化试验的方法。基于退化试验的方法对产品在正常条件下的性能参数进行测试，通过对测试数据进行建模分析实现产品退化寿命预测。这种方法存在耗时长、费用大、预测提前量有限的突出问题。而基于加速退化试验的方法通过适当提高试验应力水平，获取加速应力水平下的性能退化数据，对试验数据进行建模分析，外推预测出正常条件下的可靠寿命。与前者相比，基于加速退化试验的方法耗时短、费用少、预测提前量大，可以实现对产品寿命的快速评估和预测。目前已有研究通过引入加速退化试验进行产品寿命预测，并在推进剂、橡胶件等产品中进行了成功应用，但目前尚未见到利用加速退化试验开展运动控制器寿命预测的研究报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种效率高、耗时短、费用少、可以快速预测的基于加速因子的运动控制器加速退化试验方法。

实现本发明目的采用的技术方案如下：

本发明提供的基于加速因子的运动控制器加速退化试验方法，包括以下步骤：

步骤1、设计运动控制器加速退化试验方案：

1-1以温度作为试验的加速应力；

1-2以不同的温度作为试验的加速应力水平，由高到低分别为S₁，S₂，…，S_I，其中I为加速应力水平数，I应等于或大于3；将第i个加速应力水平记为S_i，i表示加速应力水平的编号，i＝1，...，I；最低加速应力水平应高于正常工作条件温度，最高加速应力水平的设置必须保证运动控制器的失效机理与正常条件下保持一致；

1-3每个加速应力水平下的运动控制器样品数为J等于或大于3，j表示样品编号，j＝1，...，J；

1-4当在第i个加速应力水平S_i下的累计试验时间到达预设的试验停止时间τ_i时完成当前加速应力水平试验；

1-5在第i个加速应力水平S_i下对每个样品的性能进行性能测试，测试次数K至少为5次，测试项目为运动控制器输出信号脉宽差P；设t_i，k表示在第i个加速应力水平S_i下进行第k次性能测试所对应的累计试验时间，按以下方法设定t_i，k，k＝1，...，K：当累计试验时间达到0、τ_i时，分别进行第1次和第K次性能测试，即t_i，1＝0、t_i，K＝τ_i；在此基础上设定进行第2次、第3次、…、第K-1次性能测试所对应的累计试验时间t_i，k，k＝2，3，...，K1-，使得在第i个加速应力水平S_i下的所有K次性能测试中，相邻两次性能测试之间的时间间隔满足由小到大的要求；

步骤2、将所述样品放入温度试验箱内进行试验；

步骤3、在每个加速应力水平下，到达步骤1中所设定的进行性能测试所对应的累计试验时间时暂停试验，并从试验箱中取出所有样品，待样品在常温下充分冷却1小时后逐一进行性能测试；性能测试完毕后将所有样品放入温度试验箱继续试验，直至步骤1中所设计的试验方案全部执行完毕后结束试验；

步骤4、将步骤3中测试得到的所有样品的输出信号脉宽差P的测试值记为y，y＝{y_ij(t_i，k)，i＝1，...，I；j＝1，...，J；k＝1，...，K}，其中i表示I个加速应力水平的编号，j表示J个样品的编号，k表示每个加速应力水平下K次测试的编号，t_i，k表示在第i个加速应力水平S_i下进行第k次性能测试所对应的累计试验时间，y_ij(t_i，k)表示在t_i，k时刻对第j个样品进行性能测试获得的P的测试值；

将y作为测试数据进行处理，得出运动控制器在正常条件下的可靠度

步骤如下：

4-1采用下述式(1)描述P的理论值随时间的变化关系(即退化模型)：

其中，a_ij、b_ij、c_ij分别为待估计的参数，记为

t为时间，

为第j个样品在第i个加速应力水平S_i下t时刻P的理论值；

4-2令

取不同的尝试值，并代入由下述式(2)表示的误差平方和

使

取得最小值时所对应的尝试值即为

的估计值，记为

其中y_ij(t_i，k)、

分别是第i个加速应力水平S_i下第j个样品在t_i，k时刻输出信号脉宽差P的测试值和理论值；

4-3将

代入式(1)中的

得出理论值的估计

结合厂家给出的运动控制器性能退化失效阈值D_f，通过下述式(3)求取

的反函数获得第j个样品在第i个加速应力水平S_i下的伪失效寿命时间

将样品在所有加速应力水平下的全部伪失效寿命时间记为t，

4-4第i个加速应力水平S_i下运动控制器可靠度R_i(t)采用下述式(4)所示的指数分布进行描述：

R_i(t)＝exp(-λ_it) (4)

其中，t为时间；λ_i为运动控制器在第i个加速应力水平S_i下的失效率参数；

加速模型采用下述式(5)所示的Arrhenius模型进行描述：

ln(1/λ_i)＝γ₀+γ₁/(S_i+273) (5)

其中γ₀和γ₁是模型参数，S_i为第i个加速应力水平；

则运动控制器在第i个加速应力水平下的加速因子σ_i如下述式(6)所示：

其中S₀为正常条件温度；

将式(5)中的λ_i代入式(4)，得到下述式(7)：

R(t)＝exp{-t/exp[γ₀+γ₁/(S_i+273)]} (7)

将式(7)中的未知参数γ₀、γ₁记为ψ，即ψ＝(γ₀，γ₁)；

4-5通过下述式(8)计算t的似然函数L(ψ|t)：

其中R(t_ij)为将t_ij代入式(7)所取得的值，λ_i由式(5)进行计算；

4-6对L(ψ|t)求对数得到对数似然函数ln L(ψ|t)，令ψ＝(γ₀，γ₁)取不同的尝试值并代入ln L(ψ|t)，使ln L(ψ|t)取得最大值时所对应的尝试值即为ψ的估计值，记为

其中

分别为未知参数γ₀、γ₁的估计值：

4-7将

代入下述式(10)得到运动控制器在正常条件下的可靠度

4-8结合给定的可靠度值

令

代入式(10)，可以由下述式(11)计算得出运动控制器在正常条件下的可靠寿命

有益效果

本发明方法的特点是将输出信号脉宽差作为运动控制器性能退化的测试指标，以温度作为加速应力，利用在短时加速试验中获得的性能数据对运动控制器性能退化过程进行建模，从而预测运动控制器在正常条件下的可靠度和工作寿命。该方法能够反映运动控制器在正常条件下的失效进程，以较大的加速系数进行加速试验，缩短了试验时间，为运动控制器退化寿命研究提供了一种可行的技术方法。

本发明提供的方法目前已经成功应用于某型运动控制器的退化寿命预测研究，对其可靠寿命进行了准确的评估预测。

下面以某型运动控制器为例进一步说明本发明方法。需要特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明方法的具体实施方式，而非用于限定本发明方法的保护范围。

附图说明

图1是某型运动控制器加速退化试验的应力水平和测试时间图。

图2是某型运动控制器加速退化试验在第一个加速应力水平下第1个样品的输出信号脉宽差P的测试值和相应理论值估计。

图3是某型运动控制器正常条件下的可靠度评估结果图。

具体实施方式

基于加速因子的运动控制器加速寿命试验方法，包括以下步骤：

步骤1、设计运动控制器加速退化试验方案：

1-1以温度作为试验的加速应力；

1-2以不同的温度作为试验的加速应力水平，由高到低分别为S₁＝80℃、S₂＝90℃、S₃＝103℃和S₄＝120℃，加速应力水平数I为4，其中，最低加速应力水平S₁＝80℃，高于正常条件温度S₀＝20℃；因该型运动控制器的耐温极限为160℃，最高加速应力水平S₄＝120℃低于该耐温极限，可保证该型运动控制器的失效机理与正常条件下保持一致；

1-3每个加速应力水平下的运动控制器样品数J为3，j表示样品编号，j＝1，...，3；

1-4 S₁、S₂、S₃和S₄四个加速应力水平下预设的试验停止时间分别为τ₁＝620小时、τ₂＝480小时、τ₃＝388小时、τ₄＝282小时，当在第i个加速应力水平S_i下的累计试验时间到达预设的试验停止时间τ_i时完成当前加速应力水平试验；

1-5在第i个加速应力水平S_i下对每个样品的性能进行性能测试，测试次数K为11次，测试项目为运动控制器输出信号脉宽差P；设t_i，k表示在第i个加速应力水平S_i下进行第k次性能测试所对应的累计试验时间，按以下方法设定t_i，k，k＝1，...，1：当累计试验时间达到0、τ_i时，分别进行第1次和第11次性能测试，即t_i，1＝0、t_i，11＝τ_i；在此基础上设定进行第2次、第3次、…、第10次性能测试所对应的累计试验时间t_i，k，k＝2，3，...，10，使得在第i个加速应力水平S_i下的所有11次性能测试中，相邻两次性能测试之间的时间间隔满足由小到大的要求；

按上述方法设定S₁、S₂、S₃和S₄四个加速应力水平下进行性能测试所对应的累计试验时间：t_1，k，k＝1，...，11分别为0、12、36、66、108、158、224、306、402、502、620小时；t_2，k，k＝1，...，11分别为0、10、30、58、94、140、190、250、320、395、480小时；t_3，k，k＝1，...，11分别为0、8、24、48、80、116、158、204、256、314、388小时；t_4，k，k＝1，...，11分别为0、6、20、40、64、90、118、148、186、230、282小时；

试验的4个应力水平及相应的测试时间如图1所示；

步骤2、将所有运动控制器样品放入温度试验箱内进行试验；

步骤3、在第一个加速应力水平S₁(即80℃)下进行试验，第1次性能测试对应的累计试验时间为0小时，待样品在常温下充分冷却1小时后逐一进行性能测试，性能测试完毕后将所有样品放入温度试验箱继续试验；当试验的累计试验时间达到12小时时暂停试验进行第2次性能测试，从试验箱中取出所有样品，待样品在常温下充分冷却1小时后逐一进行性能测试，性能测试完毕后将所有样品放入温度试验箱继续试验；当试验的累计试验时间达到36小时时暂停试验进行第3次性能测试，依此类推，直至做完第11次测试，此时样品在S₁(即80℃)下试验的累计试验时间达到预设的试验停止时间τ₁＝620小时，完成第一个加速应力水平试验；按同样方法做完所有样品在第二、第三和第四个加速应力水平S₂、S₃、S₄(即90℃、103℃、120℃)下的试验和性能测试后结束试验；

步骤4、将步骤3中测试得到的所有样品的输出信号脉宽差P的测试值记为y，y＝{y_ij(t_i，k)，i＝1，...，4；j＝1，...，3；k＝1，...，11}，其中i表示4个加速应力水平的编号，j表示3个样品的编号，k表示每个加速应力水平下11次测试的编号，t_i，k表示在第i个加速应力水平S_i下进行第k次性能测试所对应的累计试验时间，y_ij(t_i，k)表示在t_i，k时刻对第j个样品进行性能测试获得的P的测试值；

将y作为测试数据进行处理，得出运动控制器在正常条件下的可靠度

步骤如下：

4-1采用下述式(1)描述P的理论值随时间的变化关系(即退化模型)：

其中，a_ij、b_ij、c_ij分别为待估计的参数，记为

t为时间，

为第j个样品在第i个加速应力水平S_i下t时刻P的理论值；

4-2令

取不同的尝试值，并代入由下述式(2)表示的误差平方和

使

取得最小值时所对应的尝试值即为

的估计值，记为

其中y_ij(t_i，k)、

分别是第i个加速应力水平S_i下第j个样品在t_i，k时刻输出信号脉宽差P的测试值和理论值；

4-3将

代入式(1)中的

得出理论值的估计

图2所示为第一个加速应力水平S₁下第1个样品的输出信号脉宽差P的测试值和相应理论值估计；结合厂家给出的运动控制器性能退化失效阈值D_f＝110ms，通过下述式(3)求取

的反函数获得第j个样品在第i个加速应力水平S_i下的伪失效寿命时间

将样品在所有加速应力水平下的全部伪失效寿命时间记为t，

见表1所示；

表1各加速应力水平下压力继电器样品的伪失效寿命时间

4-4第i个加速应力水平S_i下运动控制器可靠度R_i(t)采用下述式(4)所示的指数分布进行描述：

R_i(t)＝exp(-λ_it) (4)

其中，t为时间；λ_i为运动控制器在第i个加速应力水平S_i下的失效率参数；

加速模型采用下述式(5)所示的Arrhenius模型进行描述：

ln(1/λ_i)＝γ₀+γ₁/(S_i+273) (5)

其中γ₀和γ₁是模型参数，S_i为第i个加速应力水平；

则运动控制器在第i个加速应力水平下的加速因子σ_i如下述式(6)所示：

其中S₀为正常条件温度；

将式(5)中的λ_i代入式(4)，得到下述式(7)：

R(t)＝exp{-t/exp[γ₀+γ₁/(S_i+273)]} (7)

将式(7)中的未知参数γ₀、γ₁记为ψ，即ψ＝(γ₀，γ₁)；

4-5通过下述式(8)计算t的似然函数L(ψ|t)：

其中R(t_ij)为将t_ij代入式(7)所取得的值，λ_i由式(5)进行计算；

4-6对L(ψ|t)求对数得到对数似然函数ln L(ψ|t)，令ψ＝(γ₀，γ₁)取不同的尝试值并代入ln L(ψ|t)，使ln L(ψ|t)取得最大值时所对应的尝试值即为ψ的估计值，记为

其中

分别为未知参数γ₀、γ₁的估计值：

计算得出

将

S₀＝20℃、S₁＝80℃、S₂＝90℃、S₃＝103℃和S₄＝120℃代入式(6)，得出各加速应力水平下的加速因子分别为σ₁＝31.9、σ₂＝50.7、σ₃＝89.6、σ₄＝177.9；

4-7将

代入下述式(10)得到运动控制器在正常条件下(正常条件温度为S₀＝20℃)的可靠度

可靠度

随时间的变化曲线如图3所示；

4-8结合给定的可靠度值

令

代入式(10)，可以由下述式(11)计算得出运动控制器在正常条件下的可靠寿命

最终经本发明方法得出的某型运动控制器在正常条件下的可靠寿命

为5.08×10⁵(h)。

Claims (1)

1.一种基于加速因子的运动控制器加速退化试验方法，包括以下步骤：

步骤1、设计运动控制器加速退化试验方案：

1-1以温度作为试验的加速应力；

1-2以不同的温度作为试验的加速应力水平，由高到低分别为S₁，S₂，…，S_I，其中I为加速应力水平数，I应等于或大于3；将第i个加速应力水平记为S_i，i表示加速应力水平的编号，i＝1，...，I；最低加速应力水平应高于正常工作条件温度，最高加速应力水平的设置必须保证运动控制器的失效机理与正常条件下保持一致；

1-3每个加速应力水平下的运动控制器样品数为J等于或大于3，j表示样品编号，j＝1，...，J；

1-4当在第i个加速应力水平S_i下的累计试验时间到达预设的试验停止时间τ_i时完成当前加速应力水平试验；

1-5在第i个加速应力水平S_i下对每个样品的性能进行性能测试，测试次数K至少为5次，测试项目为运动控制器输出信号脉宽差P；设t_i，k表示在第i个加速应力水平S_i下进行第k次性能测试所对应的累计试验时间，按以下方法设定t_i，k，k＝1，...，K：当累计试验时间达到0、τ_i时，分别进行第1次和第K次性能测试，即t_i，1＝0、t_i，K＝τ_i；在此基础上设定进行第2次、第3次、…、第K-1次性能测试所对应的累计试验时间t_i，k，k＝2，3，...，K-1，使得在第i个加速应力水平S_i下的所有K次性能测试中，相邻两次性能测试之间的时间间隔满足由小到大的要求；

步骤2、将所述样品放入温度试验箱内进行试验；

步骤3、在每个加速应力水平下，到达步骤1中所设定的进行性能测试所对应的累计试验时间时暂停试验，并从试验箱中取出所有样品，待样品在常温下充分冷却1小时后逐一进行性能测试；性能测试完毕后将所有样品放入温度试验箱继续试验，直至步骤1中所设计的试验方案全部执行完毕后结束试验；

步骤4、将步骤3中测试得到的所有样品的输出信号脉宽差P的测试值记为y，y＝{y_ij(t_i，k)，i＝1，...，I；j＝1，...，J；k＝1，...，K}，其中i表示I个加速应力水平的编号，j表示J个样品的编号，k表示每个加速应力水平下K次测试的编号，t_i，k表示在第i个加速应力水平S_i下进行第k次性能测试所对应的累计试验时间，y_ij(t_i，k)表示在t_i，k时刻对第j个样品进行性能测试获得的P的测试值；

将y作为测试数据进行处理，得出运动控制器在正常条件下的可靠度

步骤如下：

4-1采用下述式(1)描述P的理论值随时间的变化关系(即退化模型)：

其中，a_ij、b_ij、c_ij分别为待估计的参数，记为

t为时间，

为第j个样品在第i个加速应力水平S_i下t时刻P的理论值；

4-2令

取不同的尝试值，并代入由下述式(2)表示的误差平方和

使

取得最小值时所对应的尝试值即为

的估计值，记为

其中y_ij(t_i，k)、

分别是第i个加速应力水平S_i下第j个样品在t_i，k时刻输出信号脉宽差P的测试值和理论值；

4-3将

代入式(1)中的

得出理论值的估计

结合厂家给出的运动控制器性能退化失效阈值D_f，通过下述式(3)求取

的反函数获得第j个样品在第i个加速应力水平S_i下的伪失效寿命时间

将样品在所有加速应力水平下的全部伪失效寿命时间记为t，

4-4第i个加速应力水平S_i下运动控制器可靠度R_i(t)采用下述式(4)所示的指数分布进行描述：

R_i(t)＝exp(-λ_it) (4)

其中，t为时间；λ_i为运动控制器在第i个加速应力水平S_i下的失效率参数；

加速模型采用下述式(5)所示的Arrhenius模型进行描述：

ln(1/λ_i)＝γ₀+γ₁/(S_i+273) (5)

其中γ₀和γ₁是模型参数，S_i为第i个加速应力水平；

则运动控制器在第i个加速应力水平下的加速因子σ_i如下述式(6)所示：

其中S₀为正常条件温度；

将式(5)中的λ_i代入式(4)，得到下述式(7)：

R(t)＝exp{-t/exp[γ₀+γ₁/(S_i+273)]} (7)

将式(7)中的未知参数γ₀、γ₁记为ψ，即ψ＝(γ₀，γ₁)；

4-5通过下述式(8)计算t的似然函数L(ψ|t)：

其中R(t_ij)为将t_ij代入式(7)所取得的值，λ_i由式(5)进行计算；

4-6对L(ψ|t)求对数得到对数似然函数ln L(ψ|t)，令ψ＝(γ₀，γ₁)取不同的尝试值并代入ln L(ψ|t)，使ln L(ψ|t)取得最大值时所对应的尝试值即为ψ的估计值，记为

其中

分别为未知参数γ₀、γ₁的估计值：

4-7将

代入下述式(10)得到运动控制器在正常条件下的可靠度

4-8结合给定的可靠度值

令

代入式(10)，可以由下述式(11)计算得出运动控制器在正常条件下的可靠寿命

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