驱动系统设计计算报告

1、驱动系统设计计算报告驱动系统设计计算报告 编 写 校 对 审 核 批 准 目 录1.六自由度运动平台电机选型计算21.1空间几何参数21.2六自由度运动坐标系与数学模型21.3七自由度平台最大线位移和最大角位移仿真分析31.4电动缸推（拉）力、缸速的计算机仿真分析31.5交流伺服系统41.6电动缸的缸速、推拉力和控制精度62.第七自由度电机的选型计算72.1设计初始条件72.2运动规律82.3伺服电机的运动规律82.4电机数量计算92.5.1倾覆力矩与滚轮安全系数92.5.2偏转力矩与滚轮安全系数102.5.3垂向载荷与滚轮安全系数102.6几种典型工况对应的电机输出最大转速最大扭矩102.7

2、基本结论123.系统的安全保护措施124.运动指标测试131. 六自由度运动平台电机选型计算1.1 空间几何参数依据运动指标估算了运动平台以上的总载荷（4.5t）和转动惯量，经过运动学、动力学仿真分析，根据平台的三个线位移和三个角位移确定了电动缸的几何尺寸、电动缸的行程以及并联机构的空间几何参数：l 运动机构上三个铰支座的中心线均以120°的圆心角均布分布在直径为2.4m的圆周上；l 下平台上三个铰支座的中心线均以120°的圆心角均匀分布在直径为3.4m的圆周上；l 平台停机高度2.216m；l 平台处于最低位置时，电动缸与地面夹角47.9°；l 运动平台厚度0.

3、4m；l 电动缸行程0.94m。1.2 六自由度运动坐标系与数学模型在六缸支撑的运动系统中，可定义运动坐标系和固定坐标系，如图11所示。图11 六自由度运动平台坐标定义运动坐标系固联在运动平台上，其X-Y平面位于六台电动缸上耳轴中心所在平面内，Z轴垂直向下，（右手系）坐标系原点位于上三点所在圆的圆心。固定坐标系固联在固定平台上，其X-Y平面位于六台电动缸下耳轴中心所在平面内，Z轴垂直向下（右手系）坐标原点位于下三点所在圆的圆心。动坐标系与定坐标系的原点位于同一铅垂线上，故两个坐标系是平行的。六自由度运动是指运动平台分别沿动坐标系的X、Y、Z轴的平动运动和分别绕X、Y、Z轴的转动运动。将绕X轴的

4、转动定义为俯仰，将绕Y轴的转动定义为侧倾，将绕Z轴的转动定义为航向，如上图所示。1.3 七自由度平台最大线位移和最大角位移仿真分析根据电动缸的结构尺寸和平台六缸并联机构的空间几何尺寸，建立运动坐标系内的运动学模型，编制了相应的仿真软件，计算出本七自由度运动系统能实现的最大线位移和最大角位移：l 纵向：-0.83m，0.73ml 横向：±6.71ml 垂向：-0.52m，0.565ml 俯仰：-26.074°，27.118°l 侧倾：±26.958°l 横摆：±35.9°根据以往坦克驾驶模拟器、装甲车驾驶模拟器、汽车驾驶模拟器

5、和大型特种车驾驶模拟器等运动系统的设计经验，对于路面行驶的各类车辆模拟器，垂向位移达到±0.35m就足以满足垂向动感模拟的需要。道路行驶的车辆，垂向运动绝大部分是颠簸、抖振等高频率、小位移动感。所以从动感需求和设备紧凑两个方面考虑，-0.52m、+0.565m的垂向运动位移足以满足提供动感的要求，并且还有很大裕量。1.4 电动缸推（拉）力、缸速的计算机仿真分析根据平台最大速度、最大加速度以及平台以上总载荷、转动惯量进行了运动学和动力学仿真分析，仿真结果为：l 电动缸峰值缸速为0.797m/sl 电动缸峰值推(拉)力为40357.6N上述关于平台线位移、角位移的仿真和电动缸推拉力、缸速

6、的仿真结果作为台体结构细化设计、电机选型和电动缸结构设计的依据。根据二百多台各类运动平台的生产经验，按照该仿真结果选型，能够满足系统的指标要求。1.5 交流伺服系统电动运动平台的关键部件是交流伺服电机、伺服驱动器和电动缸。选择先进的永磁同步无刷伺服电机以及与之配套的全数字式伺服驱动器，构成交流伺服系统。采用特殊结构设计的电动缸，来构成机电式伺服作动筒。该作动筒具有运行平稳、快速响应、大加速度、宽频带、长寿命等优点，为整机性能提供了有力的保障。1）电动缸l 缸筒外径：约180mml 电动缸杆径：约85mml 行程：950mml 丝杠导程：16mml 能承受的最大推力：60000Nl 传动效率：9

7、0%2）滚珠丝杠选用经过定制的高速、静音、重载滚珠丝杠，采用球保持架的结构形式，该形式可消除钢球之间的碰撞和相互摩擦并提高润滑脂的保持性，因而实现了低噪音、低扭矩变动以及长期运行而免维护。3）交流伺服电机选用经过定制的永磁同步无刷伺服电机，它的主要技术参数如下所示：l 额定扭矩：135.94Nml 峰值扭矩：210Nml 额定转速：3000rpml 最高转速：3600rpml 额定功率：42kWl 转自惯量：0.009kgm2l 旋转编码器精度：1024线/转l 绝缘等级：F级l 防护等级：IP-54该电机采用高性能钕磁体，具备无槽定子设计，消除了电机中的所有止动力矩，能提供极平稳的运动，这种

8、无槽设计使其具有较高的转子惯量，非常适合六自由度仿真平台仿真试验，适合具有高惯性负载和大加速的应用场合。电机的连接器和轴密封都具有IP54防护等级，符合CE（LVD）标准，具有断电抱闸、过压、过载、过热、短路等安全保护功能。4）伺服驱动器与伺服电机配套的伺服驱动器是一款智能化的伺服驱动器，它以全数字化的方式控制着电机运行的功率、速度和位置。只要将系统的相关参数，如电机类型、供电电压、电机电流、负载运动惯量、输出级温度、通信速率等输入驱动器，则数字信号处理器DSP将自动计算控制器的最佳参数，并以快速、稳定的方式建立所有的控制环。高性能的CPU保证了快速的闭环控制和系统中元件参数的精确调节，使伺服

9、驱动器具有很高的动态特性和运动稳定性，并具有大峰值的力矩输出。主要技术指标为：l 输出电流70Al 控制方式：正弦波PWM控制具有速度环、力矩环闭环控制l 供电方式：三相380V供电l 保护方式：具有过载、过热、速度、加速度超限保护l PWM输出级开关频率达到10kHz，缩短了采样时间，消除了数字系统典型的动态限制。l 功率和电流驱动能力可以使其在连续大电流高功率下运行。l 电流环可以适配电机的特性，带有补偿和相移纠正程序。l 速度环带宽达200Hz，三个数字滤波器可以使系统然闭环增益达较高值，从而达到最小过冲量、更强的刚性、更高的动态响应和优秀的伺服控制性能。l 功率自动优化算法可以在电机转

10、速增加时自动增加转矩，直到最高额定速度，使电机的转矩常数可以达到更高的数值。l 交流伺服系统的在线监测与故障诊断。通过伺服驱动器上的COM口可以在线监测系统运行参数，如电机电流曲线与数值，电机转速曲线与数值，电机功率与利用率曲线与数值，以及电动缸位移曲线与数值，通过COM口还可以诊断电机运行的各种故障状态。伺服驱动器与伺服电机、实时控制计算机以及电源滤波器等的逻辑关系如图12所示。驱动器与电机之间的参数自动配置，对驱动进行参数选择和设置，监视驱动器和电机的运行状态，如驱动器的工作电压、电流、电机转速等。同时可以对驱动器和电机进行独立操作。为驱动器提供电源动力为驱动器提供所需直流电源对伺服电机进

11、行PWM控制，可对电机进行位置、速度、力矩等控制驱动器对电机进行闭环控制实时控制计算机得到驱动器编码器信号、工作正常信号，向驱动器发出速度控制信号动力电源24VDC伺服驱动器滤波器编码器反馈实时控制计算机测试计算机刹车电阻伺服电机图12 伺服驱动器与伺服电机、实时控制计算机以及电源滤波器等的逻辑关系1.6 电动缸的缸速、推拉力和控制精度交流伺服系统输出的转速、扭矩与丝杠导程、编码器精度等技术参数，决定了电动缸的推拉力，缸速和控制精度。l 电动缸额定缸速（由电机转速和丝杠导程所决定）3000/60×0.0160.8(m/s)l 电动缸额定推拉力（由电机扭矩和丝杠导程所决定）根据串联式电

12、动缸推拉力扭矩计算公式：F=5529.2M/P其中：F电动缸推拉力（N）M电机扭矩（N·m）P丝杠导程mmF5529.2×135.94/1646977.5（N）l 电动缸峰值推拉力（电机扭矩按额定扭矩的1.3倍计）F=46977.5×1.3=61070.7Nl 电动缸控制精度电动缸控制精度由旋转编码器和丝杠导程所决定。16/10240.015625（mm）由以上计算可见，电动缸的缸速、推拉（力）均满足平台速度、加速度指标对电动缸缸速和推（拉）力的要求。足平台速度、加速度指标对电动缸缸速和推（拉）力的要求。2. 第七自由度电机的选型计算2.1 设计初始条件驱动方式：

13、伺服电机减速机齿轮-齿条伺服电机型号U318070F203电机额定功率165kw电机额定转速2000rpm电机最高转速2000rpm电机额定扭矩790Nm电机堵转扭矩1000Nm电机峰值扭矩2500Nm电机转子惯量J1=0.534kgm²负载质量Wp=14168kg减速器速比ip=4减速机转动惯量J2=0.0098kgm²齿轮转动惯量J3=0.0945kgm²摩擦系数kp=0.05传动效率ke=0.9六自由度y向加速度ay=0.5g，参与运动的质量5500kg，作用力F6DOF=5500*0.5g=26977.5（N）齿轮节圆直径：D=212.21mm，半径r=1

14、06.1mm运动范围：直线轨道有效行程12m（±6m）， 摩擦系数K=0.05运动指标：最高线速度5m/s，最大线加速度0.8g2.2 运动规律一般都采用正弦运动作为选型时的运动规律正弦运动表达式：式中：S为直线运动物体位置，中点为零位的直线运动坐标如图21所示。S（m） -6 0 6 图21 横向运动范围示意图A为正弦运动幅值（m）=2ff为正弦运动频率，为运动周期（秒）做正弦运动物体的速度曲线与最大速度做正弦运动物体的加速度曲线与最大加速度2.3 伺服电机的运动规律根据齿轮齿条、减速机、电机传动链的动力转换，并依据电机拖动动力学方程，将运动物体的直线正弦运动换算为电机的同频率旋转

15、正弦运动，若电机转速为（rpm），扭矩为（Nm），则被拖动物体的正弦直线运动换算为电机输出的转速、扭矩表达式为：电机输出的最大转速为：电机输出的最大扭矩为：其中：A为直线运动物体幅值，f为直线运动物体频率，i为速比，r为齿轮节圆半径，J为电机拖动的总的转动惯量（为被拖动物体质量经过传动链转换到电机轴上的转动惯量与电机转动惯量之和。前者除以后者为电机的惯量比）。TL为转换到电机轴上的总的运动阻力矩（Nm）。2.4 电机数量计算由仿真计算可知，当第七自由度以0.8g、0.5g两种工况做y方向直线运动进，所需电机峰值扭矩是确定电机数量的关键。当0.8g时：4台电机方案，单台电机峰值扭矩为1100.3

16、5Nm5台电机方案，单台电机峰值扭矩为914.2Nm6台电机方案，单台电机峰值扭矩为790.1Nm当0.5g时：4台电机方案，单台电机峰值扭矩为786.46Nm5台电机方案，单台电机峰值扭矩为650.79Nm6台电机方案，单台电机峰值扭矩为560.3Nm考虑到电机的堵转扭矩为1000Nm，峰值扭矩为2500Nm，将来，在实际使用过程中，第七自由度最大加速度在0.5g左右，所以，确定电机数量为4台。2.5 横向运动单元校核计算2.5.1 倾覆力矩与滚轮安全系数当六自由度运动平台沿x方向做a_x=9.8m/s²的直线加速运动时，纵向驱动力为F_x=53900N, F_x对支撑轨取力矩，由

17、于六自由度运动平台上铰支座至轨道的垂直距离为2.91m，故力矩：T_x=53900N*2.91m=156849Nm设力矩转换为抗倒倾轮上的径向载荷为10251.5N。抗倒倾轮选用德国INA公司的NUTR50110，其主要技术指标为：内径50，外径110，宽32，有效额定动载荷C_rw=76000N，转速1300rpm。故安全系数为76000N/10251.5N=7.41同理算得，当六自由度运动平台沿y方向做a_y=9.8m/s²的直线加速运动时，抗侧倾轮的安全系数为7.56。2.5.2 偏转力矩与滚轮安全系数当运动平台在轨道上以0.5g加速度做y方向直线运动时，由于载荷不平衡产生的偏

18、转力矩为：T_xy=24920.5Nm设力矩转换到导向轮上的径向载荷为2396.2N，导向轮选用德国INA公司的NUTR40，其主要技术指标为：内径40，外径80，宽32，有效动载荷C_rw=56000N，转速1600rpm。故安全系数：56000N/2396.2N=23.372.5.3 垂向载荷与滚轮安全系数当六自由度运动平台与平台载荷以a_z=9.8m/s²的加速度做垂向直线运动时，每个承载轮承受的径向载荷为16062.2N。承载轮选用德国INA公司的NUTR60*150*75-2zl，其主要技术指标为：内径60，外径150，宽75，有效额定动载荷C_rw=255000N，转速8

19、00rpm。安全系数：255000N/16062.2N=15.882.6 几种典型工况对应的电机输出最大转速最大扭矩根据上述算法，可算得几种典型工况对应的电机输出，如表21所示。表21 典型工况电机输出直线运动最大速度（m/s）直线运动最大加速度（g）直线运动频率f（Hz）直线运动周期T（秒）直线运动幅值A（m）电机最大输出转速（rpm）电机最大输出扭矩（Nm）电机转速利用率%电机扭矩利用率%50.4250.132637.53986.01800.0445.590.056.40.6240.82.00.50.04965224.0751.011.295.050.7720.24114.1483.31799.7728.890.092.25工况一、图22 工况一电机输出结果（直线运动最大线速度5m/s最大线加速度0.425g）图23 工况二电机输出结果（直线运动最大线加速度0.8g最大线速度0.624m）图24 工况三电机输出结果（直线运动最大线速度5m/s最大线加速度0.772g）2.7 基本结论根据以上计算可见，当拖动质量为14.168吨时，所选电机参数与数量均满足运动物体5m/s最大线速度和0.8g最大线加速度的要求。转速利用率和扭矩利用率均在90%以上，速度、加速度低于这几种工况的运动，电机能力自然也都能满足要求。3. 系统的安全保护措施整机具有机械、电器、控制等多重安全保护措施包