北航机电专业二自由度平面运动伺服系统设计

北京航宝就天大拳

BEIHANGUNIVERSITY

课程设计汇报

（题目）

院（系）名称自动化学院

专业名称机电控制

学生姓名_____________________________

指导教师_____________________________

2023年11月

二自由度平面运动位置伺服系统

学生:

指导老师:

摘要

本文试图设计一套精度高，动态响应好H勺二自由度平面伺服系统。

系统工作在一种竖直平面内，分作Z,Y两轴子系统，可以独立在所属

时轴上进行直线移动，从而使负载可以在预定平面区域内抵达任意位

置。通过上位机KJ人机交互界面，操纵员可以命令负载移动到某一特

定位置，也可以让系统进入持续口勺正弦或脉冲等自动运行状态。同步

下位机与上位机配合，下位机得到上位机的控制指令后，通过控制盒

驱动直线电机迅速平稳的抵达预定位置，其各项精度，动态响应指标

应满足任务书规定。为了实现目口勺，我们选用了高精度的直线滑轨和

动态特性良好日勺直线永磁电机。采用碳纤维方形管模具，裹以多层碳

纤维双向编织布和钛金箔搭成竖直平面的框架，以保证导轨，电机安

装平面的刚度和重量限制等规定。下位机采用速度环，电流环双闭环

PID控制，大大提高了系统日勺动态性能。通过matlab仿真分析，本文

设计日勺系统动态响应满足规定。强度方面，做了简朴日勺校核，仍需

ANSYS有限元分析等后续工作，本文并未波及。

下文将按照总体方案H勺确定，导轨选型，电机选型，光栅尺选型，

框架横梁的设计，控制方案设计，matlab仿真日勺次序来简介这个二自

由度日勺平面伺服系统。

关键词：二维平面伺服系统直线电机

目录

1.课程设计题目分析

1.1选题的背景.........................................4

1.2技术分析...........................................4

1.3汇报重要内容和本人重要工作.........................5

2.系统总体方案设计

2.1总体方案确定.......................................6

2.2直线导轨口勺选型及计算...............................7

2.3直线电机日勺选型及参数计算...........................9

2.4光栅尺选型：......................................13

2.5框架横梁日勺设计...................................14

2.6控制方案设计.....................................17

2.7物理平台构造SOLIDWORKS建模....................22

轨，平面梁构造的扭曲变形和爬行现象。而为了保证良好口勺动态特性，系统应当可以忍受较

大的加速度，承力构造又不得不尽量轻并且有较大的刚度。这些都为材料的选择，部件的构

造设计，加工，安装精度提出了很高日勺规定。

1.3汇报重要内容和本人重要工作

本文从总体方案的确定，直线导轨选型，直线电机选型，框架横梁日勺设“，选材，控制

方案设计,mallab仿真等方面，对本小组设计二自由度平面伺服系统的成果进行汇报和展示。

本人在小组内重要担任总体方案确定，机械构造的I设计，电机、导轨选型等任务，也参与其

他各项设计，材料整顿工作。

2.系统总体方案设计

2.1总体方案确定

运动伺服系统物理平台的作用是安装并承载运动伺服机构；平台H勺构造布局重要在铅锤

平面内（Y-Z平面），由钢构造桁架和运动伺服机构两大部分组合而成。运动伺服系统分为

Y轴，Z轴分别规划。

Z轴：成品线性马达平台直线度好，集成度高，不过不满足重量规定。通过讨论，我们决定

仍采用中间搭置直线电机，两侧放置轻质导轨的方案。电机和导轨铺在碳纤维框架上以保证

平整度和刚度.

Y轴：Y轴运动机构宽度横跨Z轴，距离较大。多部直线电机控制难度过大高，难以保证同

步性，因此Y轴采用两恻布置直线导轨，中间放置直线马达平台H勺方式。直线马达和导轨

铺放在碳纤维Y轴“日”字框上。

为了防止爬行现象，将Z轴的梁两端向Y方向展长，成为“工”字形，在其四个顶点放置

Y轴滑轨滑块，从而大大克制沿X轴方向的转动。

采用高精度光栅尺进行位移的测量，以抵达测量精度规定。

控制系统采用上下位机形式。上位机决定运行参数和输出控制指令，将预期坐标交给下位机。

下位机实现PID算法，并将信号输出给电机驱动盒。系统运动位置由光栅尺采集，并回馈

给上位机，在上位机上显示两个运动轴的实际位置和其与最初指令设置位置间的误差。

系统总体构造示意图如图（1）所示。

图⑴

2.2直线导轨时选型及计算

初步确定导轨运行方案

直线滑轨采用HIWIN企业的直线导轨EG系列。EG系列使用四列钢珠承受负荷设计,

使其具有高刚性、高负荷的特性，同步具有四方向等负载特色、及自动调心的功能，可吸取

安袋面的袋配误差，得到高精度的需求；加上减少组合高度及缩短滑块长度，非常适合高速

自动化产业机械及空间规定的J小型设备使用。

导轨滑块构造如图(2)所示：

HIWINEG系列滑轨可以做到单滑轨多滑块布置,大大限制沿垂直工作台面轴向的扭

转旷最。由于我们在单方向上均采用2~4根滑轨，采用单滑轨双滑块的方式对这种扭转自由

度已起到足够口勺限制，因此方案确定采用尽量简朴的单滑轨双滑块式布局，以减禄装配，安

装孔定位时口勺困难。导轨滑块装配示意如图(3)：

图(3)

导轨参数的计算

综合考虑负载的J状况，我们选择HIW1N企业EG系列EGH15SA型导轨滑块组。参数

如下表：

导轨型号滑块质量(Kg)导轨单位质量(Kg/m)

EGH15SA0.091.25

由此对导轨滑块重量进行估算：

上层Z轴导轨估计长度不不不大于2.5m,两根滑轨滑块组总重：

M—(0.09Kgx2+1.25Kg/mx2.5m)x2-6.61Kg

下层Y轴导轨估计长度不不不大于3.5m,两根滑轨滑块组总重：

M=(0.09Kgx2+1.25Kg/mx3.5m)x2=9.11Kg

2.3直线电机的选型及参数计算

在选择直线电机时，关注H勺首要原因是直线电机能否满足系统所规定H勺速度及推力。直

线电机在启动阶段为恒推力状态，伴随速度增大，推力基本不变，并保持其最大值。当速度

抵抵达V后来，直线电机进入恒功率状态。这时速度如继续增大，则推力将减少，直至最

小值Fmin,此时直线电机的速度抵达最大速度Vmax。直线电机特性曲线如图(4)所示：

图(4)

设计规定Y、Z两轴上最大速度为2m/s,最大加速度为lOm/s2,载荷不超过5Kg,负

载安装台估计质量3.4Kg,由此计算Y、Z两轴电机所需最大推力如下:

Z轴:

Z轴沿竖直方向，电机口勺最大推力出目前负载克服重力向上移动并且抵达系统规定的最大加

速度状况下，由牛顿定律：

2

Fzmax=MaZmax=(3.4+5)Kgx20m/s=168N

由此电机选择为：HIWIN企业/、JLMS13同步线性马达持续推力Fc=210N,瞬间最大

推力Fp=360N。F-V特性如下图(5)所示：

25o

2OO

LMS13

推1^5o

力

N

1OO

—

50

IIII

0123456

速度(m/s)

图(5)

LMS13直线电机安装尺寸如图(6)所示:

2-M3xO.5Px6DP

图(6)

Y轴:

Y轴直线电机最大推力出FI前Z轴机构向左或向右抵达最大加速度的状况。Y轴直线电

机上所加负载重量包括：Z轴上一种直线电机，Z轴有效负载，负载平台，Z轴上两根导轨

和“工”字梁。“工”字梁初步估计重量l.5Kgo

由牛顿定律，计算Y轴电机所需最大输出力：

2

FYmax=MaYmax=(1.8+4.2x2.5+5+3.4+6.61+1.5)Kgx10m/s=288.1N

由此电机选择为：HIWIN企业H勺LMS27同步线性马达持续推力Fc=339N,瞬间最大推力

FP=679N,满足加速度规定。F-V特性如图(7)：

速度(m/sl

图(7)

LMS27同步线性马达安装尺寸如图(8)

2.4光栅尺选型:

光栅尺H勺不同样精度等级有其对应的应用最大长度。为了满足设计解析度规定和长度规

定，经查阅光栅尺选型手册，我们选择了“海德”企业生产的LSI76型光栅尺，其技术指

标如下表所示：

光栅尺型号最大测量长度最大运行速度工作温度精度

LSI763040mm2m/s

0~50°C±3um

LS176型光栅尺安装尺寸如图(9)所示:

图(9)

2.5框架横梁的设计

2.5.1Z轴纵梁设计

z轴纵梁设计规定：

(a)高强度和刚度一一Z轴纵梁连跨度超过2m,连接着Y轴和Z轴两个运动，承

载着两个方向日勺弯矩：

(1)延X轴口勺弯矩：

Y轴直线电机的推力;

Y轴导轨摩擦力;

Y轴负载惯性力矩；

（2）延Y轴的弯矩:

Y轴直线电机初级、次级间的电磁吸力；

Z轴直线电机重力矩；

Z轴导轨组件和负载重力矩；

Z轴负载惯性力矩。

（b）很轻的质量一一Z轴纵梁作为Y轴直线电机的重要负载之一，直接关系Y轴直

线电机的推力和Y轴运动口勺频响。

综合上述原因，我们确定Z轴纵梁采用碳纤维凯夫拉钛金箔合成型材。工艺上采用碳

纤维双向编织布加防弹纤维，为减少模具成本，采用成品碳纤维方形管模具，裹以多层碳纤

维双向编织布和钛金箔，最终整体再裹多次，高温成型。为了适应导轨安装，碳纤维凯夫拉

钛金箔合成型材经磨床加工抵达精度规定。构造上，碳纤维凯夫拉合成型材充足运用碳纤维

材料的各向异性和单向非常杰出口勺力学特性。钛金箔各向同性，厚度仅为0.0226mm。可以

很好地消除Z轴纵梁上的应力集中。碳纤维合成型材构造示意如图（10）：

图(10)

Z轴纵梁跨度超过两米，其两端延Y轴运动的同步性是一大设计难点，为减少控制难

度，增长可靠性并减少成本，本方案Y轴采用单直线电机驱动。但也许会引来导轨爬行问

题，本方案采用二种措施火防止爬行：

（1）通过增长Z轴纵梁与Y轴导轨滑块口勺连接刚度：HIWINEG系列滚珠直线导轨

采用单轨双滑块设计，每组两根，四个滑块，两根轨间距自由设计，有效地优化了轨上架设

的平台的运行特性，防止了爬行现象。

（2）在整个运动伺服机构中心高度处增长一组导轨，将Y轴直线电机铺设其上，从而

使Z轴纵梁因导轨摩擦和Z轴负载变化引起的变形大大减小。

（3）在梁日勺两端横向加宽，类似“工”字形，以此增长同一导轨上两个滑块间口勺距离，

减少由于滑块与导轨间旷景引起H勺沿X轴口勺转动旷量。Z轴梁的俯视效果如图（11）所示:

图（11）

2.5.2Y轴横梁设计：

Y轴横跨超过3m,同样需要很高的强度和刚度。同Z轴梁，Y轴梁也采用碳纤维凯夫

拉钛金箔合成型材。由Z轴梁设计提出的为处理爬行同题的第二点，在中间高度需要增长

一根横梁，形成“日”字形构造。我们把直线电机放在中间高度日勺梁上，紧贴在电机定子两

边对称布置两根直线导轨，限制电机H勺直线运动。在上、卜两根横梁上各布置一根直线导轨,

用以承载Z轴“工”字梁的四个顶点。俯视效果如图（12）所示:

图(12)

2.5.3负载安装座设计

为了减少Z轴直线电机负载质量，同Z轴纵梁，采用碳纤维凯夫拉钛金箔合成材料,

加工为碳纤维板。

2.6控制方案设计

2.6.1电机驱动方式

直线电机采用IGBT电压型逆变器供电，PWM调制，虽然是电压型逆变器，但直接受

控的是电流。在一般状况下，采用id=OH勺控制方略,使电磁推力与id具有线性关系。

2.6.2电机及负载的建模

由于伺服系统Y、Z两轴基本不存在耦合关系，因此可以将两轴分别作为控制而象。不

过这两个控制对象口勺信号流程是相似的，只是其中参数不同样，因此两者可以用同一种动态

构造图来体现。

由电机电压和电流关系，得到电部分传递函数：

KS)_%

k百小

由电流和推力关系，得到推力

Foc(KmXl)

由牛顿定律得到推力和位移的关系：

F=mx+Rx

Laplace变换为

X(S)11

------=-----------X-

F(S)mS+BS

当忽视导轨阻尼力后(B=0),简化为：

X(S)11_1

F(S)=mSXS=mS2

己选择的电机物理参数如下表:

电机型电枢电电枢电感马达常数动子质量定子质量

号阻

(La)(%)(Mf)(Ms)

F)(mH)(N«W)(Kg)(Kg/m)

(O)

LMSI33.43419.41.84.2

LMS276.26431.84.16.2

两部电机上负教U勺质量分别为:

Z轴:

mi=m负载+m电机动子+m负栽安装座=(5+1.8+3.4)Kg=10.2Kg

Y轴：

m2=mi+m上层定子+m上层导轨+.型梁+m下层动子

=(10.2+4.2X2.3+6,61+2+4.1)Kg=32.57Kg

2.6.3下位机控制流程设计

下位机采用PID构成的电流与速度双闭环控制。由此得到每个轴日勺动态构造图如图（13）

图(13)

片：位置输入值x0：位置输出值

Kv：位置环增益系数KPI：电流环比例放大系数

Ra：电机电枢电阻La：机电枢电感

m：作用在直线电机上的质量Km：马达常数

2.6.4上位机控制

上位机实现控制命令的输入，系统位置的时时读取，误差的计算与显示。并可以作数据

记录，图像保留等辅助操作。

上位机采用WindowsXP等32位操作系统，以提供友好的界面和以便的操作。

软件功能包括提供正弦波，三角波，方波日勺指令并显示指令曲线的功能，手动输入指令的功

能，分别显示Y、Z两轴向指令和位置反馈（即实际位置）功能，强制回中功能以及保留数

据和图像等等辅助功能。软件采用面向对象的程序设计措施，用C++语言编程。软件界面示

意如图（14）：

图(14)

2.6.5MATLAB仿真

将质量，电机参数等等带入模型中,用Simulink时出动态构造图如图（15）所示:

图(15)

通过调整P1D参数，Y、Z两轴阶跃响应和正弦响应均抵达令人满意欧)效果。其中

Z轴BODE图如图(16)所示:

BodeD»agram

From:mi

m

)p

■~-I

aG

)pSystem:Model

aVO:In1toOutl

esFrequency(Hz):2

fPhase(deg):-105

-10123

10