驱动系统设计计算报告
2019年11月
1. 六自由度平台电机的选型计算
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：
? 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
? 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 ? 平台停机高度2.216m
? 平台处于最低位置时，电动缸与地面夹角47.9° ? 运动平台厚度0.4m ? 电动缸行程0.94m
七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，如下所示：
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轴的转动定义为俯仰φ，将绕Y轴的转动定义为侧倾θ，将绕Z轴的转动定义为航向ψ，如上图所示。
七自由度平台最大线位移和最大角位移的计算机仿真分析
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：
? 纵向：-0.83m，0.73m ? 横向：±6.71m ? 垂向：-0.52m，0.565m ? 俯仰：-26.074°，27.118° ? 侧倾：±26.958° ? 横摆：±35.9°
运动平台是一套并联机构，标准的运动平台由机构的固有特点决定了纵向、横向、垂向三个线运动自由度中垂向运动的位移量是最小的。若要达到垂向位移±0.78m，则纵向、横向位移可达±1.1m以上，电动缸的行程需1.4m以上（本方案电动缸行程仅需0.94m）。
最主要的原因是，根据我们多年生产用于坦克驾驶模拟器、装甲车驾驶模拟器、汽车驾驶模拟器和大型特种车驾驶模拟器的运动系统的经验，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。
所需电动缸推(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：
? 电动缸峰值缸速为0.797m/s ? 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，该仿真结果与产品最终性能高度吻合。
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
? 缸筒外径：约180mm ? 电动缸杆径：约85mm ? 行程：950mm ? 丝杠导程：16mm
? 能承受的最大推力：60000N ? 传动效率：90% （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： ? 额定扭矩：135.94Nm ? 峰值扭矩：210Nm ? 额定转速：3000rpm ? 最高转速：3600rpm ? 额定功率：42kW ? 转自惯量：0.009kgm2 ? 旋转编码器精度：1024线/转 ? 绝缘等级：F级 ? 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： ? 输出电流70A
? 控制方式：正弦波PWM控制具有速度环、力矩环闭环控制 ? 供电方式：三相380V供电
? 保护方式：具有过载、过热、速度、加速度超限保护
? 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。
? 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。 ? 电流环可以适配电机的特性，带有补偿和相移纠正程序。
? 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。
? 功率自动优化算法可以在电机转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。
? 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下所示：
六自由度平台电机的选型计算
