城軌塞拉門虛擬樣機(jī)建立方法研究

王亞?wèn)|，王祖進(jìn)

（南京康尼機(jī)電股份有限公司，江蘇 南京 210038）

城軌塞拉門虛擬樣機(jī)建立方法研究

王亞?wèn)|，王祖進(jìn)

（南京康尼機(jī)電股份有限公司，江蘇 南京 210038）

基于RecurDyn和Matlab/Simulink的機(jī)電聯(lián)合仿真分析功能，模擬了城軌塞拉門的開關(guān)門過(guò)程，提出了一種城軌塞拉門虛擬樣機(jī)建立方法。首先建立機(jī)械系統(tǒng)仿真模型，然后采用速度、電流雙閉環(huán)控制建立控制系統(tǒng)仿真模型，再將機(jī)械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)相結(jié)合建立機(jī)電聯(lián)合仿真模型。對(duì)仿真模型進(jìn)行仿真分析，將仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果對(duì)機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的仿真模型進(jìn)行修正。最后對(duì)塞拉門的部分亞健康工況進(jìn)行了仿真模擬，進(jìn)一步驗(yàn)證了機(jī)電聯(lián)合虛擬樣機(jī)的正確性。

塞拉門；虛擬樣機(jī)；機(jī)電聯(lián)合仿真；控制系統(tǒng)仿真；無(wú)刷直流電機(jī)

0 引言

傳統(tǒng)的軌道塞拉門設(shè)計(jì)常采用方法是先進(jìn)行門系統(tǒng)的需求分析，然后生產(chǎn)研制出樣機(jī)，然后再進(jìn)行門系統(tǒng)的工作運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，當(dāng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，需要修改設(shè)計(jì)，再加工樣機(jī)，再進(jìn)行樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，如此反復(fù)進(jìn)行，設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程周期長(zhǎng)、成本高。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的控制系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)[1-4]，是以控制理論為核心，加上成熟的三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和基于圖形的用戶界面技術(shù)，將分散的設(shè)計(jì)和分析技術(shù)集成在一起對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行虛擬性能測(cè)試的一種高新技術(shù)。它可以在很短時(shí)間內(nèi)完成多次物理樣機(jī)無(wú)法完成的仿真試驗(yàn)，分析不同的設(shè)計(jì)方案，直至獲得樣機(jī)模型整機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化方案。另外，還能夠進(jìn)行系統(tǒng)不同工況的試驗(yàn)，如不同溫度下的性能測(cè)試等。利用虛擬樣機(jī)技術(shù)不但可以降低開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期，而且可以極大地提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量[5-6]。

因此，本文采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，建立塞拉門的虛擬樣機(jī)仿真平臺(tái)，解決通過(guò)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)以及機(jī)械工程師和電氣工程師分開設(shè)計(jì)的缺陷，提供一種軌道交通車輛塞拉門虛擬樣機(jī)建立方法，真實(shí)地反映軌道車輛塞拉門的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，研究機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)間性能的相互影響，從機(jī)電一體化的角度解決機(jī)械工程師與控制工程師的設(shè)計(jì)協(xié)作問(wèn)題，使門系統(tǒng)設(shè)計(jì)在機(jī)械、電子與控制各方面達(dá)到良好匹配，為門系統(tǒng)的研發(fā)提供一套科學(xué)完整的方法，提高產(chǎn)品的研發(fā)速度。

1 建立機(jī)械系統(tǒng)仿真模型

1.1 建立三維裝配模型

在SolidWorks軟件環(huán)境下，對(duì)城軌塞拉門進(jìn)行三維建模和裝配，并將裝配模型轉(zhuǎn)換為 RecurDyn可導(dǎo)入的.x_t格式文件。城軌塞拉門主要由承載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、平衡輪組件、門扇、下擺臂組件、上滑道組件等組成，如圖1所示。承載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿，從而帶動(dòng)鎖閉組件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，鎖閉組件通過(guò)傳動(dòng)架、鉸鏈座、滑筒以及攜門架將驅(qū)動(dòng)力傳遞到門扇上，從而驅(qū)動(dòng)門扇實(shí)現(xiàn)開關(guān)門動(dòng)作。

圖1 城軌塞拉門三維裝配模型

1.2 運(yùn)動(dòng)關(guān)系設(shè)置

對(duì)仿真模型中各零部件間的約束副進(jìn)行設(shè)置[7-8]，主要零部件間的約束關(guān)系如表1所示。

1.3 接觸參數(shù)設(shè)置

對(duì)門系統(tǒng)中的接觸副進(jìn)行定義，具體包括：鎖閉組件和絲桿間的接觸、鎖閉組件內(nèi)的接觸、尼龍滾輪和上滑道間的接觸、擺臂滾輪和下導(dǎo)軌間的接觸、平衡輪和門扇上壓板間的接觸，接觸類型采用Geo Surface Contact，接觸參數(shù)設(shè)置如表2所示，其中K為接觸剛度、C為接觸阻尼、ud為動(dòng)摩擦系數(shù)、us為靜摩擦系數(shù)、d為最大穿透深度、e為剛度指數(shù)。

表1 主要零部件間的約束關(guān)系

表2 接觸副參數(shù)設(shè)置

2 建立控制系統(tǒng)仿真模型

2.1 建立電機(jī)仿真模型

在Matlab/Simulink軟件環(huán)境下，對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行建模，包括：電機(jī)本體建模、三相逆變器建模、換向邏輯控制建模、轉(zhuǎn)速控制建模等。其中采用永磁同步電機(jī)模塊來(lái)搭建直流無(wú)刷電機(jī)，選用直流電壓源，三相逆變器采用Universal Bridge模塊，換向邏輯控制模塊利用三個(gè)霍爾傳感器信號(hào)、PWM信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)組合解碼生成逆變橋開關(guān)器件的控制信號(hào)，整個(gè)控制系統(tǒng)采用PWM調(diào)速。

2.2 雙閉環(huán)控制

城軌塞拉門控制系統(tǒng)采用的是速度和電流雙閉環(huán)控制[9-11]，根據(jù)實(shí)際門控器的控制邏輯建立雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型，包括：內(nèi)環(huán)電流PI控制和外環(huán)速度PI控制，如圖2所示。

圖2 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)

3 建立機(jī)電聯(lián)合仿真模型

首先，在機(jī)械系統(tǒng)仿真模型中建立輸入與輸出，其中輸入為絲桿的轉(zhuǎn)速，輸出為門系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)開關(guān)門動(dòng)作所需的驅(qū)動(dòng)扭矩。建立M文件，設(shè)置采樣周期為1 ms。然后，運(yùn)行Matlab程序，將工作路徑設(shè)置為 M 文件和 RecurDyn機(jī)械模型的存儲(chǔ)目錄。在Matlab命令窗口中輸入M文件名，接著輸入rdlib，彈出包括RecurDyn Plant Block的Simulink窗口。打開一個(gè)新的 Simulink模型窗口，并把 RecurDyn Plant Block拖至該窗口。最后，定義控制系統(tǒng)框圖。

4 仿真分析及模型修正

4.1 開門仿真分析

設(shè)置采樣時(shí)間為5×10-7s，設(shè)置仿真時(shí)間為3s，對(duì)機(jī)電聯(lián)合仿真模型進(jìn)行仿真分析，得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線和電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流曲線。將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，如圖3和4所示。若電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)電流的誤差小于20%，說(shuō)明所建模型的準(zhǔn)確性及仿真分析的可行性；若兩者誤差大于20%，說(shuō)明所建模型與真實(shí)模型存在較大的誤差，調(diào)整模型參數(shù)，直至兩者誤差小于20%，至此，得到開門的虛擬樣機(jī)模型。

4.2 關(guān)門仿真分析

圖3 電機(jī)轉(zhuǎn)速的結(jié)果對(duì)比

圖4 電機(jī)電流的結(jié)果對(duì)比

設(shè)置采樣時(shí)間為5×10-7s，設(shè)置仿真時(shí)間為3s，對(duì)機(jī)電聯(lián)合仿真模型進(jìn)行仿真分析，得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線和電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流曲線。將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，如圖5和6所示。若電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)電流的誤差小于20%，說(shuō)明所建模型的準(zhǔn)確性及仿真分析的可行性；若兩者誤差大于20%，說(shuō)明所建模型與真實(shí)模型存在較大的誤差，調(diào)整模型參數(shù)，直至兩者誤差小于20%，至此，得到關(guān)門的虛擬樣機(jī)模型。

圖5 電機(jī)轉(zhuǎn)速的結(jié)果對(duì)比

圖6 電機(jī)電流的結(jié)果對(duì)比

4.3 模型修正

模型修正包括機(jī)械系統(tǒng)模型修正和控制系統(tǒng)模型修正。其中，機(jī)械系統(tǒng)模型修正主要是對(duì)部分運(yùn)動(dòng)位置的運(yùn)行阻力進(jìn)行了修正，使得門系統(tǒng)在開關(guān)門過(guò)程中的運(yùn)行阻力是變化的，這樣設(shè)置符合門系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行工況。控制系統(tǒng)模型修正主要是對(duì)各個(gè)運(yùn)動(dòng)階段的PI參數(shù)和限幅值進(jìn)行修正，使得電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流輸出與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加吻合，進(jìn)一步提高仿真模型的精度。

5 虛擬樣機(jī)驗(yàn)證

5.1 關(guān)門高速段局部阻力亞健康模擬

通過(guò)對(duì)正常開關(guān)門的局部施加壓力模擬真實(shí)情況中的開關(guān)門所受的局部壓力。首先，對(duì)關(guān)門高速段局部阻力進(jìn)行機(jī)電聯(lián)合仿真分析。設(shè)置采樣時(shí)間為 5×10-7s，設(shè)置仿真時(shí)間為 3s，對(duì)關(guān)門高速段局部阻力仿真模型進(jìn)行仿真分析，得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線和電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流曲線。將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，如圖7和8所示。根據(jù)仿真和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比，可以看出關(guān)門高速段局部阻力仿真模型具有很高的精度。

圖7 電機(jī)轉(zhuǎn)速的結(jié)果對(duì)比

圖8 電機(jī)電流的結(jié)果對(duì)比

5.2 開門高速段局部阻力亞健康模擬

對(duì)開門高速段局部阻力進(jìn)行機(jī)電聯(lián)合仿真分析。設(shè)置采樣時(shí)間為5×10-7s，設(shè)置仿真時(shí)間為3s，對(duì)開門高速段局部阻力仿真模型進(jìn)行仿真分析，得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線和電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流曲線。將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，如圖9和10所示。根據(jù)仿真和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比，可以看出開門高速段局部阻力仿真模型具有很高的精度。

圖9 電機(jī)轉(zhuǎn)速的結(jié)果對(duì)比

圖10 電機(jī)電流的結(jié)果對(duì)比

6 結(jié)論

基于RecurDyn和Matlab/Simulink的機(jī)電聯(lián)合仿真功能，提出了一種城軌塞拉門機(jī)電聯(lián)合虛擬樣機(jī)建立方法。對(duì)整個(gè)門系統(tǒng)的開關(guān)門過(guò)程進(jìn)行了機(jī)電聯(lián)合仿真，得到了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速和驅(qū)動(dòng)電流，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果對(duì)機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的模型參數(shù)進(jìn)行了修正，并通過(guò)故障模擬和亞健康工況模擬對(duì)虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，最終得到了高精度的機(jī)電聯(lián)合虛擬樣機(jī)模型。文中方法避免了傳統(tǒng)分析方法需要在實(shí)際樣機(jī)完成后才能進(jìn)行的缺點(diǎn)，直接通過(guò)計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境就可以定量、準(zhǔn)確分析門系統(tǒng)的性能，可大大降低開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。該方法還可以推廣應(yīng)用到其他類似的復(fù)雜控制系統(tǒng)的仿真分析中，實(shí)現(xiàn)快速、高質(zhì)量、低成本的設(shè)計(jì)目標(biāo)，具有很高的參考價(jià)值。

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Research on the Establishment Method of the Virtual Prototype of the City Track Sliding Plug Door

WANG Ya-dong, WANG Zu-jin
(Nanjing Kangni Mechanical&Electrical Co., Ltd, Nanjing 210038, China)

Based on the electromechanical co-simulation function of RecurDyn and Simulink, the opening and closing process of the sliding plug door was simulated, and an establishment method of the virtual prototype was proposed. Firstly, the simulation model of the mechanical system was established, then the speed and current double closed-loop control was used to simulate the control system. The mechanical system was combined with the control system to establish the electromechanical co-simulation model, then the co-simulation model was simulated and analyzed, and the simulation results were compared with the experimental results. According to the comparison results, the simulation models of the mechanical system and control system were modified. Finally, the simulation of the partial sub-health conditions of the sliding plug door were carried out, which further verified the correctness of the electro-mechanical integration virtual prototype.

Sliding plug door; Virtual prototype; Electromechanical co-simulation; Control system simulation;DC brushless motor

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.12.059

本文著錄格式：王亞?wèn)|，王祖進(jìn). 城軌塞拉門虛擬樣機(jī)建立方法研究[J]. 軟件，2017，38（12）：291-295