(19)国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202111389682.6 (22)申请日 2021.11.22 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 114239158 A (43)申请公布日 2022.03.25 (73)专利权人 西北工业大 学 地址 710072 陕西省西安市友谊西路127号 (72)发明人 周勇　蒋沁妤　马尚君　 (74)专利代理 机构 西安凯多 思知识产权代理事 务所(普通 合伙) 61290 专利代理师 刘新琼 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06T 17/00(2006.01)G06F 111/04(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/14(2020.01) 审查员 沈晴 (54)发明名称 一种基于多平台联合仿真的多级电动缸起 竖装置建模方法 (57)摘要 本发明提供了一种基于多平台联合仿真的 多级电动缸起竖装置建模 方法， 建立永磁同步电 机、 三级行星滚柱丝杠、 多级电动缸的AMESim模 型， 在AMESim  SKETCH模式下进行连接形成多级 电动缸模型， 在JMAG ‑Express完成内置式永磁同 步电机设计， 根据实际负载情况， 建立三级行星 滚柱丝杠三维模型； 在A MESim中建立多级电动缸 电流、 转速、 位移三闭环控制模型， 验证多平台联 合仿真建模方法能准确表征多级电动缸起竖装 置系统的动态特性和运动精度， 并预测该装置的 起竖时间。 本发 明综合考虑 永磁同步电机结构非 线性、 三级行星滚柱丝杠机械部件动态特性、 起 竖负载动态特性以及三环反馈调节， 在目前机电 起竖系统的简单建模基础上， 进行多物理场的集 成分析， 精确建立多 级电动缸起竖装置模型。 权利要求书4页 说明书11页 附图3页 CN 114239158 B 2022.09.27 CN 114239158 B 1.一种基于多平台联合仿真的多级电动缸起竖装置建模方法， 其特征在于包括下述步 骤： 步骤一， 首先建立永磁同步电机、 三级行星滚柱丝杠、 多级电动缸的AMESim模型， 在 AMESim SKETCH模式下添加永磁同步电机、 减速器和丝杠模块， 永磁同步电机通过减速器连 接三级行星滚柱丝杠， 三级行星滚柱丝杠连接负载函数， 在AMESim  SKETCH模式下进行连接 形成多级电动缸模型； 步骤二， 在JMAG ‑Express完成4对极54槽的内置式永磁同步电机设计， 输入电机的最大 转矩限制、 最大电流限制、 额定转速、 极对数、 驱动电压， 设定材料属性与定子绕线方式， 自 动生成2D电机模型； 将2D电机模型导入JMAG ‑Designer中， 对2D电机模型划分网格， 设置驱 动电路电流幅值大小、 频率及相位角， 计算出电机在不供电时的齿槽转矩和 额定电流下 的 稳态转矩， 将JMAG ‑Express中2D电机模型的二维网格数据输入到JMAG ‑RT中， 计算包含额定 电流和最大电流的多组电流值、 全相位角的dq轴电磁转矩、 电感和磁链， 生成可用于联合仿 真的有限元电机模 型.rtt文件； 将.rtt文件与步骤一中AMESim建立的多级电动缸模 型进行 联合仿真， 在AMESim的SUBMODEL模式下选择步骤一中的永磁同步电机模块， 将有限元电机 模型.rtt文件导入 模块设置中， 形成AM ESim‑JMAG‑RT模型； 步骤三， 根据实际负载情况， 建立 三级行星滚柱丝杠三维模型； 根据起竖的实 际情况计算负载函数， 根据车体和多级电动缸的相对安装位置， 建立起 竖负载函数， 在ΔAOB和ΔAOC中根据三角函数有： 其中， θ为起竖角度， A为多级电动缸丝杠无伸缩状态时原点， B为电动缸丝杠端与起竖 负载连接点， C为起竖角度为θ后电动缸丝杠端与起竖负载连接点， X为多级电动缸伸出量， O 为起竖负载转动点； 三级行星滚柱丝杠通过一级主丝杠转动带动 一级螺母平动， 同时一级螺母推动 二级行 星滚柱丝杠整体轴向运动， 一级主丝杠还通过右端六角形型面连接带动二级空心丝杠转 动， 二级空心丝杠在型面的周向带动下与一级主丝杠同轴转动， 并且 带动二级螺母平动， 二 级螺母推动三级行星滚柱丝杠整体轴向运动， 并且通过型面带动三级空心丝杠同轴转动； 在Solidwor ks中扫描切除特征， 扫描路径 为螺旋线， 扫描切除的轮廓即螺纹牙型， 绘制在与 螺旋线垂直的基准面上； 一级螺母与二级空心丝杠通过推力轴承连接， 二级螺母与三级空 心丝杠也 通过推力轴承连接， 将建立的三级滚柱丝杠三维模型导入至ADAMS； 在ADAMS中对三级滚柱丝杠添加驱动和丝杠端负载， 在ADAMS ‑Modify Force设置负载 力和仿真时间； 完成动力学仿真分析后在AMESim ‑JMAG‑RT模型中进行联合仿真， 在AMESim 中创建联合仿 真接口， 选择AdamsCosim联合仿真类型， 修改基础 模型连接接口为转速 ‑力矩 接口， 设置采样频率， 并编译文件生成.dll文件； 接着在ADAMS中完成多级电动缸伸出量和 一级丝杠驱动转矩两个系统变量创建、 参数输入输出矩阵创建、 一级主丝杠驱动转速传入权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 114239158 B 2参数赋值、 三级推力套筒点力 传入参数赋值， 设置 GSE方程， 并编写仿真脚本， 选择在AMESim 中模型编译生成的.dll文件作为外部求解器； 最后在ADAMS中运行脚本仿真形成AMESim ‑ JMAG‑ADAMS模型； 步骤四， 在AMESim中建立多级电动缸电流、 转速、 位移三闭环控制模型， 将步骤二中设 计的永磁同步电机模块作为多级电动缸系统的驱动部分， 将步骤三中设计的三级 行星滚柱 丝杠模块作为多级电动缸系统的执行机构， 三闭环控制中电流环采用最大转矩电流比控 制， 转速环与位置环采用模糊PID算法进行控制， 给定起竖角度， 得到多级电动缸起竖系统 的起竖时间， 验证多平台联合仿真建模方法能准确表征多级电动缸起竖装置系统的动态特 性和运动精度， 并预测该装置的起竖时间。 2.根据权利要求1所述的基于多平台联合仿真的多级电动缸起竖装置建模方法， 其特 征在于： 所述步骤一中， 三级行星滚柱丝杠传动时， 一级主丝杠转动带动一级螺母平动， 同时一 级螺母推动二级 行星滚柱丝杠整体轴向运动， 一级主丝杠通过右端六角形型面连接带动二 级空心丝杠转动， 二级空心丝杠在型面的周向带动下与一级主丝杠同轴转动， 并且带动二 级螺母平动； 相同的， 二级螺母推动三级 行星滚柱丝杠整体轴向运动， 并且通过型面带动三 级空心丝杠同轴转动， 最终实现速度和力的传递； 三级行星滚柱丝杠中各级丝杠以相同的 角速度同时转动， 三级行星滚柱丝杠导程为各级丝杠的导程代数和， 三级行星滚柱丝杠的 导程计算式为： Ph＝Ph1+Ph2+Ph3＝ns1p1+ns2p2+ns3p3 其中， Ph为三级行星滚柱丝杠总导程， Ph1、 Ph2、 Ph3分别为一级、 二级、 三级主丝杠导程， ns1、 ns2、 ns3分别为一级、 二级、 三级主丝杠头数， p1、 p2、 p3分别为一级、 二级、 三级主丝杠螺 距； 三级行星滚柱丝杠的行程计算式为： ls＝ls1+ls2+ls3 其中， ls为三级行星滚柱丝杠的总行程， ls1、 ls2、 ls3分别为一级、 二级、 三级 主丝杠行程。 3.根据权利要求1所述的基于多平台联合仿真的多级电动缸起竖装置建模方法， 其特 征在于： 所述步骤二中， 根据起竖实 际需要最大推力得出电机所需的功率、 起竖过程中电机的 额定电磁转矩和初始起竖阶段过载情况下的峰值转矩， 在JMAG ‑Express中设计一个4对极 54槽的内置式永磁同步电机， 将电机的Express模型导入JMAG ‑Designer中划分网格， 设置 驱动电路电流幅值大小、 频率及相位角， 进行瞬态计算得出电机的不供电时的齿槽转矩和 额定电流下的稳态转矩； 将JMAG ‑Designer计算出二维网格数据结果输入到JMAG ‑RT中， 计 算包含额定电流和最大电流的多组电流值、 全相位角的dq轴电磁转矩、 电感和磁链， 导出用 于联合仿真的有限元电机模型； 用有限元电机模型替换AMESim中的电机模型， 与步骤一中 在AMESim建立的多 级电动缸系统模型 联合仿真， 形成AM ESim‑JMAG‑RT模型。 4.根据权利要求1所述的基于多平台联合仿真的多级电动缸起竖装置建模方法， 其特 征在于： 所述步骤三中， 根据三级行星滚柱丝杠的强度约束条件， 确定各级丝杠直径大小、 各级 螺母长度和直径； 根据起竖运动过程中最大出力要求与产品手册开展丝杠直径选择工作；权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 114239158 B 3