车载动中通电机选型问题研究.pdf

中文科技期刊数据库（文摘版）工程技术 1 车载动中通电机选型问题研究 李 熙 中国电科网络通信研究院，河北 石家庄 050081 摘要：摘要：车载动中通在车辆行驶过程中承受较大的冲击，电机作为传动链的核心部件，其选型对车载动中通伺服系统的性能至关重要。通过分析动中通在工作中承受的载荷，得到了电机初选的功率范围和传动链的最佳传动比；在保证电机驱动能力满足使用要求的前提下，分析了电机和负载的匹配问题。该方法详细地介绍了电机的选型流程和注意事项，对车载动中通伺服系统的设计具有重要的指导意义。关键词：关键词：车载动中通；电机选型；最佳传动比 中图分类号：中图分类号：U463.6 动中通是一种基于运动载体（车辆、船舶、飞机等）的卫星通信系统，通过不断调整自身姿态，克服因载体运动而引起的指向误差，实时跟踪卫星，实现运动中不间断通信。按载体的不同，动中通分为船载动中通、机载动中通和车载动中通。由于车辆在行驶过程中受到道路平坦度和曲折度的影响较大，所以对车载动中通的性能要求更加苛刻。车载动中通必须满足快速、灵活、稳定、可靠的特性。天线座系统的功能除了支撑天线和安装馈线外，还需要根据伺服运动要求来驱动天线，进而保证天线的指向精度1。驱动电机作为天线伺服驱动系统的核心部件，其选型合理与否直接关系到天线动态和静态性能的优劣，进而在很大程度上决定了整机的性能指标。本文将从车载动中通天线系统跟踪卫星时，电机所承受的负载出发，除了保证电机的驱动能力满足要求外，还分析电机与负载的匹配问题，进而确定电机的型号和传动链的总传动比。1 载荷计算 作用在动中通天线上的载荷主要有：惯性载荷、摩擦载荷和重力不平衡载荷2。1.1 惯性载荷 惯性载荷计算公式为：（1）其中，m为负载的最大转动角加速度；JZ为负载的转动惯量。1.2 摩擦载荷 动中通的摩擦载荷主要来自滚动轴承上的摩擦力矩 MC，其可视为两部分组成：粘滞项 M0和载荷项 M13，即：（2）粘滞项的计算公式为：当 vn2000 时 （3）当 vn2000 时 （4）载荷项的计算公式为：（5）其中，n 为轴承转速；v 运动粘度；Dm为轴承平均直径；f0为与轴承类型和润滑方式有关的系数；f1为与轴承类型和载荷有关的系数；F1为轴承载荷。1.3 重力不平衡载荷 最大重力不平衡力矩计算公式为：（6）其中，m 为负载的重量；g 为重力加速度；dz为负载重心到转轴的距离。2 电机选择 假设驱动电机转子转动惯量为 Jd、减速装置的速比为 i，效率 1。当驱动电机经减速装置带动负载作等加速 m运动时，电机轴上承受的负载力矩为：（7）mZGJM100010MMMC 33207010mDvnfM307010160mDfMmDFfM111zZmgdMmZdZCiiJJiMiMM2中文科技期刊数据库（文摘版）工程技术 2 减速装置选取适当的速比 i，可使电机轴上总的负载力矩最小，因此，对 M求 i 的一阶导数，并令其等于 0 得最佳传动比 io为：（8）将总的合成力矩由电机折算到负载轴上有：（9）将式（7）和（8）带入式（9）得：（10）由式（10）可知，折算到电机轴上的总负载力矩最小时确定的传动比，驱动电机转子的惯性转矩折算到负载轴上时，正好等于负载本身的力矩，因此初选驱动电机的额定功率满足下式即可4：（11）其中，max为负载的最大转动角速度。3 最佳传动比的计算 根据负载要求的最大转动角速度，可以初步确定传动比：（12）其中，ne为电机的额定转速。a 为转速系数。在工程实际中，通常针对不同工况需求可有确定不同的总传动比，比如对长期连续地在变载荷下工作的系统，可按“折算负载均方根力矩最小”的最佳总传动比来选取；对短期工作而峰值要求又较严的系统，可按“折算负载峰值力矩最小”的最佳总传动比来选取；对加速性能要求较高的系统，可按“输出角速度最大”的最佳总传动比来选取4。3.1“折算负载峰值力矩最小”的最佳传动比 io1 式（7）到（10）的求解过程中，均未考虑减速装置的效率 和减速装置折算到电机轴上的转动惯量 Jp，如果将 和 Jp考虑进去，则等加速运动时，“折算负载峰值力矩最小”的最佳传动比 io1为：（13）其中，Jp为减速装置折算到电机轴上的转动惯量，做粗略估算时，Jp (0.10.3)Jd 4。3.2“折算负载均方根力矩最小”的最佳传动比io2 折算到电机轴上的负载均方根力矩为：（14）等式两边对 i 求导，并令其为 0，得“折算负载均方根力矩最小”的最佳传动比 io2为：（15）3.3“输出角加速度最大”的最佳速比 io3 把系统的输出角加速度 看成未知数，由力矩方程得：（16）得角加速度的表达式为：（17）等式两边对 i 求导，并令其为 0，得“输出角加速度最大”的最佳速比 io3为：（18）3.4“惯量匹配”的最佳传动比 io4 传动链的驱动电机通过采用减速装置，使折算到电机轴上的负载惯量与电机的惯量相匹配，在忽略减速装置所增加的惯量和效率损失的前提下，系统就能实现最佳的功率传输，负载将得到最大的加速度，这就是惯量匹配的含义5,6。在式（13）、（15）和（18）中，假设减速装置的效率为=1，忽略负载轴上的负载力矩，以及减速装置的惯量后，均可得到：（19）式（19）为惯量匹配需要的总传动比。在传动系统传动链的设计过程中，由于减速装置本身的惯量、减速装置的低效、电机最高转速的限制、mdmZZCoJJMMiMiM0mZZCJMMM2max23180JMMPmZZCe.max30naiempdmZCoJJJMMiZ1222Z2mZPdCmiiJJJiMiMM422222mpdmZZCoJJJMMiiiJJJiMiMMZpdZCe2ZPdZCeJJJiMMMi2PdZeZCeZCoJJJMMMMMMi2223dZoJJi4中文科技期刊数据库（文摘版）工程技术 3 结构空间的限制，以及成本等因素的影响，减速装置的选择不是按照最佳减速比来确定的，惯量比在一定范围内，确保系统快速响应同时能稳定运行即可。对于车载动中通惯量比常选取 35。4 总传动比的确定 上文所述最佳传动比都是针对某一性能指标来说才是“最佳”，总传动比的确定还需综合考虑各种因素。电机选定以后，就可以绘制出电机的输出转矩与传动比的特性曲线，同时将折算到电机轴上的负载力矩曲线绘制在同一张图上，为使电机能够驱动负载，两条曲线必须相交，否则需重选电机。原则上总传动比在两个交点对应的传动比之间选取都可驱动负载，实际选取时还受一些条件限制，如电机克服峰值力矩时不超过允许的过载转矩，电机额定转速下满足负载的转速要求等，因此总传动比的选择往往会偏离最佳值。5 电机校核 电机和总传动比初步确定后，需要进行多方面的核算，来验证电机能否满足动、静态要求。通常需要验算的有以下几点。5.1 验算电机的发热和温升 变动载荷下负载的均方根力矩 M m 是与电机处于连续工作时的发热条件相对应的，因此电机的发热和温升校核采用下式进行验算4：（20）电机额定功率不满足式（20）需要重选电机。5.2 验算电机的短时过载能力 对于车载动中通来说，时常会遭受冲击扰动，因此常有大失调角快速协调的需求。系统所能达到的极限角速度 k和极限角加速度 k越大，对系统实现大失调角快速协调越有利。k由电机的短时过载能力决定，电机的短时过载力矩通常用 Me表示，为过载系数，由厂家提供。电机短时过载能力采用下式进行验算：（21）折算到电机轴上的负载峰值力矩，应不超过电机的短时过载力矩 Me，否则需重选电机。5.3 验算电机能否满足系统通频带要求 电机是否满足系统的通频带要求，采用下式进行检验4：（22）其中，em 为系统最大跟踪误差；e 为系统开环幅频特性的穿越频率，采用下式进行估算：（23）其中，Ts 为阶跃输入信号的过渡过程时间。初选出的电机，只有经过以上几方面的检验都满足条件才算符合要求，其中之一不能满足时，都需要重选电机。上文给出了车载动中通电机的选型过程，通过上述流程可以确定电机的型号与传动链的总传动比。下面将以某项目中 0.9 米车载动中通方位传动链电机选型为例，说明具体操作过程。6 某项目 0.9 米车载动中通方位传动链电机的选型 6.1 载荷计算 xzy 图 1 某项目 0.9 米车载动中通方位组件 图 1 所示是某项目中 0.9 米车载动中通的方位组件，作用在传动链上的载荷主要有惯性载荷和摩擦载荷，由于重力不平衡力矩的力臂较短，故将其忽略。根 据 设 计 要 求 该 组 件 最 大 转 动 角 加 速 度 为m=10.5rad/s2，由 Pro/E 三维软件得其绕方位轴的转动惯量为 JZ=7.01kgm2，则惯性载荷为：222Z2mZPdCmeiiJJJiMiMMMkZpdZCeiiJJJiMMM2eZpdmZCeiJJJieiMMM412.seT106中文科技期刊数据库（文摘版）工程技术 4 （24）方位轴的摩擦载荷主要来转盘轴承上的摩擦力矩。根据设计要求可知方位轴承的转速为 n=10.5rad/s。方位轴承采用 7012 低温润滑脂进行润滑，由于方位轴承转速较低，故 vn2000，轴承摩擦力矩粘滞项的计算公式为：（25）其中，轴承类型为角接触球轴承，润滑方式为脂润滑，故 f0=2；Dm=243mm。轴承摩擦力矩载荷项 M1为：（26）其中，轴承的额定载荷 C0=165000N，轴承承受的轴向力 Fa=823.4N，轴承的径向载荷 Fr=0N，轴承的当量静负荷 P0=Fa=823.4N。因此，方位轴承的摩擦力矩为：（27）6.2 电机选择 根据 设 计要 求 方位 轴 的 最大 转 动 角 速 度为max=1.05rad/s，将参数带入式（11）得方位电机的功率为：（28）选取北成新控 200W 直流伺服电机，其额定功率We=200W，额定扭矩Me=0.64 Nm，额定转速ne=3000rpm。6.3 最佳传动比的计算 若电机在额定转速下即可使方位轴满足转速要求，减速装置的传动比为 i=299。根据最佳传动比计算公式得：io1=481，io2=479，io3=480，io4=492。6.4 总传动比的确定 由电机参数绘制电机的转矩特性曲线 Mmi。电机空载最大转速为：（29）则最大转速对应的传动比为：（30）得空载点为：（31）i=299 为额定转速对应的传动比，得额定点为：（32）由式（31）和（32）可得电机转矩特性曲线 Mmi，如图 2 所示。负载峰值力矩折算到电机轴上总负载为：（33）根据式（33）绘制负载峰值力矩特性曲线 M-i，如图 2 所示。电机转矩特性曲线 Mmi 和负载峰值力矩特性曲线 M-i 两 交 点 确 定 的 总 传 动 比 取 值 范 围 为iA,iB=27,505。若在电机小于额定转矩时就可带动负载，则在图2 中绘制电机的额定输出转矩曲线M=Me，此时总传动比的取值范围变为：iC,iB=50,505；若要求电机额定转速下就可满足方位最大转速要求，总传动比的取值范围变为：iC,i=50,299。010020030040050060000.20.40.60.811.2 i M(N.m)M=MeM=MeMmiMmiM iM iiCiCiBiBiAiA 图2 电机转矩特性Mm-i和折算负载峰值力矩特性曲线M-i 最后确定方位的总传动比为：i=290，此时考虑减速装置的传动效率和减速装置折算到电机的转动惯量 JP，得方位传动链的惯量比为 3.85。6.5 电机校核 电机发热和温升需满足式（20），带入参数得mN4173.mZGJMmmN17459101603070.mDfMmmN33630.44100130r33000111.mamDF-FCpDFfMmN520100010.MMMC201.8W124.2W23180maxJMMPmZZCe.rpm64860eeKU564630max00.ait0564600，.，ti640299.，eMiiiiiJJJiMMmZPdC4-2109638530.中文科技期刊数据库（文摘版）工程技术 5 Me=0.43Nm 满足使用要求；电机短时过载能力需满足式（21），带入参数得：Me=1.97Nm0.43Nm 满足使用要求。电机若满足系统的通频带要求需满足式（22），带入参数得：（34）满足使用要求。其中，e=40 Hz；em取值为 1/5半功率波束宽度。对于该 0.9 米动中通适用于 Ka 波段信号的接收和发射，半功率波束宽度计算公式为：（35）其中，D=0.9m；f 为 Ka 波段频率，取 f=20.4GHz。则系统最大跟踪误差为：em=4.010-3 rad。7 结论 本文详细归纳总结了车载动中通系统电机选型的注意事项，以及传动装置总传动的确定，并以某项目中 0.9 米车载动中通方位传动链为例，使用该流程进行了电机的选型，在实际应用该电机驱动的整条传动链表现出优良的伺服性能，验证了其合理性。该方法也可为其他车载动中通系统电机的选型作参考。参考文献 1杨钊.某雷达天线座结构分析与设计D.成都:电子科技大学,2013.2龚振邦,陈守春.伺服机械传动装置M.北京:国防工业出版社,1980.3成大先.机械设计手册(第六版)第2卷M.北京:化学工业出版社,2020.4张莉松,胡祐德,徐立新.伺服系统原理与设计M.北京:北京理工大学出版社,2006.5王军锋,唐宏.伺服电机选型的原则和注意事项J.装备制造技术,2009.11:129-131.6肖潇,杨金堂,全芳成,等.伺服电机的选型原则与计算J.机床与液压,2014.42(22):46-49.作者简介：作者简介：李熙（1987），男，博士研究生，工程师，主要研究方向为天线结构设计。Hz5641Hz1082eZpdmCeiJJJieiMM.1412150.Df