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2022年11月02日

无刷直流伺服电动机驱动模拟赛车

在一级方程式赛车的世界里,所有零部件都必须满足很高的质量要求和功率性能要求。因此,英国的Ball Racing Developments有限公司(以下简称BRD公司)在其一级方程式模拟赛车(图1)中采用了Danaher Motion公司设计的Kollmorgen和Thomson技术方案。在BRD公司专业技术的基础上,此一更与奇瑞汽车、北京长城华冠等车企共同设计开发新能源全铝纯电动车级方程式模拟赛车项目在真实模拟赛车驾驶状态方面起到了非常重要的作用,从而能很好地培养一级方程式赛车的驾驶员。

在一级方程式赛车项目开始初期,BRD公司就了解到市场中没有能够精确模拟一级方程式赛车的驱动系统。经过了多年潜心研究,通过与不同驱动系统供应商之间的合作后,BRD公司开始了模仿一级方程式赛车运动的系统研发。此项目中最引人注意的是一级方程式赛车在高速行进时出现的很高的外力。

图1 此一级方程式模拟赛车中的无刷直流伺服电动机负责模拟真实的加速运动

无刷伺服电动机满足了任务要求

新一代的特殊驱动系统的样机于2007年11月就已生产出来,被安装到Macau的一个游乐场中,为游客提供与一级方程式赛车有着极高相似性的模拟赛车。BRD公司对当时的供应商的供货时间计划和设备功率及性能都不太满意。因为模拟技术企业总是希望设备的结构更加紧凑,动力更加强大。公司在经过替代方案的寻找和分析后,最终选择了Danaher Motion公司的无刷直流伺服电动机AKM-7和AKM-6。

图2 新一代的赛车模拟平台采用了Kollmorgen-S700直流伺服驱动系统,

能够实现基于以太技术的Ethercat和Synqnet通信技术的支持

被选中的Kollmorgen-AKM电动机的输出扭矩为0.16~53Nm,转速为8000 r/min,结构紧凑,体积小巧,可以在很小的安装空间里得到尽可能大的动力。这一点对于BRD公司来讲是非常重要的,因为每减少1kg的重量都能在提高功率性能和缩短反应时间方面带来好处。AKM直流伺服电动机的体积只有原来使用的电动机的1/2。

此新型V型模拟赛车需要为每一个运动方向和运动坐标轴配备单独的驱动装置。因此,一个AKM-7电动机负责垂直方向的运动(向前和向后的加速运动),而水平将试件夹装在夹头内方向的运动(侧向移动)以及侧滑偏转(围绕垂直轴旋转)则由AKM-6电动机控制。在所有的模拟赛车中,只有BRD公司研发生产的模拟赛车具有模拟侧滑旋转的功能。这一侧滑模拟是通过前后旋转位置中间回转中心的移动来实现的。

截至目前为止,每个电动机都由一个Kollmorgen AC伺服驱动装置S 6000控制。其带有数字式伺服放大器,适于完成复杂的驱动任务。基于利用以太通信数量越来越多的事实,如越来越多地使用Ethercat和Synqnet,新一代的一级方程式赛车模拟平台将采用新的S700-AC伺服驱动(图2)。Danaher Motion公司以其S700集成了以太通信功能的在单位生产能耗方面新产品,保障了未来市场的发展。借助于S700集成的接口,就无需再使用附加的扩展卡来实现兼容了。

另外两个赛车模拟设备已被销往新加坡。这两个赛车模拟装置将在一级方程式赛车大奖赛的宣传广告中发挥重要作用。生产这两辆赛车的时间进度是非常重要的。因此,模拟赛车选用滚珠丝杠和线性导轨系统是非常有意义的:供货期可以提前,且安装也更加简单。

据BRD公司介绍,市场中运动扩展的相关产品“多如牛毛”,使人摸不着头脑。而Danaher Motion公司的产品则消除了这种杂乱无章的感觉。这一点在BRD公司的两套V赛车模拟平台订单中得到了证实:从签订合同、设计开始到完成安装只用了10周时间。

赛车模拟平台上安装了一级方程式赛车的模型,赛车模型的运动是在Danaher Motion公司3个Thomson丝杠的驱动下完成的。出于互换性的原因,3个丝杠的长度是统一的,都是1.2m。

这种Thomson滚珠丝杠组件由一个滚动丝杠、一个带有内沟槽的滚珠螺母(外沟槽)和精制钢球组成,精制钢球可以在丝杠和螺母间的沟槽中运动。由于这种滚珠丝杠没有摩擦,传动效率很高,因此,扭矩可以有效地转换成推进力,可保证丝杠旋转的同时模拟平台的其他部件仍做线性运动。BRD公司使用的这种Thomson滚珠丝杠的最大特点是其具有很大的螺距。在模拟地球的重力加速度时,要实现大约10m/s2的加速度,大螺距是非常重要的因素。

图3 500系列的Thomson线性导轨有足够的强度和刚性,

镍管

能够承受一级方程式赛车模拟平台加速力的作用

沿丝杠轴的纵向,有一套由一组500系列的Thomson成型导轨构成的线性运动系统(图3)。其满足了DIN 标准的要求,具有很高的承载能力和刚性,能够承受一级方程式模拟赛车产生的加速力。为了能够抵抗新加坡的潮湿环境,线性运动系统都有镀铬防护层。

在完成这两套运动控制平台的机械安装后,即将其与BRD公司研发生产的视听系统连接在一起。为了真实再现比赛的实况,对新加坡赛段的路程进行了检测,并建立了相应的数字模型。BRD公司研发的软件Netkarpro可作为新加坡赛段共享软件从站中下载。这样,每一个一级方程式赛车的爱好者都可以针对这一非常艰难的赛段进行练习,提高新加坡赛段比赛的观赏性。爱好者甚至可以在上开设一个排名表,检测其跑一圈的时间是多少,并比较与其他人的差距。

接近真实运动状况的赛车颜料填料模拟

BRD公司生产的这两个一级方程式赛车模拟装置于2008年4月交付新加坡大奖赛赞助商之一的新加坡电信(Sing-Tel)。真实的外形和逼真的运动,使其为方程式赛车的爱好者提供了最接近比赛现场的赛况。

出于健康和安全的考虑,BRD公司把一级方程式赛车遇到障碍物时的反弹和回跳进行了衰减处理。运动平台在信托投资各个坐标轴方向的加速度值达1.0~1.5g。为保精密机械障安全,每一个模拟赛车的驾驶员在“驾车比赛”时都必须系好四点式安全带。

方程式赛车参赛的有关组织和人员也对此模拟平台表示出了极大的兴趣。一位排名领先的一级方程式车手对V进行了测试,在这一赛车平台的帮助下他每圈的用时减少了0.7s。该系统可为车手带来很好的驾车感受,使其体会到接近真实的超控、失控、制动或车轮打滑时的情况。(end)

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