(完整版)AGV設(shè)計(jì)電機(jī)選擇計(jì)算

1、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部件的選擇與校核AGV的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)電源、電機(jī)和減速裝置組成。電機(jī)的性能參數(shù)及減速裝置的規(guī)格型號(hào)的確定直接決定整車(chē)的動(dòng)力性，即車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)速度和驅(qū)動(dòng)力直接決定整車(chē)的動(dòng)力特性。因此電機(jī)必須通過(guò)詳細(xì)計(jì)算進(jìn)行選擇，現(xiàn)在很多電機(jī)直接與減速裝置組合在一起構(gòu)成減速電機(jī)，為我們的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的方便，并且能使AGV的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單化，結(jié)構(gòu)小型化，此外性?xún)r(jià)比也比較高，因此此次設(shè)計(jì)直接選擇減速電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源。1電機(jī)種類(lèi)的選擇與AGV相關(guān)參數(shù)自動(dòng)引導(dǎo)車(chē)是電動(dòng)車(chē)的一種，而電機(jī)是電動(dòng)車(chē)的驅(qū)動(dòng)源，提供給整車(chē)提供動(dòng)力。目前最常用的電動(dòng)車(chē)輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有以下三種:第一種是直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，20世紀(jì)90年代前的電動(dòng)汽車(chē)

2、幾乎全是直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的。直流電機(jī)木身效率低，體積和質(zhì)量大，換向器和電刷限制了它轉(zhuǎn)速的提高，一般其最高轉(zhuǎn)速為6000-8000r/min。但出于其缺點(diǎn)目前除了小型車(chē)外，電動(dòng)車(chē)很少采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。第二種是感應(yīng)電機(jī)交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，目前尚處于發(fā)展完善階段。電機(jī)一般采用轉(zhuǎn)子鼠籠結(jié)構(gòu)的三相交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。電機(jī)控制器采用矢量控制的變頻調(diào)速方式。其具有效率高、體積小、質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，免維護(hù)、易于冷卻和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，該系統(tǒng)調(diào)速范圍寬，而且能實(shí)現(xiàn)低速恒轉(zhuǎn)矩，高速恒功率運(yùn)轉(zhuǎn)，但交流電機(jī)控制器成本較高。目前，世界上眾多著名的電動(dòng)汽車(chē)中，多數(shù)采用感應(yīng)電機(jī)交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。第三

3、種是永磁同步電機(jī)交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其中永磁同步電機(jī)包括無(wú)刷直流電機(jī)和三相永磁同步電機(jī)，而永磁同步電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率較高，體積最小，質(zhì)量最小，也無(wú)直流電機(jī)的換向器和電刷等缺點(diǎn)。但該類(lèi)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)永磁材料成本較高，只在小功率的電動(dòng)汽車(chē)中得到一定的應(yīng)用。但永磁同步電機(jī)是最有希望的高性能電機(jī)，是電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)的發(fā)展方向。出于直流電機(jī)本身具有控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，調(diào)速方便，不需逆變裝置等優(yōu)點(diǎn)，并且本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的AGV運(yùn)行速度低，功率也不高，因此，采用直流電機(jī)（包含減速裝置）作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力源足夠滿(mǎn)足此次AGV設(shè)計(jì)，并且性?xún)r(jià)比優(yōu)越。此次所設(shè)計(jì)的AGV相關(guān)參數(shù)如下表所示：AGV相關(guān)參數(shù)表

4、參數(shù)名稱(chēng)相關(guān)數(shù)據(jù)與說(shuō)明額定載重20Kg最大載重25Kg外形尺寸500*300*200mm牽引方式光學(xué)引導(dǎo)式（黑白線引導(dǎo)）電源工業(yè)免維護(hù)24V鉛酸電池驅(qū)動(dòng)方式中置雙輪差速爬坡能力坡道角a=20車(chē)架尺寸（長(zhǎng)L寬b高h(yuǎn)）500*300*30mm直線行走速度0.4m/s拐彎速度0.20.3m/s接近停位點(diǎn)時(shí)速度0.1m/s安全裝置故障報(bào)警，急停按鈕，超聲波測(cè)障（前后各一個(gè)），萬(wàn)向輪剎車(chē)，防撞裝置等轉(zhuǎn)彎半徑>=5m根據(jù)AGV底盤(pán)設(shè)計(jì)可知選擇常用的鋁合金材料的密度為2.85X103kg/m3,則AGV車(chē)架自重為G=PLbhg=2.85X103X0.5X0.3X0.03X9.8=126NAGV的載重P

5、=mg=25X9.8=245N；根據(jù)電源模塊知電源重量P=5X9.8=49N;對(duì)于1其他像電機(jī)，編碼器等模塊取一個(gè)安全系數(shù)K=l.l進(jìn)行總重量計(jì)算，則AGV對(duì)地面的正壓力Fn=KX（P+G+P）=1.1X（245+126+49）=462N;1AGV運(yùn)行阻力的計(jì)算AGV在水平道路上等速行駛時(shí)必須克服來(lái)自地面的滾動(dòng)阻力和來(lái)自空氣的空氣阻力。但是AGV剛起動(dòng)時(shí)車(chē)輪所處的滑動(dòng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的摩擦力為滑動(dòng)摩擦力，在起動(dòng)前必須先要克服靜摩擦力，因?yàn)殪o摩擦系數(shù)是三者中最大的，對(duì)應(yīng)的靜摩擦力也是最大的，因此只要保證AGV能起動(dòng)，之后所面臨的滾動(dòng)阻力總是比靜摩擦力小得多【1,因此計(jì)算AGV的起動(dòng)阻力即可，只要滿(mǎn)足起動(dòng)

6、條件則運(yùn)行條件自然就滿(mǎn)足，以符號(hào)F表示最大靜摩擦力，以符號(hào)F表示空氣阻力。當(dāng)AGV在fw坡道上行駛時(shí)，還必須克服重力沿坡道的分力，稱(chēng)為坡度阻力，以符號(hào)F表示。iAGV加速行駛需要克服的阻力稱(chēng)為加速阻力，以符號(hào)Fj表示。因此車(chē)輛運(yùn)行的總阻力為:工F=Ff+Fw+Fi+Fj(1) AGV的靜摩擦力的計(jì)算Ff=pFn式中：口一最大靜摩擦系數(shù)，即車(chē)輪剛好滾動(dòng)時(shí)所需的推力與對(duì)地面的正壓力之比，即單位車(chē)輛重力剛好所需的推力。最大靜摩擦系數(shù)由實(shí)驗(yàn)確定。它與路面的種類(lèi)、行駛車(chē)速以及車(chē)輪的構(gòu)造、材料等有關(guān)。考慮到AGV在實(shí)驗(yàn)室，倉(cāng)庫(kù)等地方運(yùn)行，路面一般為釉面磚或混凝土路面，車(chē)輪選擇常用的橡膠輪，參考鐘月威等教授

7、研究的影響建筑地面與橡膠界面靜摩擦問(wèn)題分析論文【2】可知，在一定范圍內(nèi)靜摩擦系數(shù)隨著正壓力的增大而增大，并且與地面干濕程度有關(guān)，實(shí)驗(yàn)條件是24Kg正壓力，干法測(cè)量，靜摩擦系數(shù)口在0.40.6之間，實(shí)際AGV重量比實(shí)驗(yàn)中的材料重一些，因此考慮一定的余量下取靜摩擦系數(shù)口=0.7進(jìn)行計(jì)算，代入公式得靜摩擦力為：Ff=PFn=o.7X462=323.4N；(2) 加速阻力的計(jì)算AGV在加速行駛的過(guò)程中，需要克服其質(zhì)量加速運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性力，即加速阻力Fj；設(shè)AGV從原地起步經(jīng)過(guò)的位移S=lm時(shí)，其車(chē)速達(dá)到Vt=0.4m/s則AGV的加速度為:a=(Vt2-Vo2)/2=0.16/2=0.08m/m2故加速

8、阻力為：Fj=Ma=axFn/g=3.8N；(3) 坡度阻力的計(jì)算AGV工作場(chǎng)的道路狀況一般較好，坡度較小，坡道角為a=20,則坡道阻力為：FI=Mgsina=Fnsina=6N；(4) 空氣阻力的計(jì)算因?yàn)榭諝庾枇=-KV，K為空氣阻力系數(shù)，計(jì)算公式為：K=PV2CA/2；式中，DP為空氣密度，V為車(chē)速，C為氣動(dòng)阻力系數(shù)，A為汽車(chē)迎風(fēng)面積【3】；則空氣D阻力正比于速度的三次方，AGV小車(chē)不同于道路行駛的高速車(chē)輛，此次AGV的最高時(shí)速為0.4m/s并且AGV的迎風(fēng)面積也比較小，因此空氣阻力對(duì)AGV行駛的影響可忽略不計(jì)。因此F=0N;w根據(jù)AGV總的運(yùn)行阻力公式知：YF=Ff+Fw+Fi+Fj=

9、323.4+0+3.8+16=343.2N；直流減速電機(jī)的選擇我們知道AGV在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，不論是直線行駛還是拐彎，滾動(dòng)摩擦力遠(yuǎn)比最大靜摩擦力小，由經(jīng)驗(yàn)知只要AGV能正常起動(dòng)，其它運(yùn)行條件都滿(mǎn)足。對(duì)于起動(dòng)有兩種情況，一是常規(guī)的起動(dòng)方式，起動(dòng)時(shí)AGV是直線狀態(tài)起動(dòng)；另一種就是之前AGV可能因?yàn)槟承┰蚓o急停車(chē)，之后起動(dòng)時(shí)AGV是轉(zhuǎn)彎狀態(tài)起動(dòng)，存在牽引力不平衡現(xiàn)象；因此分兩種情況對(duì)直流減速電機(jī)進(jìn)行選擇，綜合兩種情況選擇一款性?xún)r(jià)比較高的電機(jī)。具體分析如下：(1) 起動(dòng)時(shí)AGV是直線狀態(tài)起動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最終所能釋放出的力與速度不僅僅取決于減速器的輸出，(這里的速度指AGV的實(shí)際速度，而不是轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速)還受到

10、驅(qū)動(dòng)輪直徑大小的影響，驅(qū)動(dòng)輪直徑增大時(shí)，最后的輸出速度將增大，驅(qū)動(dòng)力則減??；相反，驅(qū)動(dòng)輪直徑變小時(shí)，最后的輸出速度將降低，驅(qū)動(dòng)力則增大【4,同時(shí)結(jié)合AGV的具體底盤(pán)尺寸，選擇了淘寶杰越機(jī)器人店鋪的優(yōu)質(zhì)機(jī)器人專(zhuān)用輪胎鋁合金輪轂，直徑d=65mm,具體結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)AGV裝配圖。因?yàn)榭偟倪\(yùn)動(dòng)阻力為工F=343.2N，則總的運(yùn)動(dòng)阻力Y_v矩為：厶M二厶Fxr=343.2X0.065/2=11.2Nm因?yàn)锳GV采用兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)電機(jī)承擔(dān)一半的功率，由P=TXW知兩個(gè)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)相同的情況下，力矩方向也相同，因此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩至少為：T=11.2/2=5.6Nm,同時(shí)還要考慮留有一定的余量。(2)

11、 起動(dòng)時(shí)AGV是轉(zhuǎn)彎狀態(tài)起動(dòng)因?yàn)锳GV的轉(zhuǎn)彎速度比直線運(yùn)行速度低，就算是正常運(yùn)行時(shí)也才0.20.3m/s,因此AGV在轉(zhuǎn)彎狀態(tài)剛剛起動(dòng)時(shí)速度也很低，此次計(jì)算根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行簡(jiǎn)單估算,設(shè)開(kāi)始起動(dòng)后1s內(nèi)達(dá)到正常運(yùn)行速度，取最大值0.3m/s進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)樵O(shè)計(jì)所采用的驅(qū)動(dòng)方式為兩驅(qū)，在轉(zhuǎn)彎狀態(tài)起動(dòng)時(shí)可以簡(jiǎn)化為兩個(gè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，因?yàn)檐壽E半徑較大的那個(gè)車(chē)輪速度要求較大，在相同時(shí)間里所對(duì)應(yīng)的加速度也越大，因此只需要估算軌跡半徑較大的那個(gè)車(chē)輪對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)即可，考慮轉(zhuǎn)彎半徑值與正常運(yùn)行速度，在1s內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的角度大概為0.03度，對(duì)應(yīng)的兩段弧長(zhǎng)比值為5.15:4.85=1.1，為了計(jì)算方便并且考慮留有一定的余量

12、，取2:1進(jìn)行計(jì)算，也即是軌跡半徑較大的那個(gè)車(chē)輪速度為0.4m/s，另一個(gè)為0.2m/s；因此加速度與之前的AGV運(yùn)行阻力一樣大小，假設(shè)AGV的質(zhì)量分布均勻，則軌跡半徑較大的那個(gè)車(chē)輪受到的最小驅(qū)動(dòng)力為：工F二工F總/2=343.2/2=171.6N;則總的運(yùn)動(dòng)阻力矩為：YM二YFxr=i7i.6X0.065/2=5.6Nm；因?yàn)榱硪粋€(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)阻力矩比5.6Nm小，因此無(wú)需再進(jìn)行計(jì)算了，所以該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩至少為T(mén)=5.6Nm,同時(shí)還要考慮留有一定的余量。綜合以上兩種起動(dòng)情況選擇了淘寶電機(jī)馬達(dá)商城的53mm行星齒輪減速電機(jī)；該種減速電機(jī)結(jié)構(gòu)比較緊湊，回程間隙小、精度較高，使用壽命很長(zhǎng)

13、，額定輸出扭矩可以做的很大。該系列電機(jī)參數(shù)列表如下所示：2電需丫-；1M4電孫*£ms1亞53Z7-1S00.3S25M)2DM3015ORPH53ZY100122期l.a740020124lOOftFH120.2020001,31-600嶼抽1WSCftPH站0.25嘶545003078!】右30CftPU0.25t.354£0C3070g20OftPJl53ZY1002d0.201.15320025盟1.M1Q0RPW參照該系列電機(jī)參數(shù)列表并且考慮電機(jī)轉(zhuǎn)速選擇了型號(hào)為53ZY200的直流減速電機(jī)，53ZY200的直流減速電機(jī)詳細(xì)參數(shù)表如下所示：電機(jī)相關(guān)參數(shù)表（備注：78

14、Kgcm=7.6Nm,RPM二r/min）參數(shù)名稱(chēng)相關(guān)數(shù)據(jù)額定轉(zhuǎn)矩7.6Nm減速后額定轉(zhuǎn)速200r/min額定功率30W額定電壓24v額定電流1.35A空載轉(zhuǎn)矩470Nm減速比1:24重量565g價(jià)格300元另外53ZY200的直流減速電機(jī)的外形結(jié)構(gòu)尺寸如下圖所示：（具體尺寸見(jiàn)總體裝配圖）53ZY200的直流減速電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸直流減速電機(jī)的校核（1）進(jìn)行運(yùn)動(dòng)速度的校核在確定了電機(jī)之后，我們就可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)速度的校核，確保車(chē)輛有足夠驅(qū)動(dòng)力的同時(shí)也要滿(mǎn)足所需要的工作速度。根據(jù)以下公式估算AGV的運(yùn)行速度【3】Vr="vmD“）/60式中百為AGV的運(yùn)行速度，Vm為電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）D為車(chē)

15、輪直徑；D=0.065m,Vm=200r/min則：Vr二(200X0.065X3.14)/60=0.68m/s顯然0.68m/s大于預(yù)期設(shè)定的速度值0.4m/s,另外校核AGV在彎道上行駛時(shí)是否會(huì)偏離軌道，因?yàn)锳GV正常行駛時(shí)受到的摩擦力為滾動(dòng)摩擦力，橡膠輪與地面的滾動(dòng)摩擦系數(shù)大概在0.01左右，而提供AGV轉(zhuǎn)彎的向心力由最大靜摩擦力充當(dāng),因?yàn)榭贛g二MV2/R,其中口為最大靜摩擦系數(shù);所以V=（口gR）i/2=5.8m/s;因?yàn)檗D(zhuǎn)彎時(shí)AGV最大運(yùn)行速度為0.4m/s遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于5.8m/s,所以AGV在彎道上行駛時(shí)不會(huì)偏離軌道，因此我們可以通過(guò)PWM調(diào)速控制AGV低速行駛，故可以選用該電機(jī)。（2）進(jìn)行驅(qū)動(dòng)能力的校核當(dāng)起動(dòng)時(shí)AGV是直線狀態(tài)起動(dòng)，因?yàn)樗x減速電機(jī)的扭矩M=7.6Nm,則車(chē)輪Dm>ym的驅(qū)動(dòng)力矩為:Mw=2XM=2X7.6=15.2Nm由于w厶，所以能保證AGV的D正常起動(dòng)，并有一定的驅(qū)動(dòng)力儲(chǔ)備。當(dāng)起動(dòng)時(shí)AGV是轉(zhuǎn)彎狀態(tài)起動(dòng)，因?yàn)槭芰貀_y最大的電機(jī)的運(yùn)動(dòng)阻力矩為：MFxr=i71.6X0.065/2=5.6Nm，而所選電機(jī)的力矩T=7.6Nm>5.6Nm,另一個(gè)電機(jī)自然也滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)力矩要求，所