AGV設(shè)計(jì)電機(jī)選擇計(jì)算

驅(qū)動系統(tǒng)部件的選擇與校核的驅(qū)動系統(tǒng)主要由驅(qū)動電源、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)格型號的確定直接決定整車的動力性，即車輛的運(yùn)動速度和驅(qū)動力直接決定整車的動力特性。因此電機(jī)必須通過詳細(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)帶來了很大的方便，并且能使的驅(qū)動系統(tǒng)簡單化，結(jié)構(gòu)小型化，此外性價(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)動源。1電機(jī)種類的選擇與相關(guān)參數(shù)自動引導(dǎo)車是電動車的一種，而電機(jī)是電動車的驅(qū)動源，提供給整車提供動力。目前最常用的電動車輛驅(qū)動系統(tǒng)有以下三種：第一種是直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，20世紀(jì)90年代前的電動汽車幾乎全是直流電機(jī)驅(qū)動的。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6000-8000。但出于其缺點(diǎn)目前除了小型車外，電動車很少采用直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。第二種是感應(yīng)電機(jī)交流驅(qū)動系統(tǒng)。該系統(tǒng)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的新技術(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)簡單，免維護(hù)、易于冷卻和壽命長等優(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汽車中，多數(shù)采用感應(yīng)電機(jī)交流驅(qū)動系統(tǒng)。第三種是永磁同步電機(jī)交流驅(qū)動系統(tǒng)，其中永磁同步電機(jī)包括無刷直流電機(jī)和三相永磁同步電機(jī)，而永磁同步電機(jī)和無刷直流電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)交流驅(qū)動系統(tǒng)的效率較高，體積最小，質(zhì)量最小，也無直流電機(jī)的換向器和電刷等缺點(diǎn)。但該類驅(qū)動系統(tǒng)永磁材料成本較高，只在小功率的電動汽車中得到一定的應(yīng)用。但永磁同步電機(jī)是最有希望的高性能電機(jī)，是電動汽車電機(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)動系統(tǒng)的動力源足夠滿足此次設(shè)計(jì)，并且性價(jià)比優(yōu)越。此次所設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)如下表所示：

相關(guān)參數(shù)表參數(shù)名稱相關(guān)數(shù)據(jù)與說明額定載重20最大載重25外形尺寸500*300*200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)動方式中置雙輪差速爬坡能力坡道角a=20車架尺寸（長L寬b高h(yuǎn)）500*300*30直線行走速度0.4拐彎速度0.2—0.3接近停位點(diǎn)時(shí)速度0.1安全裝置故障報(bào)警，急停按鈕，超聲波測障（前后各一個(gè)），萬向輪剎車，防撞裝置等轉(zhuǎn)彎半徑>=5m根據(jù)底盤設(shè)計(jì)可知選擇常用的鋁合金材料的密度為2.85X1033，則車架自重為P2.85X103X0.5X0.3X0.03X9.8=126N的載重25X9.8=245N；根據(jù)電源模塊知電源重量P=5X9.8=49N;對于其他像電1機(jī)，編碼器等模塊取一個(gè)安全系數(shù)1.1進(jìn)行總重量計(jì)算，則對地面的正壓力X（1）=1.1X（245+126+49）=462N;運(yùn)行阻力的計(jì)算在水平道路上等速行駛時(shí)必須克服來自地面的滾動阻力和來自空氣的空氣阻力。但是剛起動時(shí)車輪所處的滑動狀態(tài)對應(yīng)的摩擦力為滑動摩擦力，在起動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，對應(yīng)的靜摩擦力也是最大的，因此只要保證能起動，之后所面臨的滾動阻力總是比靜摩擦力小得多【1】，因此計(jì)算的起動阻力即可，只要滿足起動條件則運(yùn)行條件自然就滿足，以符號表示最大靜摩擦力，以符號表示空氣阻力。當(dāng)在坡道上行駛時(shí)，還必須克服重力沿坡道的分力，稱為坡度阻力，以符號表示。加速行駛需要克服的阻力稱為加速阻力，以符號表示。因此車輛運(yùn)行的總阻力為:zF=Ff+Fw+Fi+Fj的靜摩擦力的計(jì)算Ff=hFn式中：u—最大靜摩擦系數(shù)，即車輪剛好滾動時(shí)所需的推力與對地面的正壓力之比，即單位車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、行駛車速以及車輪的構(gòu)造、材料等有關(guān)。考慮到在實(shí)驗(yàn)室，倉庫等地方運(yùn)行，路面一般為釉面磚或混凝土路面，車輪選擇常用的橡膠輪，參考鐘月威等教授研究的影響建筑地面與橡膠界面靜摩擦問題分析論文【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24正壓力，干法測量，靜摩擦系數(shù)u在0.4?0.6之間，實(shí)際重量比實(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)u=0.7進(jìn)行計(jì)算，代入公式得靜摩擦力為:Ff=hFn=0.7X462=323.4N；加速阻力的計(jì)算在加速行駛的過程中，需要克服其質(zhì)量加速運(yùn)動時(shí)的慣性力，即加速阻力；設(shè)從原地起步經(jīng)過的位移時(shí)，其車速達(dá)到=0.4則的加速度為(22)/2=0.16/2=0.082故加速阻力為：Fj=Ma=axFn/g=38N;坡度阻力的計(jì)算工作場的道路狀況一般較好，坡度較小，坡道角為a=2。，則坡道阻力為：Fi-Mgsina=Fnsina=16N;空氣阻力的計(jì)算因?yàn)榭諝庾枇Γ琄為空氣阻力系數(shù)，計(jì)算公式為：K=pV2/2；式中，「為空氣密度，V為車速，為氣動阻力系數(shù)，A為汽車迎風(fēng)面積【3】；則空氣阻力正比于速度的三次方，小車不同于道路行駛的高速車輛，此次的最高時(shí)速為0.4并且的迎風(fēng)面積也比較小，因此空氣阻力對行駛的影響可忽略不計(jì)。因此0N;根據(jù)總的運(yùn)行阻力公式知:￡F=Ff+Fw+F1+Fj=323.4+0+3.8+16=343.2N；直流減速電機(jī)的選擇我們知道在運(yùn)動過程中，不論是直線行駛還是拐彎，滾動摩擦力遠(yuǎn)比最大靜摩擦力小，由經(jīng)驗(yàn)知只要能正常起動，其它運(yùn)行條件都滿足。對于起動有兩種情況，一是常規(guī)的起動方式，起動時(shí)是直線狀態(tài)起動；另一種就是之前可能因?yàn)槟承┰蚓o急停車，之后起動時(shí)是轉(zhuǎn)彎狀態(tài)起動，存在牽引力不平衡現(xiàn)象；因此分兩種情況對直流減速電機(jī)進(jìn)行選擇，綜合兩種情況選擇一款性價(jià)比較高的電機(jī)。具體分析如下：起動時(shí)是直線狀態(tài)起動驅(qū)動系統(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，(這里的速度指的實(shí)際速度，而不是轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速)還受到驅(qū)動輪直徑大小的影響，驅(qū)動輪直徑增大時(shí)，最后的輸出速度將增大，驅(qū)動力則減?。幌喾?，驅(qū)動輪直徑變小時(shí)，最后的輸出速度將降低，驅(qū)動力則增大【4】，同時(shí)結(jié)合的具體底盤尺寸，選擇了淘寶杰越機(jī)器人店鋪的優(yōu)質(zhì)機(jī)器人專用輪胎鋁合金輪轂，直徑65,具體結(jié)構(gòu)尺寸見裝配圖。因?yàn)榭偟倪\(yùn)動阻力為S343.2N，則總的運(yùn)動阻力矩為￡M=￡Fxr343.2X0.065/2=11.2因?yàn)椴捎脙蓚€(gè)電機(jī)驅(qū)動，每個(gè)電機(jī)承擔(dān)一半的功率，由XW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)動系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動力矩至少為：11.2/2=5.6,同時(shí)還要考慮留有一定的余量。起動時(shí)是轉(zhuǎn)彎狀態(tài)起動因?yàn)榈霓D(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0.2—0.3，因此在轉(zhuǎn)彎狀態(tài)剛剛起動時(shí)速度也很低，此次計(jì)算根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行簡單估算，設(shè)開始起動后1s內(nèi)達(dá)到正常運(yùn)行速度，取最大值0.3進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)樵O(shè)計(jì)所采用的驅(qū)動方式為兩驅(qū)，在轉(zhuǎn)彎狀態(tài)起動時(shí)可以簡化為兩個(gè)車輪的轉(zhuǎn)動，因?yàn)檐壽E半徑較大的那個(gè)車輪速度要求較大，在相同時(shí)間里所對應(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)車輪對應(yīng)的驅(qū)動電機(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)過的角度大概為0.03度，對應(yīng)的兩段孤長比值為5.15:4.85=1.1，為了計(jì)算方便并且考慮留有一定的余量，取2:1進(jìn)行計(jì)算，也即是軌跡半徑較大的那個(gè)車輪速度為0.4,另一個(gè)為0.2；因此加速度與之前的運(yùn)行阻力一樣大小，假設(shè)的質(zhì)量分布均勻，則軌跡半徑較大的那個(gè)車輪受到的最小驅(qū)動力為：S2F總/2=343.2/2=171.6N;則總的運(yùn)動阻力矩為：'M=￡Fxy=171.6X0.065/2=5.6；因?yàn)榱硪粋€(gè)電機(jī)的運(yùn)動阻力矩比5.6小，因此無需再進(jìn)行計(jì)算了，所以該驅(qū)動系統(tǒng)一個(gè)電機(jī)驅(qū)動力矩至少為5.6,同時(shí)還要考慮留有一定的余量。綜合以上兩種起動情況選擇了淘寶電機(jī)馬達(dá)商城的53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，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：電樣VSiftiW-IhmJ電迓d.T—TA轉(zhuǎn)遭S*P^J**l*f陽g用睡5327-1600.3S2DMta451150RPB53ZY10012O.M收l.ag204511AlOOftPMS32VSa120.2020001,3際is381W&面il53ZY3000.2513545003070!】。lOOftFU的0.25阿13S3070!j242COIPJ153ZY100240.203碗1.IS3碩2S021.財(cái)1Q0RPW參照該系列電機(jī)參數(shù)列表并且考慮電機(jī)轉(zhuǎn)速選擇了型號為53200的直流減速電機(jī)，53200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*7.6）參數(shù)名稱相關(guān)數(shù)據(jù)額定轉(zhuǎn)矩7.6N?m減速后額定轉(zhuǎn)速200額定功率30W額定電壓24v額定電流1.35A空載轉(zhuǎn)矩470N*m減速比1:24重量565g價(jià)格300元另外53200的直流減速電機(jī)的外形結(jié)構(gòu)尺寸如下圖所示：（具體尺寸見總體裝配圖）53200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)動速度的校核，確保車輛有足夠驅(qū)動力的同時(shí)也要滿足所需要的工作速度。根據(jù)以下公式估算的運(yùn)行速度【3】Vr=（VmD“）/60式中為的運(yùn)行速度，為電機(jī)轉(zhuǎn)速（）D為車輪直徑；0.065m,=200則（200X0.065X3.14）/60=0.68顯然0.68大于預(yù)期設(shè)定的速度值0.4,另外校核在彎道上行駛時(shí)是否會偏離軌道，因?yàn)檎Ｐ旭倳r(shí)受到的摩擦力為滾動摩擦力，橡膠輪與地面的滾動摩擦系數(shù)大概在0.01左右，而提供轉(zhuǎn)彎的向心力由最大靜摩擦力充當(dāng)，因?yàn)閁2,其中u為最大靜摩擦系數(shù);所以（U）1/2=5.8;因?yàn)檗D(zhuǎn)彎時(shí)最大運(yùn)行速度為0.4遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于5.8,所以在彎道上行駛時(shí)不會偏離軌道，因此我們可以通過調(diào)速控制低速行駛，故可以選用該電機(jī)。（2） 進(jìn)行驅(qū)動能力的校核當(dāng)起動時(shí)是直線狀態(tài)起動，因?yàn)樗x減速電機(jī)的扭矩7.6,則車輪的驅(qū)動力矩為2X2X7.6=15.2由于Mw>EM，所以能保證的正常起動，并有一定的驅(qū)動力儲備。當(dāng)起動時(shí)是轉(zhuǎn)彎狀態(tài)起動，因?yàn)槭芰刈畲蟮碾姍C(jī)的運(yùn)動阻力矩為2M='F*r171.6X0.065/2=5.6,而所選電機(jī)的力矩7.6>5.6,另一個(gè)電機(jī)自然也滿