AGV吧-agv小车:AGV设计电机选择计算

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所属分类:AGV设计资料
摘要

AGV的驱动系统主要由驱动电源、电机和减速装置组成。电机的性能参数及减速装置的规格型号的确定直接决定整车的动力性, 即车辆的运动速度和驱动力直接决定整车的动力特性。 因此电机必须通过详细计算进行选择, 现在很多电机直接与减速装置组合在一起构成减速电机, 为我们的设计带来了很大的方便, 并且能使 AGV的驱动系统简单化, 结构小型化, 此外性价比也比较高, 因此此次设计直接选择减速电机作为驱动源。

1 电机种类的选择与 AGV相关参数
自动引导车是电动车的一种, 而电机是电动车的驱动源, 提供给整车提供动力。目前最常用的电动车辆驱动系统有以下三种 :
第一种是直流电机驱动系统, 20 世纪 90 年代前的电动汽车几乎全是直流电机驱动的。 直流电机木身效率低, 体积和质量大, 换向器和电刷限制了它转速的提高,一般其最高转速为 6000-8000r/min 。但出于其缺点目前除了小型车外,电动车很少采用直流电机驱动系统。
第二种是感应电机交流驱动系统。 该系统是 20 世纪 90 年代发展起来的新技术,目前尚处于发展完善阶段。 电机一般采用转子鼠笼结构的三相交流感应电动机。电机控制器采用矢量控制的变频调速方式。 其具有效率高、 体积小、质量小、结构简单,免维护、易于冷却和寿命长等优点,该系统调速范围宽,而且能实现低速恒转矩,高速恒功率运转,但交流电机控制器成本较高。目前,世界上众多著名的电动汽车中,多数采用感应电机交流驱动系统。
第三种是永磁同步电机交流驱动系统, 其中永磁同步电机包括无刷直流电机和三相永磁同步电机, 而永磁同步电机和无刷直流电机相比, 永磁同步电机交流驱动系统的效率较高, 体积最小, 质量最小, 也无直流电机的换向器和电刷等缺点。但该类驱动系统永磁材料成本较高, 只在小功率的电动汽车中得到一定的应用。但永磁同步电机是最有希望的高性能电机,是电动汽车电机的发展方向。出于直流电机本身具有控制系统简单, 调速方便, 不需逆变装置等优点, 并且本次毕业设计的 AGV运行速度低,功率也不高,因此,采用直流电机(包含减速装置)作为驱动系统的动力源足够满足此次 AGV设计,并且性价比优越。 此次所设计的 AGV相关参数如下表所示:
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根据 AGV底盘设计可知选择常用的铝合金材料的密度为 2.85×10³kg/m³, 则 AGV车架自重为
G=ρLbhg=2.85×10³×0.5 ×0.3×0.03×9.8=126N
AGV的载重
P=mg=25×9.8=245N;
根据电源模块知电源重量 P1=5×9.8=49N; 对于其他像电机, 编码器等模块取一个安全系数 K=1.1 进行总重量计算, 则 AGV对地面的正压力 Fn=K×(P+G+P1)=1.1 ×(245+126+49)=462N;
AGV运行阻力的计算
AGV在水平道路上等速行驶时必须克服来自地面的滚动阻力和来自空气的空气阻力。但是 AGV刚起动时车轮所处的滑动状态对应的摩擦力为滑动摩擦力,在起动前必须先要克服静摩擦力, 因为静摩擦系数是三者中最大的, 对应的静摩擦力也是最大的, 因此只要保证 AGV能起动,之后所面临的滚动阻力总是比静摩擦力小得多 .
【1】,因此计算 AGV的起动阻力即可, 只要满足起动条件则运行条件自然就满足,以符号 Ff 表示最大静摩擦力,以符号 Fw表示空气阻力。当 AGV在坡道上行驶时,还必须克服重力沿坡道的分力,称为坡度阻力,以符号 Fi 表示。AGV加速行驶需要克服的阻力称为加速阻力,以符号 Fj 表示。因此车辆运行的总阻力为 :
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(1)AGV的静摩擦力的计算
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式中: μ—最大静摩擦系数, 即车轮刚好滚动时所需的推力与对地面的正压力之比,即单位车辆重力刚好所需的推力。 最大静摩擦系数由实验确定。 它与路面的种类、行驶车速以及车轮的构造、材料等有关。考虑到 AGV在实验室,仓库等地方运行,路面一般为釉面砖或混凝土路面, 车轮选择常用的橡胶轮, 参考钟月威等教授研究的影响建筑地面与橡胶界面静摩擦问题分析论文
【2】可知,在一定范围内静摩擦系数随着正压力的增大而增大, 并且与地面干湿程度有关, 实验条件是 24Kg正压力,干法测量, 静摩擦系数 μ在 0.4 ~0.6 之间,实际 AGV重量比实验中的材料重一些,因此考虑一定的余量下取静摩擦系数 μ=0.7 进行计算,代入公式得静摩擦力为 :
Ff = μFn = 0.7 ×462 = 323.4N;
(2) 加速阻力的计算
AGV 在加速行驶的过程中,需要克服其质量加速运动时的惯性力,即加速阻力 Fj ;设 AGV从原地起步经过的位移 S=lm时,其车速达到 Vt=0.4m/s 则 AGV的加速度为 :
a=(Vt²-Vo²)/2=0.16/2=0.08m/m²
故加速阻力为 :
Fj = Ma = a × Fn / g = 3.8N;
(3) 坡度阻力的计算
AGV 工作场的道路状况一般较好, 坡度较小,坡道角为 α=2°,则坡道阻力为 :
Fi = Mg sinα = Fn sinα =16N;
(4) 空气阻力的计算
因为空气阻力
F=-KV,
K为空气阻力系数,计算公式为:
K =ρV²O0A /2 ;
式中 ,ρ为空气密度, V为车速,O0 为气动阻力系数, A 为汽车迎风面积
【3】;则空气阻力正比于速度的三次方, AGV小车不同于道路行驶的高速车辆,此次 AGV的最高时速为 0.4m/s 并且 AGV的迎风面积也比较小,因此空气阻力对 AGV行驶的影响可忽略不计。因此 Fw=0N;
根据 AGV总的运行阻力公式知:
ΣF = Ff+Fw+Fi+Fj =323.4+0+3.8+16=343.2N;
直流减速电机的选择
我们知道 AGV在运动过程中, 不论是直线行驶还是拐弯, 滚动摩擦力远比最大静摩擦力小, 由经验知只要 AGV能正常起动, 其它运行条件都满足。 对于起动有两种情况,一是常规的起动方式,起动时 AGV是直线状态起动;另一种就是之前AGV可能因为某些原因紧急停车,之后起动时 AGV是转弯状态起动,存在牵引力不平衡现象; 因此分两种情况对直流减速电机进行选择, 综合两种情况选择一款性价比较高的电机。具体分析如下:
(1) 起动时 AGV是直线状态起动驱动系统最终所能释放出的力与速度不仅仅取决于减速器的输出, (这里的速度指 AGV的实际速度, 而不是转轴的转速) 还受到驱动轮直径大小的影响, 驱动轮直径增大时,最后的输出速度将增大,驱动力则减小;相反,驱动轮直径变小时,最后的输出速度将降低, 驱动力则增大【4】,同时结合 AGV的具体底盘尺寸,选择了淘宝杰越机器人店铺的优质机器人专用轮胎铝合金轮毂 , 直径 d=65mm,具体结构尺寸见 AGV装配图。因为总的运动阻力为 ΣF=343.2N,则总的运动阻力矩为:ΣM = ΣF×r=343.2×0.065/2=11.2Nm
因为 AGV采用两个电机驱动,每个电机承担一半的功率,由 P=T×W知两个电机运行状态相同的情况下,力矩方向也相同,因此驱动系统电机驱动力矩至少为 :T=11.2/2=5.6Nm, 同时还要考虑留有一定的余量。
(2) 起动时 AGV是转弯状态起动
因为 AGV的转弯速度比直线运行速度低,就算是正常运行时也才 0.2 —0.3m/s ,因此 AGV在转弯状态刚刚起动时速度也很低, 此次计算根据以往经验进行简单估算,设开始起动后 1s 内达到正常运行速度, 取最大值 0.3m/s 进行计算,因为设计所采用的驱动方式为两驱, 在转弯状态起动时可以简化为两个车轮的转动,因为轨迹半径较大的那个车轮速度要求较大, 在相同时间里所对应的加速度也越大,因此只需要估算轨迹半径较大的那个车轮对应的驱动电机即可, 考虑转弯半径值与正常运行速度, 在 1s 内转过的角度大概为 0.03 度,对应的两段弧长
比值为 5.15:4.85=1.1 ,为了计算方便并且考虑留有一定的余量,取 2:1 进行计算,也即是轨迹半径较大的那个车轮速度为 0.4m/s, 另一个为 0.2m/s ;因此加速度与之前的 AGV运行阻力一样大小, 假设 AGV的质量分布均匀, 则轨迹半径较大的那个车轮受到的最小驱动力为:
ΣF=ΣF 总/2=343.2/2=171.6N; 则总的运动阻力矩为 :
ΣM = ΣF×r =171.6×0.065/2=5.6Nm;
因为另一个电机的运动阻力矩比 5.6Nm小,因此无需再进行计算了, 所以该驱动系统一个电机驱动力矩至少为 T=5.6Nm,同时还要考虑留有一定的余量。综合以上两种起动情况选择了淘宝电机马达商城的 53mm行星齿轮减速电机;该种减速电机结构比较紧凑,回程间隙小、精度较高,使用寿命很长,额定输出扭矩可以做的很大。该系列电机参数列表如下所示:
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参照该系列电机参数列表并且考虑电机转速选择了型号为 53ZY200的直流减速电机, 53ZY200的直流减速电机详细参数表如下所示:
电机相关参数表(备注: 78Kg·cm=7.6Nm,RPM=r/min)
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另外 53ZY200的直流减速电机的外形结构尺寸如下图所示: (具体尺寸见总体装配图)
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直流减速电机的校核
(1) 进行运动速度的校核
在确定了电机之后, 我们就可以进行运动速度的校核, 确保车辆有足够驱动力的同时也要满足所需要的工作速度。根据以下公式估算 AGV的运行速度 【3】Vr =( VmDπ )/ 60 式中 Vr 为 AGV的运行速度, Vm为电机转速( r/min )D为车轮直径; D=0.065m,Vm=200r/min 则:Vr=(200×0.065×3.14)/60=0.68m/s 显然0.68m/s大于预期设定的速度值0.4m/s,另外校核AGV在弯道上行驶时是否会偏离轨道,因为AGV正常行驶时受到的摩擦力为滚动摩擦力,橡胶轮与地面的滚动摩擦系数大概在0.01左右,而提供AGV转弯的向心力由最大静摩擦力充当,因为μMg=MV²/R,其中μ为最大静摩擦系数;所以V=(μgR)^(1/2)=5.8m/s;因为转弯时AGV最大运行速度为0.4m/s远远小于5.8m/s,所以AGV在弯道上行驶时不会偏离轨道,因此我们可以通过PWM调速控制AGV低速行驶,故可以选用该电机。
(2)进行驱动能力的校核      
当起动时AGV是直线状态起动,因为所选减速电机的扭矩 MD=7.6Nm,则车轮的驱动力矩为: Mw=2×MD=2×7.6=15.2Nm由于 Mwd>ΣM ,所以能保证AGV的 正常起动,并有一定的驱动力储备。当起动时AGV是转弯状态起动,因为受力矩最大的电机的运动阻力矩为:ΣM=ΣF×r=171.6×0.065/2=5.6Nm,而所选电 机的力矩T=7.6Nm>5.6Nm,另一个电机自然也满足驱动力矩要求,所以综合以上两种情况该电机能够驱动AGV正常起动。
(3)启动时加速度的校核     
不论哪种情况启动时驱动阻力均为: Ff= 323.4N,则电机到车轮所发出的驱动力FD=15.2/(0.065/2)=467.7N。
则加速度a=(FD-Ff)/M=(467.7-323.4)/(462/9.8)=3m/s²
明显高于最初预计的加速度0.08m/s² ,这说明设计完全能够达到预期的加速能力。
经过上述计算和校核后,确定减速电机的型号为53ZY200,车轮直径为0.065m,从而满足AGV的行车驱动系统要求。

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