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依據機械特性選取合适的電機系統

開始:

      該例子來自英特爾贊助和康奈爾開發的ModBot讨論如何根據運動性能目标選擇電機。此篇部落格源于好友老楊的迫切問題而立。

      選擇電機首先需要對完成控制目的設定一個目标,這裡目标輸出性能為:最大速度目标是1m / s,目标最大加速度是2m / s 2 。(機器人對環境的反應速度通常被解釋為機器人的智能程度。決定由于較大的加速度将使得反應更快,是以具有更大的加速度将比具有更大的最大速度更重要。建立這些初始績效目标後,下一步就是将這些目标轉化為技術要求)。

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依據機械特性選取合适的電機系統

這是電機系統的輸出輪速,實際上電機的空轉速度,會因為實體負載而導緻輸出速度下降。

對于扭矩的要求較為複雜,在加速階段,電機的扭矩将達到最高,是以為了評估該種情況,總扭矩是加速率,車的品質,車輪慣性和穩态滾動阻力的函數。當然可以進行精确的計算,但是實際嵌入式系統中并沒有到達如此詳細的程度,是以進行粗略的進行扭矩估計。

依據機械特性選取合适的電機系統

這裡我們以水準地面作為例子,就有 F = 30 N

以四輪機器人為例,更具所需要的加速度所産生力,理想情況下平均配置設定給每個輪子,即1/4 。可以計算每個輪子所需要的扭矩:

依據機械特性選取合适的電機系統

然而這是目标扭矩,實際上還需要牽引扭矩限制,這個限制來自地面的摩擦,為了使車輪不打滑,目标扭矩需要小于牽引扭矩限制。 牽引扭矩的限制計算如下:

依據機械特性選取合适的電機系統

最後的要求就是   M < M trac 。

依據機械特性選取合适的電機系統

以麥克納姆輪的地盤為例子,進行電機規格選擇:

回到原始系統級性能要求,四輪底盤的目标速度和加速度分别為1 m / s和2 m / s 2。為了解釋麥克納姆輪的幾何關系,目标速度和加速度必須增加0.66倍,即為了使麥克納姆輪在最慢的方向上達到1米/秒,它必須能夠在最快的方向上以1米/秒除以0.66。有以下的計算:

依據機械特性選取合适的電機系統

從以上可以看出對于該例子有新的要求。然而對于全向輪底盤則需根據運動方式,對性能要求進行相應得考慮。

接下來就是對輸出目标的功率要求:

依據機械特性選取合适的電機系統

需要17.2瓦的最小功率輸出才能達到系統級速度和加速要求。

假設運作的電力系統電壓為15V,一般的選擇電機時供應商會給出速度常數Kn,也就是空轉下一定得電壓所帶來的轉速,(或者直接給出相應電壓轉速)有以下公式:

依據機械特性選取合适的電機系統

選擇相應得變速箱,變速比得計算依據電機轉速和輸出目标轉速的比,有以下公式:

依據機械特性選取合适的電機系統

可見在空轉6000RPM得情況下,最小得減速比是31.6。

實際上在挑選減速箱時,因該挑選超過最小限速比的較小的減速箱,比如 35:1。可以的出最後的電機要求轉速為6645RPM。

依據機械特性選取合适的電機系統

減速箱對于速度是沒有折損的,但是對扭矩會有一定的機械折損。假設齒輪系統的效率為80%,則有最後的電機扭矩輸出:

依據機械特性選取合适的電機系統

接下來在計算實際的電機輸出功率:

依據機械特性選取合适的電機系統

可見相比上面的目标輸出功率17W,電機的輸出功率21.49W要求則要高,你會發現這一部分的功率折損來自用減速箱的機械折損。

至此,機械系統的選配基本完成,如以下參數:

依據機械特性選取合适的電機系統

上述的P = 21.49W 為電機的輸出功率,實際上假設機械效率為85%,則有最後的電氣功率:

P = 25.29W

機械效率的計算:

        峰值效率的計算:

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I0 為電機資料表中的啟動電流,IA為無負載電流,依據電機資料表舉例計算:

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實時上,峰值效率和峰值功率往往不會同時發生,是以依據最大的效率計算會低估所需要的電力,在電機參數上所給的效率一般的是峰值效率。是以在效率選擇上則較低,這裡的機械效率依據經驗設定為85%。

電機系統的功率層級如下:

依據機械特性選取合适的電機系統

總的流程就是依據實際目标要求來計算最後的電機輸出特性,依據特性選擇電機規格。

有些時候,我們已經有了電機及減速箱,便反向計算輸出特性,看是否達到目标要求。

或者,也可以依據已有的電機及減速箱,來計算多大尺寸的輪子較為合适。

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