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依据机械特性选取合适的电机系统

开始:

      该例子来自英特尔赞助和康奈尔开发的ModBot讨论如何根据运动性能目标选择电机。此篇博客源于好友老杨的迫切问题而立。

      选择电机首先需要对完成控制目的设置一个目标,这里目标输出性能为:最大速度目标是1m / s,目标最大加速度是2m / s 2 。(机器人对环境的反应速度通常被解释为机器人的智能程度。决定由于较大的加速度将使得反应更快,因此具有更大的加速度将比具有更大的最大速度更重要。建立这些初始绩效目标后,下一步就是将这些目标转化为技术要求)。

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依据机械特性选取合适的电机系统

这是电机系统的输出轮速,实际上电机的空转速度,会因为物理负载而导致输出速度下降。

对于扭矩的要求较为复杂,在加速阶段,电机的扭矩将达到最高,因此为了评估该种情况,总扭矩是加速率,车的质量,车轮惯性和稳态滚动阻力的函数。当然可以进行精确的计算,但是实际嵌入式系统中并没有到达如此详细的程度,所以进行粗略的进行扭矩估计。

依据机械特性选取合适的电机系统

这里我们以水平地面作为例子,就有 F = 30 N

以四轮机器人为例,更具所需要的加速度所产生力,理想情况下平均分配给每个轮子,即1/4 。可以计算每个轮子所需要的扭矩:

依据机械特性选取合适的电机系统

然而这是目标扭矩,实际上还需要牵引扭矩限制,这个限制来自地面的摩擦,为了使车轮不打滑,目标扭矩需要小于牵引扭矩限制。 牵引扭矩的限制计算如下:

依据机械特性选取合适的电机系统

最后的要求就是   M < M trac 。

依据机械特性选取合适的电机系统

以麦克纳姆轮的地盘为例子,进行电机规格选择:

回到原始系统级性能要求,四轮底盘的目标速度和加速度分别为1 m / s和2 m / s 2。为了解释麦克纳姆轮的几何关系,目标速度和加速度必须增加0.66倍,即为了使麦克纳姆轮在最慢的方向上达到1米/秒,它必须能够在最快的方向上以1米/秒除以0.66。有以下的计算:

依据机械特性选取合适的电机系统

从以上可以看出对于该例子有新的要求。然而对于全向轮底盘则需根据运动方式,对性能要求进行相应得考虑。

接下来就是对输出目标的功率要求:

依据机械特性选取合适的电机系统

需要17.2瓦的最小功率输出才能达到系统级速度和加速要求。

假设运行的电力系统电压为15V,一般的选择电机时供应商会给出速度常数Kn,也就是空转下一定得电压所带来的转速,(或者直接给出相应电压转速)有以下公式:

依据机械特性选取合适的电机系统

选择相应得变速箱,变速比得计算依据电机转速和输出目标转速的比,有以下公式:

依据机械特性选取合适的电机系统

可见在空转6000RPM得情况下,最小得减速比是31.6。

实际上在挑选减速箱时,因该挑选超过最小限速比的较小的减速箱,比如 35:1。可以的出最后的电机要求转速为6645RPM。

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减速箱对于速度是没有折损的,但是对扭矩会有一定的机械折损。假设齿轮系统的效率为80%,则有最后的电机扭矩输出:

依据机械特性选取合适的电机系统

接下来在计算实际的电机输出功率:

依据机械特性选取合适的电机系统

可见相比上面的目标输出功率17W,电机的输出功率21.49W要求则要高,你会发现这一部分的功率折损来自用减速箱的机械折损。

至此,机械系统的选配基本完成,如以下参数:

依据机械特性选取合适的电机系统

上述的P = 21.49W 为电机的输出功率,实际上假设机械效率为85%,则有最后的电气功率:

P = 25.29W

机械效率的计算:

        峰值效率的计算:

依据机械特性选取合适的电机系统

I0 为电机数据表中的启动电流,IA为无负载电流,依据电机数据表举例计算:

依据机械特性选取合适的电机系统

实时上,峰值效率和峰值功率往往不会同时发生,所以依据最大的效率计算会低估所需要的电力,在电机参数上所给的效率一般的是峰值效率。所以在效率选择上则较低,这里的机械效率依据经验设置为85%。

电机系统的功率层级如下:

依据机械特性选取合适的电机系统

总的流程就是依据实际目标要求来计算最后的电机输出特性,依据特性选择电机规格。

有些时候,我们已经有了电机及减速箱,便反向计算输出特性,看是否达到目标要求。

或者,也可以依据已有的电机及减速箱,来计算多大尺寸的轮子较为合适。

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