智能汽车电机与编码器选型

(1)电机额定转速计算

已知车轮的直径为D=0.152 m,车模期望的最大直线行驶速度为vmax=3 m/s,车轮的最大转速为

则选取的电机输出轴额定转速应不小于377 r/min。

(2)电机驱动力计算

车模在行驶过程中,由电机提供驱动力,并克服作用在车模上且与车模行驶方向相反的各种行驶阻力而运动。车模的行驶平衡方程式为

式中,Ft为驱动力;∑F为行驶阻力之和,包括滚动阻力Ff、空气阻力Fw、坡度阻力Fi以及加速阻力Fj。

①驱动力

电机产生的转矩经传动系统传至驱动轮上,此时作用于驱动轮上的转矩Tt产生一个对地面的圆周力F0,地面对驱动轮的反向作用力Ft(方向与F0相反)为驱动小车的外力(图11.14),即驱动力,其数值为

其中,r为车轮的滚动半径。由于麦克纳姆轮的刚性较大,为了方便计算,不计车轮静力半径、自由半径和滚动半径的差异,选取统一的固定半径。

②滚动阻力

车轮滚动时,车轮与路面接触区域产生法向、切向的相互作用力,车轮和支撑路面的变形产生了小车行驶的滚动阻力Ff,其数值为

图11.14　轮子受力简图

式中,W为车轮负载;f为滚动阻力系数。整车最大重量为20 kg,则每个车轮承受的负载为

由于比赛场地为室内场地,路面状况较好,故取滚动阻力系数f=0.02,重力加速度g=10 N/kg,则每个车轮承受的滚动阻力大小为

③空气阻力

空气阻力Fw是小车在行驶过程中受到的空气作用力在行驶方向上的分力,分为压力阻力和摩擦阻力。压力阻力是作用在小车外形表面上法向压力的合力在行驶方向上的分力;摩擦阻力是由于空气的黏性在车身表面产生的切向力的合力在行驶方向上的分力。在无风条件下,空气阻力的大小与空气阻力系数、车模迎风面积、车模行驶速度有关,由于本设计中车模的行驶速度、迎风面积均较小,为了便于计算与估计,可认为空气阻力Fw=0。

④坡度阻力(www.xing528.com)

由于比赛环境的场地不是完全理想的平面,可能会存在一定的坡度,故需要考虑坡度阻力。

车模在上坡行驶时,车模的重力沿坡道的分力表现为车模的坡度阻力Fi,其数值为

式中,G为作用于车模上的重力;α为坡度。考虑到定位精读需求及实际条件,取最大坡度为α=3°,则有

⑤加速阻力

车模在加速行驶时,需要克服其质量加速运动时的惯性力,此为加速阻力Fj。车模的质量分为平移质量和旋转质量两部分,加速行驶时前者产生惯性力,后者产生惯性力偶矩。为了便于计算,把旋转质量产生的惯性力矩转化为平移质量的惯性力。取旋转质量换算系数b=1.03,则小车的加速阻力为

故可以计算出单个电机驱动力期望值为

(3)电机额定功率计算

由于车模传动链较短,故机械效率较高,取机械传动总效率ηT=0.95,则电机的额定功率为

(4)电机额定转矩计算

电机的期望额定转矩为

(5)电机型号选择

期望电机的额定转速应不小于377 r/min,额定转矩应大于70.16 N·cm,额定功率需大于27.69 W。经过大量对比与讨论,最终选择了额定功率为35 W的永磁直流行星减速编码电机,电机型号为36GP-555,输出轴尺寸为Φ=8 mm,其基本参数如表11.4所示。

表11.4　36GP-555电机基本参数

(6)编码器选型

所选电机自带AB双相增量式磁性霍尔编码器。与传统的光电编码器相比,磁性霍尔编码器具有抗振动、抗腐蚀、抗污染、抗干扰能力强和宽工作温度的优势,且能满足本设计的使用需求,故使用该编码器。