依据机械特性选取合适的电机系统

JameScottX

于 2018-08-14 15:17:26 发布

      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）。

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。

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：

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：

最后的要求就是   M < M trac 。

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：

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：

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：

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：

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。

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：

接下来在计算实际的电机输出功率：

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：

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：

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：

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：

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。