驱动系统部件的选择与校核
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：
AGV相关参数表
参数名称相关数据与说明
额定载重20Kg
最大载重25Kg
外形尺寸500*300*200mm
牵引方式光学引导式（黑白线引导）
电源工业免维护24V铅酸电池
驱动方式中置双轮差速
爬坡能力坡道角α=20
车架尺寸（长L宽b高h）500*300*30mm
直线行走速度0.4m/s
拐弯速度0.2—0.3m/s
接近停位点时速度0.1m/s
安全装置故障报警，急停按钮，超声波测障（前
后各一个），万向轮刹车，防撞装置等转弯半径>=5m
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P
1
=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+P
1
）=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F
f 表示最大静摩擦力，以符号F
w
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F
i
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:
f+Fw+Fi+Fj F F =∑
(1)AGV 的静摩擦力的计算
f Fn F μ=
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:
f Fn F μ==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=(Vt 2-Vo 2)/2=0.16/2=0.08m/m 2
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=20，则坡道阻力为: sin sin Fi Mg Fn αα===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 =ρV 2C D A /2；式中,
ρ为空气密度，V 为车速，C D 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F
w
=0N;
根据AGV总的运行阻力公式知：
f+Fw+Fi+Fj
F F
=
∑=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:
M F 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:
∑∑=171.6×0.065/2=5.6Nm；
M F r
=?
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：
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）
参数名称相关数据
额定转矩7.6N?m
减速后额定转速200r/min
额定功率30W
额定电压24v
额定电流 1.35A
空载转矩470N?m
减速比1:24
重量565g
价格 300元
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）
53ZY200的直流减速电机结构尺寸
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 VmD /60π= 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=MV 2/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M D =7.6Nm ，则车轮
的驱动力矩为:Mw=2×M D =2×7.6=15.2Nm 由于 w M M >∑，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:M F 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F D =15.2/(0.065/2)=467.7N 。
则加速度f ()/M D a F F =-=（467.7-323.4）/(462/9.8)=3m/s 2
明显高于最初预计的加速度0.08m/s 2，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。
驱动轮电机用于驱动 AGV 的运行，包括AGV 的直行及差速转弯。在选择电机时，我们通常需要计算出电机的额定功率、额定转矩、额定转速等[28]。而在驱动电机的参数计算之前首先需要明确 AGV 的各项设计要求，如表3-1 所示。 3.1.1 电动机的选择 1. 驱动力与转矩关系 AGV 在地面行驶时，轮子与地面接触，AGV 克服摩擦力向前行驶，电机输出转矩Tq 为小车提供驱动力。而Tq 经减速机减速后得到输出转矩Tt 输出至驱动轮，输出转矩Tt 为： q t g T i T η= 式中 g i ——减速机减速比； q T ——电机输出转矩； t T ——输出转矩； η——电机轴经减速机到驱动轮的效率。 驱动轮在电机驱动下在地面转动，此时相对于地将形成一个圆周力，而地面对驱动轮也将产生一个等值、反向的力t F ，该力即为驱动轮的驱动力[29] 。驱动力为： q q q t g t R T i R T F η= = 式中 q R ——驱动轮的驱动半径。 由于驱动轮一般刚性较好，视其自由半径、静力半径、滚动半径三者相同，均为q R 。 2. 驱动力与阻力计算 小车在行驶过程中要克服各种阻碍力，这些力包括：滚动阻力f F 、空气阻力w F 、
坡度阻力r F 、加速度阻力j F 。这些阻力均由驱动力t F 来克服，因此： j r w f t F F F F F +++= (1) 滚动阻力f F 滚动阻力在 AGV 行驶过程中，主要由车轮轴承阻力以及车轮与道路的滚动摩擦阻力所组成，f F 大小为： fg fz f F F F += 式中 fz F ——车轮与轴承间阻力； fg F ——车轮与道路的滚动摩擦阻力。 其中，车轮轴承阻力fz F 为： N 6.3200 48 015.010002 /2 /fz =?? ===D d P D d P F μμ 式中 P ——车轮与地面间的压力，AGV 设计中，小车自重m 为100kg ，最大载 重量m ax M 为200kg ，因此最大整车重量为300kg ，一般情况下，AGV 前行过程中，有三轮同时着地，满足三点决定一平面的规则，各轮的压力为P =1000N [30]； d ——车轮轴直径，驱动轮在本次设计中选择8寸的工业车轮，即d=48mm ； D ——车轮直径，查文献[40]可知，驱动轮在本次设计中选择8 寸的工业车轮，即D =200mm ； μ——车轮轴承摩擦因数，良好的沥青或混凝土路面摩擦阻力系数为0.010—0.018，μ =0.015。 车轮与道路的滚动摩擦阻力fg F 为： N 15015.01000fg =?==Qf F 式中 Q ——车轮承受载荷，Q =1000N ； f ——路面摩擦阻力系数，f =0.015。 则： N 6.18fg fz f =+=F F F (2) 空气阻力w F ： 空气阻力是 AGV 行驶过程当中， 车身与空气间形成了相对运动而产生于车身上的阻力，该阻力主要由法向力以及侧向力两部分组成。空气阻力与AGV 沿行驶方向的投影面积以及车身与空气的相对运动速度有关， 但由于AGV 工作于
电动汽车驱动电机的设计与选型 全世界的汽车保有量和使用量的逐日增大，世界能源问题越来越突出，电动汽车方向逐渐出现并在汽车领域占有了一个非常重要的位置。早在20世纪50年代初，美国人罗伯特就发明了一种将电动机、传动系统和制动系统融为一体的轮毂装置。该轮毂于1968年被通用电气公司应用在大型的矿用自卸车上。 相对与传动汽车、单电机集中驱动的汽车，轮毂电机式电动汽车具有以下优点：动力控制通过电子线控技术实现对各电动轮进行无级变速控制，以及各电动轮之间的差速要求，省略了传统汽车所需的波箱、离合器、变速器、传动轴等；在电机所安装的位置同时可见，整车的结构变得简洁、紧凑，车身高降低，可利用空间大，传动效率高。容易实现各电动轮的电气制动、机电复合制动和制动能量回馈。底盘结构大为简化，使整车总布置和车身造型设计的自由度增加。若能将底盘承载功能与车身功能分离，则可实现相同底盘不同车身造型的产品多样化和系列化，从而缩短新车型的开发周期，降低开发成本。若在采用轮毂电机驱动系统的四轮电动汽车上导入线控四轮转向技术(4WS)，实现车辆转向行驶高性能化，可有效减小转向半径，甚至实现零转向半径，大大增加了转向灵便性。（说起来很轻松，但是如果真正实现起
来，上面那段话恐怕十年之内都没办法产业化，比如机电复合制动，比如制动能量回馈，原理不难，难的是在技术、成本、产业、供应商等等条件都成熟起来之后......）1.电动汽车基本参数参数确定1.1 该电动汽车基本参数要求，如下表：1.2 动力性指标如下： 最大车速X；在车速=60km/h时爬坡度5%（3度）；在车速=40km/h时爬坡度12% （6.8度）；原地起步至100km/h的加速时间；最大爬坡度（16度）；0到75km/h加速时间；具备2~3倍过载能力。2.电机参数设计一般来说,电动汽车整车动力性能指标中最高车速对应的是持续工作区，即电动机的额定功率；而最大爬坡度和全力加速时间对应的是短时工作区(1～5min),即电动机的峰值功率。2.1 以最高车速确定电机额定功率根据虽高车速计算电机功率时，不考虑加速阻力和坡道阻力，电机功率应满足：式中：电机输出功率，kw；传动系效率，取0.9；最大车重，取1400kg;滚动摩擦系数，取0.014；风阻系数，取0.33；迎风面积，取2.50㎡；最高车速，取100km/h。根据（1）（2）式，可以计算出满足最高车速时，电机输出额定功率为21.023kw[3]。2.2 根据要求车速的爬坡度计算 根据公式（4），其中在车速=60km/h时爬坡度5%可得：根据公式（4），其中在车速=40km/h时爬坡度12%可得： 根据（4）式，可以计算出满足车速为60km/h时，爬坡度为
电机的选择： （1）电机扭矩的计算 负载扭矩是由于驱动系统的摩擦力和切削力所引起的可用下式表达： FL M =π2 式中 M-----电动机轴转距； F------使机械部件沿直线方向移动所需的力； L------电动机转一圈（2πrad ）时，机械移动的距离 2πM 是电动机以扭矩M 转一圈时电动机所作的功，而FL 是以F 力机械移动L 距离时所需的机械功。 实际机床上，由于存在传动效率和摩擦系数因素，滚珠丝杠克服外部载荷P 做等速运动所需力矩，应按下式计算： z z M h h F M B sp SP ao P K 2 11122? ??? ??++=ηππ M 1-----等速运动时的驱动力矩 π 2h F sp ao K ---双螺母滚珠丝杠的预紧力矩 F ao ------预紧力(N),通常预紧力取最大轴向工作载荷 F m ax 的1/3，即 F ao = 3 1F m ax 当F m ax 难于计算时，可采用F ao =~)(N C a ； C a -----滚珠丝杠副的额定载荷，产品样本中可查： h sp -----丝杠导程(mm)； K--------滚珠丝杠预紧力矩系数，取~； P---------加在丝杠轴向的外部载荷(N),W F P μ+=； F---------作用于丝杠轴向的切削力(N)； W--------法向载荷(N),P W W 11+=； W 1 -----移动部件重力(N),包括最大承载重力；
P 1 -------有夹板夹持时（如主轴箱）的夹板夹持力； μ --------导轨摩擦系数，粘贴聚四氟乙烯板的滑动导轨副09.0=μ，有 润滑条件时，05.0~03.0=μ，直线滚动导轨004.0~003.0=μ； η 1 -------滚珠丝杠的效率，取~； M B ----支撑轴承的摩擦力矩，即叫启动力矩,可以从滚珠丝杠专用轴承样 本中得到，见表2-6（这里注意，双支撑轴承有M B 之和的问题） z 1 --------齿轮1的齿数 z 2 --------齿轮2的齿数 最后按满足下式的条件选择伺服电机 M M s ≤1 M s -----伺服电机的额定转距 （2）惯量匹配计算 为使伺服进给系统的进给执行部件具有快速相应能力，必须选用加速能力大的电动机，亦即能够快速响应的电机（如采用大惯量伺服电机），但又不能盲目追求大惯量，否则由于不能从分发挥其加速能力，会不经济的。因此必须使电机惯量与进给负载惯量有个合理的匹配。 通常在电机惯量J M 与负载惯量J L （折算至电动机轴）或总惯量J r 之间，推荐下列匹配关系： 14 1≤≤J J M L 或 8.05.0≤≤ J J r M 或 5.02.0≤≤ J J r L 1. 回转的惯量：
电机选型计算和涡轮蜗杆传动选型计算 主要性能参数要求： 履带底盘总重：40 kg 现取履带底盘平地行驶最大速度：1m/s，加速度：2 m s 0.2/ 爬坡最大速度：0.5m/s，加速度：2 0.2/ m s 驱动轮直径：200mm； 35； 爬坡角度：o 履带底盘主履带驱动电机的选择 1、基于平地最大速度的驱动电机功率计算 在城市道路上行驶时，履带底盘受力较简单。进行简化计算，假设车体以最大速度1m/s直线行驶，不考虑履带底盘行驶中的空气阻力，则其受力情况，如图1所示： 图1 履带底盘平地行驶示意图 假设在运动过程中，轮子作瞬时纯滚动。 根据理论力学平衡条件，有平衡方程： X方向受力平衡： +=（1-1） ma f Y方向受力平衡： +=（1-2） mg N
以O 点为对象力矩平衡： 0l f fR M M ++= （1-3） 滚动摩阻力矩： f M N δ= （1-4） 式中： m —— 车体总重量（kg ）； a —— 车体运行加速度（2/m s ） ； f —— 地面对履带底盘的摩擦阻力（N ）； N —— 地面对履带底盘的支撑力（N ）； R —— 驱动轮半径（m ）； M l —— 作用于驱动轮的驱动力矩（Nm ）； M f —— 驱动轮滚动摩阻力矩（Nm ）； δ—— 地面履带滚动摩阻系数，δ=0.007。 假设车体在5秒内达到最大速度1m/s ，则加速度： 20.2 /a m s = 联立上述方程： l f M M fR =+=1.02.0408.940007.0??+??=3.544Nm 同时，根据公式： ωνR = （1-5） 代入v =1m/s ，R=0.1m 的值，可求得主动轮角速度为ω=10/rad s 。 又根据要求的行驶最大速度max v =1m/s ， max max 60 v n D π?= （1-6） 由公式1-6初步确定电机经过减速后的最大输出转速： max n =160 3.140.2 ??=95.54 r /min
驱动轮直流电机选择计算 The final edition was revised on December 14th, 2020.
驱动轮电机用于驱动 AGV 的运行，包括AGV 的直行及差速转弯。在选择电机时，我们通常需要计算出电机的额定功率、额定转矩、额定转速等[28]。而在驱动电机的参数计算之前首先需要明确 AGV 的各项设计要求，如表3-1 所示。 3.1.1 电动机的选择 1. 驱动力与转矩关系 AGV 在地面行驶时，轮子与地面接触，AGV 克服摩擦力向前行驶，电机输出转矩Tq 为小车提供驱动力。而Tq 经减速机减速后得到输出转矩Tt 输出至驱动轮，输出转矩Tt 为： 式中 g i ——减速机减速比； q T ——电机输出转矩； t T ——输出转矩； ——电机轴经减速机到驱动轮的效率。 驱动轮在电机驱动下在地面转动，此时相对于地将形成一个圆周力，而地面对驱动轮也将产生一个等值、反向的力t F ，该力即为驱动轮的驱动力[29] 。驱动力为： 式中 q R ——驱动轮的驱动半径。 由于驱动轮一般刚性较好，视其自由半径、静力半径、滚动半径三者相同，均为q R 。 2. 驱动力与阻力计算 小车在行驶过程中要克服各种阻碍力，这些力包括：滚动阻力f F 、空气阻力w F 、坡度阻力r F 、加速度阻力j F 。这些阻力均由驱动力t F 来克服，因此： (1) 滚动阻力f F 滚动阻力在 AGV 行驶过程中，主要由车轮轴承阻力以及车轮与道路的滚动摩擦阻力所组成，f F 大小为：
式中 F——车轮与轴承间阻力； fz F——车轮与道路的滚动摩擦阻力。 fg 其中，车轮轴承阻力 F为： fz 式中P——车轮与地面间的压力，AGV设计中，小车自重m为100kg，最大载重量 M为200kg，因此最大整车重量为300kg，一般情况下，AGV前行过程中，有三轮m ax 同时着地，满足三点决定一平面的规则，各轮的压力为P=1000N[30]； d——车轮轴直径，驱动轮在本次设计中选择8寸的工业车轮，即d=48mm； D——车轮直径，查文献[40]可知，驱动轮在本次设计中选择8 寸的工业车轮，即D=200mm； μ——车轮轴承摩擦因数，良好的沥青或混凝土路面摩擦阻力系数为—，μ =。 F为： 车轮与道路的滚动摩擦阻力 fg 式中Q——车轮承受载荷，Q=1000N； f——路面摩擦阻力系数，f=。 则： F： (2)空气阻力 w 空气阻力是 AGV 行驶过程当中，车身与空气间形成了相对运动而产生于车身上的阻力，该阻力主要由法向力以及侧向力两部分组成。空气阻力与AGV 沿行驶方向的投影面积以及车身与空气的相对运动速度有关，但由于AGV工作于室内，基本工作环境中无风，且速度不快，同时 AGV 前后方的投影面积均不大，因此认为空气阻力F[31]。 ≈ w F： (3)坡度阻力 r AGV 所实际行驶的路面并非理想化绝对平整，而是存在一定的坡度[32]，当 AGV行驶到该坡度处时，重力将产生一个沿着坡度方向的阻力，这个阻力就被称之为坡度阻F，表达式为： 力 r 式中G——AGV 满载总重量； α——最大坡度。 在 GB/T 20721-2006“自动导引小车国标”中表示：路面坡度（H/L）定义为在100mm 以上的长度范围内，路线水平高度差与长度的最大比值，路面坡度的最大比值需要小于（含），对于 AGV 精确定位的停车点，路面坡度需要小于（含）[33]。取坡度： 因此： F： （4）加速度阻力 j
电机： 电机是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。电机在电路中是用字母M表示，它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源，发电机在电路中用字母G表示，它的主要作用是利用机械能转化为电能。 伺服电机： 伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。 伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。 工作原理： 1、伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标的任意变化的自动控制系统。伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就
会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。 无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。 2、交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。 3、伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。 交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上的区别：交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。
步进电机选型表中有部分参数需要计算来得到。但是实际计算中许多情况我们都无法得到确切的机械参数，因此，这里只给出比较简单的计算方法。 ◎驱动模式的选择 驱动模式是指如何将传送装置的运动转换为步进电机的旋转。 下图所示的驱动模式包括了电机的加/减速时间，驱动和定位时间，电机的选型基于模式图。 ●必要脉冲数的计算 必要脉冲数是指传动装置将物体从起始位置传送到目标位置所需要提供给步进电机的脉冲数。必要脉冲数按下面公式计算： 必要脉冲数＝ 物体移动的距离 距离电机旋转一周移动的距离× 360 o 步进角 ●驱动脉冲速度的计算 驱动脉冲速度是指在设定的定位时间中电机旋转过一定角度所需要的脉冲数。 驱动脉冲数可以根据必要脉冲数、定位时间和加/减速时间计算得出。 （1）自启动运行方式 自启动运行方式是指在驱动电机旋转和停止时不经过加速、减速阶段，而直接以驱动脉冲速度启动和停止的运行方式。 自启动运行方式通常在转速较低的时候使用。同时，因为在启动/停止时存在一个突然的速度变化，所以这种方式需要较大的加/减速力矩。 自启动运行方式的驱动脉冲速度计算方法如下： 驱动脉冲速度[Hz]= 必要脉冲数[脉冲] 定位时间[秒]
（2）加/减速运行方式 加//减速运行方式是指电机首先以一个较低的速度启动，经过一个加速过程后达到正常的驱动脉冲速度，运行一段时间之后再经过一个减速过程后电机停止的运行方式。其定位时间包括加速时间、减速时间和以驱动脉冲速度运行的时间。 加/减速时间需要根据传送距离、速度和定位时间来计算。在加/减速运行方式中，因为速度变化较小， 所以需要的力矩要比自启动方式下的力矩小。加/减速运行方式下的驱动脉冲速度计算方法如下： 必要脉冲数－启动脉冲数[Hz]×加/减速时间[秒] 驱动脉冲速度[Hz]= 定位时间[秒]－加/减速时间[秒] ◎电机力矩的简单计算示例 必要的电机力矩＝（负载力矩+加/减速力矩）×安全系数 ●负载力矩的计算（T L） 负载力矩是指传送装置上与负载接触部分所受到的摩擦力矩。步进电机驱动过程中始终需要此力矩。负载力矩根据传动装置和物体的重量的不同而不同。许多情况下我们无法得到精确的系统参数，所以下面只给出了简单的计算方法。 负载力矩可以根据下面的图表和公式来计算。 （1）滚轴丝杆驱动
伺服电机的选型计算方法
2012-4-17 10:51:00 来源：kingservo
１、
伺服电机和步进电机的性能比较
步进电机作为一种开环控制的系统， 和现代数字控制技术有着本质的联系。 在目前国 内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交 流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。 为了适应数字控制的发展趋势， 运动控 制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。 虽然两者在控制方 式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二 者的使用性能作一比较。 一、控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为 1.8°、0.9°，五相混合式步进电机步距角一般 为 0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步进电机通过细分后步距角更小。如山洋公司 （SANYO DENKI）生产的二相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为 1.8°、 0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合 式步进电机的步距角。 交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以京伺服（KINGSERVO) 全数字式交流伺服电机为例，对于带标准 2500 线编码器的电机而言，由于驱动器内部采 用了四倍频技术，其脉冲当量为 360°/10000=0.036°。对于带 17 位编码器的电机而言， 驱动器每接收 131072 个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为 360°/131072=0.0027466°， 是步距角为 1.8°的步进电机的脉冲当量的 1/655。 二、低频特性不同 步进电机在低速时易出现低频振动现象。 振动频率与负载情况和驱动器性能有关， 一 般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。 这种由步进电机的工作原理所决定的低频振 动现象对于机器的正常运转非常不利。 当步进电机工作在低速时， 一般应采用阻尼技术来 克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。 交流伺服电机运转非常平稳， 即使在低速时也不会出现振动现象。 交流伺服系统具有 共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检 测出机械的共振点，便于系统调整。 三、矩频特性不同 步进电机的输出力矩随转速升高而下降， 且在较高转速时会急剧下降， 所以其最高工 作转速一般在 300～600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为 2000RPM 或 3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 四、过载能力不同 步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以京伺服 （KINGSERVO)交流伺服系统为例， 它具有速度过载和转矩过载能力。 其最大转矩为额定转 矩的三倍， 可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。 步进电机因为没有这种过载能力， 在选型时为了克服这种惯性力矩， 往往需要选取较大转矩的电机， 而机器在正常工作期间 又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。 五、运行性能不同
驱动轮电机用于驱动AGV的运行，包括AGV的直行及差速转弯。在选择 电机时，我们通常需要计算出电机的额定功率、额定转矩、额定转速等［28］。而在驱动电机的参数计算之前首先需要明确AGV的各项设计要求，如表3-1所 示。 表3-1 AGV设计要求 3.1.1 电动机的选择 1. 驱动力与转矩关系 AGV在地面行驶时，轮子与地面接触，AGV克服摩擦力向前行驶，电机输出转矩Tq为小车提供驱动力。而Tq经减速机减速后得到输出转矩Tt输出至驱动轮，输出转矩Tt为： Tt i g Tq 式中i g 减速机减速比； Tq ------ 电机输出转矩； Tt ――输出转矩； ——电机轴经减速机到驱动轮的效率。 驱动轮在电机驱动下在地面转动，此时相对于地将形成一个圆周力，而地面对驱动轮也将产生一个等值、反向的力F t，该力即为驱动轮的驱动力［29］。驱动力为： F卫i g Tq t Rq Rq 式中Rq ――驱动轮的驱动半径。 由于驱动轮一般刚性较好，视其自由半径、静力半径、滚动半径三者相同， 均为Rq。 2. 驱动力与阻力计算 小车在行驶过程中要克服各种阻碍力，这些力包括：滚动阻力F f、空气阻力F w、
坡度阻力F r 、加速度阻力F j 。这些阻力均由驱动力F t 来克服，因此: F t F f F w F r F j (1) 滚动阻力F f 滚动阻力在AGV 行驶过程中，主要由车轮轴承阻力以及车轮与道路的滚动 摩擦阻力所组成，F f 大小为： F f F fz F fg 式中 F fz ——车轮与轴承间阻力； F fg ――车轮与道路的滚动摩擦阻力 其中，车轮轴承阻力F fz 为: 式中 P ——车轮与地面间的压力，AGV 设计中，小车自重m 为100kg ，最大载 重量M max 为200kg ,因此最大整车重量为300kg , —般情况下，AGV 前行过程中, 有三轮同时着地，满足三点决定一平面的规则，各轮的压力为 P=1000NT ； d ――车轮轴直径，驱动轮在本次设计中选择 8寸的工业车轮，即 d=48mm D ――车轮直径，查文献［40］可知，驱动轮在本次设计中选择 8寸的工 业车轮，即D=200mm 卩一一车轮轴承摩擦因数，良好的沥青或混凝土路面摩擦阻力系数为 0.010 — 0.018，卩=0.015。 车轮与道路的滚动摩擦阻力F fg 为: F fg Qf 1000 0.015 15N 式中 Q 车轮承受载荷，C=1000N ； f ――路面摩擦阻力系数，f =0.015。 则： F f F fz F fg 18.6N (2) 空气阻力F w : 空气阻力是AGV 行驶过程当中， 车身与空气间形成了相对运动而产生于车 身上的阻力，该阻力主要由法向力以及侧向力两部分组成。空气阻力与 AGV 沿 行驶方向的投影面积以及车身与空气的相对运动速度有关， 但由于AGV 工作于 室内，基本工作环境中无风， 且速度不快， 同时 AGV 前后方的投影面积均不大， 因 fz P d/2 D /2 1000 0.015 48 200 3.6N
步进电机选型的计算方法 步进电机选型表中有部分参数需要计算来得到。但是实际计算中许多情况我们都无法得到确切的机械参数，因此，这里只给出比较简单的计算方法。 一、驱动模式的选择 驱动模式是指如何将传送装置的运动转换为步进电机的旋转。 下图所示的驱动模式包括了电机的加/减速时间，驱动和定位时间，电机的选型基于模式图。 ●必要脉冲数的计算 必要脉冲数是指传动装置将物体从起始位置传送到目标位置所需要提供给步进电机的脉冲数。必要脉冲数按下面公式计算： 必要脉冲数＝ 物体移动的距离 距离电机旋转一周移动的距离 × 360 o 步进角 ●驱动脉冲速度的计算 驱动脉冲速度是指在设定的定位时间中电机旋转过一定角度所需要的脉冲数。 驱动脉冲数可以根据必要脉冲数、定位时间和加/减速时间计算得出。 （1）自启动运行方式 自启动运行方式是指在驱动电机旋转和停止时不经过加速、减速阶段，而直接以驱动脉冲速度启动和停止的运行方式。 自启动运行方式通常在转速较低的时候使用。同时，因为在启动/停止时存在一个突然的速度变化，所以这种方式需要较大的加/减速力矩。 自启动运行方式的驱动脉冲速度计算方法如下： 驱动脉冲速度[Hz]= 必要脉冲数[脉冲] 定位时间[秒] （2）加/减速运行方式
加//减速运行方式是指电机首先以一个较低的速度启动，经过一个加速过程后达到正常的驱动脉冲速度，运行一段时间之后再经过一个减速过程后电机停止的运行方式。其定位时间包括加速时间、减速时间和以驱动脉冲速度运行的时间。 加/减速时间需要根据传送距离、速度和定位时间来计算。在加/减速运行方式中，因为速度变化较小，所以需要的力矩要比自启动方式下的力矩小。加/减速运行方式下的驱动脉冲速度计算方法如下： 驱动脉冲速度[Hz]= 必要脉冲数－启动脉冲数[Hz]×加/减速时间[秒] 定位时间[秒]－加/减速时间[秒] 二、电机力矩的简单计算示例 必要的电机力矩＝（负载力矩+加/减速力矩）×安全系数 ●负载力矩的计算（TL） 负载力矩是指传送装置上与负载接触部分所受到的摩擦力矩。步进电机驱动过程中始终需要此力矩。负载力矩根据传动装置和物体的重量的不同而不同。许多情况下我们无法得到精确的系统参数，所以下面只给出了简单的计算方法。 负载力矩可以根据下面的图表和公式来计算。 （1）滚轴丝杆驱动 ※负载力矩的计算公式： TL＝[ F·PB 2πη + μ0F0PB 2π ]× 1 i [kgf·cm] ※负载力矩的估算公式： TL＝m·PB 2πη × 1 i [kgf·cm] （水平方向） TL＝m·PB × 1 ×2 [kgf·cm] （垂直方向）
驱动电动机的选型与计算 1、计算折算在电动机轴上的负荷惯量 （1）计算滚珠丝杠的转动惯量r J 。 已知滚珠丝杠的密度-33=7.810kg/cm ρ?，则由式（2-63）得 ()34 1344422 0.78100.7810 2.510 3.236 2.512.53.63n r j j j J D L kg cm kg cm -=-=?=???+????=?∑ （2）计算折算到丝杠轴上的移动部件的转动惯量L J 已知机床纵向进给系统执行部件的总质量m=81.63kg ；丝杠轴每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离L=0.6cm ，则由式（2-65）得 22 220.6m 81.630.7522 3.14L L J kg cm kg cm π????==??=? ? ?????? （3）计算各齿轮的转动惯量。 ()34 1344422 0.78100.7810 2.510 3.236 2.512.53.63n r j j j J D L kg cm kg cm -=-=?=???+????=?∑ （4）由式（2-66）计算加在电动机轴上总负载转动惯量d J 。 123422111()()d Z Z Z Z r L J J J J J J J i i =+++++ ()()2110.4 1.50.4 2.6 3.630.751.96 6.25kg cm ??=+?++?++????? 22.5kg cm =? 2、计算折算到电动机轴上的负载力矩 （1）计算折算到电动机轴上的切削负载力矩c T 。 已知在切削状态下的轴向负载力max 2340.34a a F F N ==。丝杠每转一圈机床执行部件轴向移动距离L=6mm=0.006m ，进给传动系统的传动比i=2.5，进给传动系统的总效率η=0.85，则由式（2-54）得 2340.340.006 1.0522 3.140.85 2.5 n c F L T N m N m i πη?==?=????
步进电机选型的计算示例 一、必要脉冲数和驱动脉冲数速度计算的示例 下面给出的是一个3相步进电机必要脉冲数和驱动脉冲速度的计算示例。这是一个实际应用例子，可以更好的理解电机选型的计算方法。 1.1 驱动滚轴丝杆 如下图，3相步进电机（1.2°/步）驱动物体运动1秒钟，则必要脉冲数和驱动脉冲速度的计算方法如下： 必要脉冲数＝ 100 10 × 360° 1.2° ＝3000[脉冲] 如果采用自启动方式驱动1秒钟，则驱动脉冲速度应该这样计算： 3000[Pulse]/1[sec]=3[kHz] 但是，自启动速度不可能是5kHz，应该采用加/减速运行方式来驱动。如果加/减速时间设置为定位时间的25%，启动脉冲速度为500[Hz]，则计算方法如下： 驱动脉冲速度[Hz]＝3000[脉冲]－500[Hz]×0.25[秒] 1[秒]－0.25[秒] ＝3.8 [kHz] 如图所示： 1.2驱动传动带 如下图，3相步进电机（1.2°/步）驱动物体运动1秒钟。驱动轮的周长即旋转一圈移动的距离大约为50[mm]。 因此，所需要的必要脉冲数为： 必要脉冲数＝ 1100 50 × 360° 1.2° ＝6600 [脉冲]
所需参数同上例驱动滚轴丝杆，采用加/减速运行模式，则驱动脉冲速度为： 驱动脉冲速度[Hz]＝6600[脉冲]－500[Hz]×0.25[秒] 1[秒]－0.25[秒] ＝8.7 [kHz] 如图所示： 二、负载力矩的计算示例（T L） 下面给出的是一个3相步进电机负载力矩的计算示例。这是一个实际应用例子，其中的数字公式有助于更好的理解电机选型的应用。 2.1滚轴丝杆驱动水平负载 如下图，滚轴丝杆驱动水平负载，效率为90%，负载重量为40千克，则负载力矩的计算方法如下： T L＝m·P B 2πη × 1 i [kgf·cm] T L＝40[kg]×1[cm] 2π×0.9 × 1 1 ＝7.07 [kgf·cm] 2.2传送带驱动水平负载 传送带驱动水平负载，效率为90%，驱动轮直径16毫米，负载重量是9千克，则负载力矩的计算方法如下：
步进电机驱动芯片选型指南 以下是中国步进电机网对步进电机驱动系统所做的较为完整的表述： 1、系统常识： 步进电机和步进电机驱动器构成步进电机驱动系统。步进电机驱动系统的性能，不但取决于步进电机自身的性能，也取决于步进电机驱动器的优劣。对步进电机驱动器的研究几乎是与步进电机的研究同步进行的。 2、系统概述： 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行元件。当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号（来自控制器），它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。 3、系统控制： 步进电机不能直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专用的驱动电源（步进电机驱动器）。控制器（脉冲信号发生器）可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 4、用途： 步进电机是一种控制用的特种电机，作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，随着微电子和计算机技术的发展（步进电机驱动器性能提高），步进电机的需求量与日俱增。步进电机在运行中精度没有积累误差的特点，使其广泛应用于各种自动化控制系统，特别是开环控制系统。 5、步进电机按结构分类： 步进电机也叫脉冲电机，包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）等。 （1）反应式步进电机： 也叫感应式、磁滞式或磁阻式步进电机。其定子和转子均由软磁材料制成，定子上均匀分布的大磁极上装有多相励磁绕组，定、转子周边均匀分布小齿和槽，通电后利用磁导的变化产生转矩。一般为三、四、五、六相；可实现大转矩输出（消耗功率较大，电流最高可达20A，驱动电压较高）；步距角小（最小可做到六分之一度）；断电时无定位转矩；电机内阻尼较小，单步运行（指脉冲频率很低时）震荡时间较长；启动和运行频率较高。 （2）永磁式步进电机： 通常电机转子由永磁材料制成，软磁材料制成的定子上有多相励磁绕组，定、转子周边没有小齿和槽，通电后利用永磁体与定子电流磁场相互作用产生转矩。一般为两相或四相；输出转矩小（消耗功率较小，电流一般小于2A，驱动电压12V）；步距角大（例如7.5度、15度、22.5度等）；断电时具有一定的保持转矩；启动和运行频率较低。（3）混合式步进电机： 也叫永磁反应式、永磁感应式步进电机，混合了永磁式和反应式的优点。其定子和四相反应式步进电机没有区别（但同一相的两个磁极相对，且两个磁极上绕组产生的N、S极性必须相同），转子结构较为复杂（转子内部为圆柱形永磁铁，两端外套软磁材料，周边有小齿和槽）。一般为两相或四相；须供给正负脉冲信号；输出转矩较永磁式大（消耗功率相对较小）；步距角较永磁式小（一般为1.8度）；断电时无定位转矩；启动和运行频率较高；是目前发展较快的一种步进电机。 6、步进电机按工作方式分类：可分为功率式和伺服式两种。 （1）功率式：输出转矩较大，能直接带动较大负载（一般使用反应式、混合式步进电机）。 （2）伺服式：输出转矩较小，只能带动较小负载（一般使用永磁式、混合式步进电机）。 7、步进电机的选择： （1）首先选择类型，其次是具体的品种与型号。 （2）反应式、永磁式和混合式三种步进电机的性能指标、外形尺寸、安装方法、脉冲电源种类和控制电路等都不同，价格差异也很大，选择时应综合考虑。 （3）具有控制集成电路的步进电机应优先考虑。 8、步进电机的基本参数： （1）电机固有步距角：它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角
确定滚珠丝杠副的导程 根据电机额定转速和X 向滑板最大速度，计算丝杠导程。X 向运动的驱动电机选择松下MDMA152P1V ，电机最高转速为4500rpm 。电机与滚珠丝杆通过联轴器连接，传动比为。X 向最大运动速度24m/min ，即24000mm/min 。则丝杠导程为 max max 24000/ 5.390.994500 h P V i n =?=≈? 实际取mm P h 10=，可满足速度要求。 滚珠丝杠副的载荷及转速计算 滚动导轨承重时的滑动摩擦系数最大为，静摩擦系数与摩擦系数差别不大，此处计算取静摩擦系数为。则导轨静摩擦力： 000.0065009.84549.4F M g f N μ=??+=??+?= 式中： M ——工件及工作台质量， M 为500kg 。 f ——导轨滑块密封阻力，按4个滑块，每个滑块密封阻力5N 。 由于该设备主要用于检测，丝杠工作时不受切削力，检测运动接近匀速，其阻力主要来自于导轨、滑块的摩擦力。则有： max min 60/6024/10144h n n v P rpm ≈=?=?= max min 049.4F F F N ≈≈= 滚珠丝杠副的当量载荷： max min 0249.43 m F F F F N +=≈= 滚珠丝杠副的当量转速： max min 1443 m n n n rpm += = 滚珠丝杠副预期额定动载荷 1.3.1按滚珠丝杠副的预期工作时间计算： 49.41253.0310010011 m w am a c F f C N f f ?===?? 式中： m n ——当量转速，max min 1443 m n n n rpm +== h L ——预期工作时间，测试机床选择15000小时 ——负荷系数，平稳无冲击选择w f =1 a f ——精度系数，2级精度选择a f =1
步进电机选择的详细计算过程 2011-07-25 00:13:59| 分类：默认分类|举报|字号订阅 1，如何正确选择伺服电机和步进电机？ 主要视具体应用情况而定，简单地说要确定：负载的性质（如水平还是垂直负载等），转矩、惯量、转速、精度、加减速等要求，上位控制要求（如对端口界面和通讯方面的要求），主要控制方式是位置、转矩还是速度方式。供电电源是直流还是交流电源，或电池供电，电压范围。据此以确定电机和配用驱动器或控制器的型号。 2，选择步进电机还是伺服电机系统？ 其实，选择什么样的电机应根据具体应用情况而定，各有其特点。请见下表，自然明白。
各种环境。 交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。 6，使用电机时要注意的问题？ 上电运行前要作如下检查： 1）电源电压是否合适（过压很可能造成驱动模块的损坏）；对于直流输入的+/-极性一定不能接错，驱动控制器上的电机型号或电流设定值是否合适（开始时不要太大）； 2）控制信号线接牢靠，工业现场最好要考虑屏蔽问题（如采用双绞线）； 3）不要开始时就把需要接的线全接上，只连成最基本的系统，运行良好后，再逐步连接。 4）一定要搞清楚接地方法，还是采用浮空不接。 5）开始运行的半小时内要密切观察电机的状态，如运动是否正常，声音和温升情况，发现问题立即停机调整。 7，步进电机启动运行时，有时动一下就不动了或原地来回动，运行时有时还会失步，是什么问题？ 一般要考虑以下方面作检查： 1）电机力矩是否足够大，能否带动负载，因此我们一般推荐用户选型时要选用力矩比实际需要大50%~100%的电机，因为步进电机不能过负载运行，哪怕是瞬间，都会造成失步，严重时停转或不规则原地反复动。 2）上位控制器来的输入走步脉冲的电流是否够大（一般要>10mA），以使光耦稳定导通，输入的频率是否过高，导致接收不到，如果上位控制器的输出电路是CMOS电路，则也要选用CMOS输入型的驱动器。 3）启动频率是否太高，在启动程序上是否设置了加速过程，最好从电机规定的启动频率内开始加速到设定频率，哪怕加速时间很短，否则可能就不稳定，甚至处于惰态。 4）电机未固定好时，有时会出现此状况，则属于正常。因为，实际上此时造成了电机的强烈共振而导致进入失步状态。电机必须固定好。 5）对于5相电机来说，相位接错，电机也不能工作。 8，我想通过通讯方式直接控制伺服电机，可以吗？ 可以的，也比较方便，只是速度问题，用于对响应速度要求不太高的应用。如果要求快速的响应控制参数，最好用伺服运动控制卡，一般它上面有DSP和高速
必要脉冲数＝100 10 × 360° 1.2° ＝3000[脉冲] 如果采用自启动方式驱动1秒钟，则驱动脉冲速度应该这样计算： 3000[Pulse]/1[sec]=3[kHz] 但是，自启动速度不可能是5kHz，应该采用加/减速运行方式来驱动。如果加/减速时间设置为定位时间的25%，启动脉冲速度为500[Hz]，则计算方法如下： 驱动脉冲速度[Hz]＝3000[脉冲]－500[Hz]×0.25[秒] 1[秒]－0.25[秒] ＝3.8[kHz] 如图所示： 1.2驱动传动带 如下图，3相步进电机（1.2°/步）驱动物体运动1秒钟。驱动轮的周长即旋转一圈移动的距离大约为50[mm]。 因此，所需要的必要脉冲数为： 必要脉冲数＝1100 50 × 360° 1.2° ＝6600[脉冲]
所需参数同上例驱动滚轴丝杆，采用加/减速运行模式，则驱动脉冲速度为： 驱动脉冲速度[Hz]＝6600[脉冲]－500[Hz]×0.25[秒] 1[秒]－0.25[秒] ＝8.7[kHz] 如图所示： 二、负载力矩的计算示例（T L） 下面给出的是一个3相步进电机负载力矩的计算示例。这是一个实际应用例子，其中的数字公式有助于更好的理解电机选型的应用。 2.1滚轴丝杆驱动水平负载 如下图，滚轴丝杆驱动水平负载，效率为90%，负载重量为40千克，则负载力矩的计算方法如下： T L＝m·P B 2πη × 1 i [kgf·cm] T L＝40[kg]×1[cm] 2π×0.9 × 1 1 ＝7.07[kgf·cm] 2.2传送带驱动水平负载 传送带驱动水平负载，效率为90%，驱动轮直径16毫米，负载重量是9千克，则负载力矩的计算方法如下：
表 3-1 AGV 设计要求 3.1.1 电动机的选择 1. 驱动力与转矩关系 AGV 在地面行驶时，轮子与地面接触，AGV 克服摩擦力向前行驶，电机输出转矩Tq 为小车提供驱动力。而Tq 经减速机减速后得到输出转矩Tt 输出至驱动轮，输出转矩Tt 为： q t g T i T η= 式中 g i ——减速机减速比； q T ——电机输出转矩； t T ——输出转矩； η——电机轴经减速机到驱动轮的效率。 驱动轮在电机驱动下在地面转动，此时相对于地将形成一个圆周力，而地面对驱动轮也将产生一个等值、反向的力t F ，该力即为驱动轮的驱动力[29] 。驱动力为： q q q t g t R T i R T F η= = 式中 q R ——驱动轮的驱动半径。 由于驱动轮一般刚性较好，视其自由半径、静力半径、滚动半径三者相同，均为q R 。 2. 驱动力与阻力计算 小车在行驶过程中要克服各种阻碍力，这些力包括：滚动阻力f F 、空气阻力w F 、坡度阻力r F 、加速度阻力j F 。这些阻力均由驱动力t F 来克服，因此： j r w f t F F F F F +++=
(1) 滚动阻力f F 滚动阻力在 AGV 行驶过程中，主要由车轮轴承阻力以及车轮与道路的滚动摩擦阻力所组成，f F 大小为： fg fz f F F F += 式中 fz F ——车轮与轴承间阻力； fg F ——车轮与道路的滚动摩擦阻力。 其中，车轮轴承阻力fz F 为： N 6.3200 48 015.010002 /2 /fz =?? ===D d P D d P F μμ 式中 P ——车轮与地面间的压力，AGV 设计中，小车自重m 为100kg ，最大载 重量m ax M 为200kg ，因此最大整车重量为300kg ，一般情况下，AGV 前行过程中，有三轮同时着地，满足三点决定一平面的规则，各轮的压力为P =1000N [30]； d ——车轮轴直径，驱动轮在本次设计中选择8寸的工业车轮，即d=48mm ； D ——车轮直径，查文献[40]可知，驱动轮在本次设计中选择8 寸的工业车轮，即D =200mm ； μ——车轮轴承摩擦因数，良好的沥青或混凝土路面摩擦阻力系数为—，μ =。 车轮与道路的滚动摩擦阻力fg F 为： N 15015.01000fg =?==Qf F 式中 Q ——车轮承受载荷，Q =1000N ； f ——路面摩擦阻力系数，f =。 则： N 6.18fg fz f =+=F F F (2) 空气阻力w F ： 空气阻力是 AGV 行驶过程当中， 车身与空气间形成了相对运动而产生于车身上的阻力，该阻力主要由法向力以及侧向力两部分组成。空气阻力与AGV 沿行驶方向的投影面积以及车身与空气的相对运动速度有关， 但由于AGV 工作于室内，基本工作环境中无风，且速度不快，同时 AGV 前后方的投影面积均不大，因此认为空气阻力0≈w F [31]。 (3) 坡度阻力r F ：