驱动轮直流电机选择计算

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：
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 ：
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力r F ，表达式为：
αsin r G F =
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：
︒≈==86.205.0arctan 05.0/）（L H
因此：
N 15086.2sin 3000sin r ≈︒⨯==αG F
（4） 加速度阻力j F ：
小车加速时，需克服总体质量产生的惯性力，这个惯性力即为加速度阻力j F 。

质量可分为平移质量和转动惯量，前者将产生惯性力，后者将产生惯性力矩
[34]。

一般情况下，将转动惯量换算成平移质量后再带入计算，加速度阻力计算式
为：
m ax j ma F δ=
式中 δ——旋转惯量换算系数；
m ——满载总质量。

δ的值应该根据试验旋转部件的转动惯量（包含主动轮与从动轮）后进行计
算。

但在一般满载情况下，查文献[40]可取 δ=，根据设计要求2max m/s 5.0=a 。

因此，加速度阻力为：
N 1565.030004.1max j =⨯⨯==ma F δ
总驱动力为：
N 6.3241561506.18j r f =++=+++=F F F F F w t
3. 确定电机功率与转矩 (1) 估算电机功率
电机驱动功率的计算公式为：
W 19185
01
6324211max ≈⨯⨯==
..ηv F n P t
式中
n ——驱动电机的数量，本次设计中小车为差速驱动方式，可知 n =2；
η——电机到驱动轮的总效率，以电机输出轴到驱动轮的总效率为，即
85.0=η。

（2） 估算电机转矩
差速驱动，AGV 拥有两台电机用于驱动。

因此，每台电机转矩的计算公式为：
)2/(q ηg t i R F T =
97.0=η，30g =i ，将相关参数带入上式得 m N 56.0⋅≈T 。

4. 驱动电机的选型
根据上一节的计算，我们得知，电机估算参数为： 电机功率
W 191≈P
电机转矩
m N 56.0⋅≈T
减速机减速比
30=g i
因此折算电机的最高转速n
r/min 28662
.014.330
60max ≈⨯⨯=
=
D
i v n g
π
式中
m ax v ——小车的最高行驶速度，min /m 60max =v ；
D ——车轮直径，m 2.0=D 。

根据上述，选择弗朗克电子的永磁无刷直流减速电机，型号为FBL-92H25301RS ，其技术参数如表3-2所示。

该减速电机体积小、重量轻、力量大，无极调速，过载能力强，并且免维护。

表3-2
FBL-92H25301RS 永磁无刷直流减速电机参数。