飛思卡爾智能車(chē)電機(jī)

3.1.6驅(qū)動(dòng)電機(jī)介紹驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用直流伺服電機(jī)，我們?cè)诖诉x用的是RS-380SH型號(hào)的伺服電機(jī)，這是因?yàn)橹绷魉欧姍C(jī)具有優(yōu)良的速度控制性能，它輸出較大的轉(zhuǎn)矩，直接拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行，同時(shí)它又受控制信號(hào)的直接控制進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。在很多方面有優(yōu)越性，具體來(lái)說(shuō)，它具有以下優(yōu)點(diǎn):具有較大的轉(zhuǎn)矩，以克服傳動(dòng)裝置的摩擦轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩。調(diào)速范圍寬，高精度，機(jī)械特性及調(diào)節(jié)特性線性好，且運(yùn)行速度平穩(wěn)。具有快速響應(yīng)能力，可以適應(yīng)復(fù)雜的速度變化。電機(jī)的負(fù)載特性硬，有較大的過(guò)載能力，確保運(yùn)行速度不受負(fù)載沖擊的影響?？梢蚤L(zhǎng)時(shí)間地處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)而不會(huì)燒毀電機(jī)，一般電機(jī)不能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行于停轉(zhuǎn)狀態(tài)，電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間停轉(zhuǎn)時(shí)，穩(wěn)定溫升不超過(guò)允許值時(shí)輸出的最大堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩稱(chēng)為連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，相應(yīng)的電樞電流為連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流。圖為該伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。圖是此伺服電機(jī)的性能曲線。DIRECTIONOFROTATION取付W4河最尋LtDIRECTIONOFROTATION取付W4河最尋Lt毛一閔￡甲4RUTFUsablemachir*!sawMn^rth-fl.Pma■:.frommolnrmountingvuri&c*.REDMARK圖伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖圖伺服電機(jī)的性能曲線3.1.7舵機(jī)介紹舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。其工作原理是：控制信號(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過(guò)級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。舵機(jī)的控制信號(hào)是PWM信號(hào)，利用占空比的變化改變舵機(jī)的位置。一般舵機(jī)的控制要求如圖所示。圖為舵機(jī)的控制線。ov5V1ins<=|j￡3E<=2iiis圖舵機(jī)控制要求ov5V1ins<=|j￡3E<=2iiis圖舵機(jī)控制要求圖舵機(jī)的控制線控制線輸入一個(gè)周期性的正向脈沖信號(hào)，這個(gè)周期性脈沖信號(hào)的高電平時(shí)間通常在lms-2ms之間。而低電平時(shí)間應(yīng)在5ms到20ms間，并不很?chē)?yán)格。下表表示出一個(gè)典型的20ms周期性脈沖的正脈沖寬度與微型伺服馬達(dá)的輸出臂的位置的關(guān)系：表脈沖寬度與舵機(jī)位置表考慮到舵機(jī)安裝的位置與舵機(jī)的響應(yīng)速度有關(guān)，在設(shè)計(jì)中我把舵機(jī)安裝在較高的位置，使轉(zhuǎn)向拉桿加長(zhǎng)，使得在舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相同的角度時(shí)前輪（即方向輪）轉(zhuǎn)動(dòng)的角度加大，轉(zhuǎn)向靈敏。3.1.1速度控制系統(tǒng)建模控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型在控制系統(tǒng)的研究中有著相當(dāng)重要的地位，要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真處理，首先需要知道系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，而后才有可能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬。速度控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型中最主要的部分就是直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，下面首先著重對(duì)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立進(jìn)行論述，然后對(duì)系統(tǒng)其他部分?jǐn)?shù)學(xué)模型作簡(jiǎn)單說(shuō)明。1.直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型本系統(tǒng)所使用的直流電機(jī)為大賽主委會(huì)統(tǒng)一規(guī)定的RS380-ST/3545型電機(jī)。直流電機(jī)的物理模型如圖所示。圖直流電機(jī)的物理模型圖中所示參數(shù)的意義如下：u—電樞輸入電壓（V）aLa—電樞電感（H）Te圖直流電機(jī)的物理模型圖中所示參數(shù)的意義如下：u—電樞輸入電壓（V）aLa—電樞電感（H）Te一電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩（N?m）B—粘性阻尼系數(shù)（N?m?s）w一電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)角（rad/s）Ra—電樞電阻（歐）E—感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（V）J—轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg?川）i—流過(guò)電樞的電流（A）a根據(jù)基爾霍夫定律和牛頓第二定律對(duì)圖所示的直流電機(jī)列基本方程：u(t)

a=Ri(t)+Ldia(t)+eaaadtaedt（公式E=Kwae式中：K為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)（N?m）A；K為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)常數(shù)（V?S）rad。Te對(duì)公式進(jìn)行拉普拉斯變換，得：U(s)=RI(s)+LsI(s)+E(s)、a'， aa'，aa'， a'，（公式T(s)=JsQ(s)+BG(s)（公式Ea(s)=KeQ(s)Te(s)=KI。(s)根據(jù)公式，消去中間變量，可以求出永磁直流電動(dòng)機(jī)的速度傳遞函數(shù)為：（公式0(s)= Kt （公式U(s)~LJs2+(LB+RJ)s+KK+RBa a a a eTa由公式作出直流電機(jī)的框圖如圖所示。圖直流電機(jī)框圖圖中的T為電氣時(shí)間常數(shù)，e二L/R。為建立直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，eeaa需要求的參數(shù)有電樞電阻R、電樞電感L、轉(zhuǎn)矩常數(shù)Kt、阻尼系數(shù)B,T反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Ke和總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J,其中J=JM+JL，JM為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)TOC\o"1-5"\h\zML M動(dòng)慣量，JL為折合到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。為求得以上參數(shù)值，先（1）電樞電阻R給出電機(jī)RS380-ST/3545（1）電樞電阻RNoLoadMaxEfficiencyMaxOutputStall無(wú)負(fù)載最大效率（％）最大功率()停止CurSCurSToCurSToCurTorentpeedrentpeedrquerentpeedrquerentrque電轉(zhuǎn)電轉(zhuǎn)扭電轉(zhuǎn)扭電扭流速流速矩流速矩流矩rrgrggApmApm?cmApm?cmA?cm1199734685300310065000表RS380-ST/3545技術(shù)指標(biāo)aTOC\o"1-5"\h\z由直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)電壓方程式：U=E+1R，兩邊都乘以I得a aaa aUI=EI+12R （公式aaaa a

上式可以改寫(xiě)成P1-PM+PCua(公式式中，P,-UI是從電源的輸入電功率，PM-EI是電磁功率，轉(zhuǎn)化為機(jī)械1aa Maa功率Pc-T?,pC-12R是電樞回路總的銅損耗。(2 e 上Cua aa由表中的最大功率欄可知，P-UI=*8.61A=62W，P=，I=8.61A，1aa M a因此R=/歐=歐。a電樞電感La使用萬(wàn)用表的電感檔測(cè)得直流電機(jī)的電樞電感L二。則電氣時(shí)間常數(shù)at—L/R=。eaa轉(zhuǎn)矩常數(shù)KT由于T-KI，當(dāng)I=8.61A時(shí)，T=340g?cm=X10-2N?m，則轉(zhuǎn)矩常eTa a e數(shù)K-T/1=X10-2/N?m/A=X10-sN?m/A。Tea阻尼系數(shù)B由于T-KI-B?，當(dāng)T=340g?cm=X10-2N?m時(shí)，e-7650x2兀/60eTa erad/s=rad/s,所以阻尼系數(shù)B-T/C=X10-5N?m/(rad?s-1)。e反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Ke由于直流電機(jī)在最大功率時(shí)，PM-EI=，I=8.61A，則E==。又由于ME-Kw，且e-7650x2兀/60rad/s=s，所以計(jì)算得反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)eKe=(rad?s-1)。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J由前可知，J-JM+JL，下面首先介紹直流電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM的測(cè)ML M量方法。通過(guò)查閱相關(guān)資料，本系統(tǒng)采用了落重法測(cè)量JM，如圖所示，將直流電機(jī)M置于一高臺(tái)上，軸端伸出臺(tái)外在軸端上固定一個(gè)輕度圓盤(pán),圓盤(pán)上繞數(shù)圈細(xì)繩，繩的一端懸掛一個(gè)已知質(zhì)量的重物，另一端固定在圓盤(pán)上，然后讓重物落下，記錄重物數(shù)次落下所需時(shí)間，算出平均值t。按下式求取轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。-mr2(公圖落重法測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量式中JM 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg?m2m——懸掛重物的質(zhì)量，kgr——圓盤(pán)上纏繞細(xì)繩處的半徑，mh――重物下降高度，mg 重力加速度，m/s2t――重物下降h高度所需時(shí)間，s本測(cè)試系統(tǒng)取h=0.8m，m=40g=0.04kg，r=3.9mm=0.0039m，g=9.8m/s2，實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的時(shí)間如表所示。由表求得平均時(shí)間t二，因此由公式求得直流電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM=X10-6kg?m2。表測(cè)試時(shí)間次數(shù)1次數(shù)12345時(shí)間(s)67891011F面求折合到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量jt，由于智能車(chē)是沿著直線運(yùn)動(dòng)的，所以采用計(jì)算公式是物體沿直線運(yùn)動(dòng)時(shí)