掃地機(jī)直流無刷電機(jī)設(shè)計(jì)方案

掃地機(jī)器人將激動(dòng)機(jī)器人技術(shù)和吸塵器技術(shù)有機(jī)地融合起來，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境（地面）的半自動(dòng)或者全自動(dòng)清潔，替代傳統(tǒng)繁重的共清潔工作，近年來已受到國內(nèi)外的研究人員重視。作為智能移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)特殊應(yīng)用，從技術(shù)方面講，智能化自王式吸塵器比較具體地體現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器人的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，具有較強(qiáng)的代表性。市場前景角度講，自主吸塵器將大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)效率，適用于家庭和公共場館的室內(nèi)清潔。因此，開發(fā)自主智能吸塵器既有科研上的挑戰(zhàn)性，有具有廣闊的市場前景。融合現(xiàn)代傳感器及機(jī)器人領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。代替?zhèn)鹘y(tǒng)的家庭人工清掃方式，是家庭生活電器化、智能化、是科技更好的為人類服務(wù)。

怎樣實(shí)現(xiàn)掃地機(jī)器人自動(dòng)避障呢？關(guān)鍵在于傳感器系統(tǒng)，掃地機(jī)傳感器系統(tǒng)的性能越好，自動(dòng)避障和路徑規(guī)劃方案就越容易實(shí)現(xiàn)，控制系統(tǒng)的程序就更加容易。掃地機(jī)的整體性能也就越好。

測速裝置模塊

測速信號(hào)通過在電機(jī)的轉(zhuǎn)子上加裝黑白條紋的圓盤，在利用光電開關(guān)得到電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生若干個(gè)脈沖信號(hào)，據(jù)此可以算出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。這種簡易的光電開關(guān)測速發(fā)成本低，性能可靠，可以在電機(jī)轉(zhuǎn)速不高，精度沒有那么嚴(yán)格的要求的情況下使用，這種測試裝置可以構(gòu)成里程計(jì)。根據(jù)里程計(jì)的返回脈沖數(shù)可以計(jì)算出電機(jī)行走的距離，并簡介得到行走速度。

碰撞測試

碰撞檢測采用霍爾元件，芯片的供電電壓范圍為4.5~18V,敏感度高，阻抗低，工作的最大輸出電流為15ma,當(dāng)芯片的正上方有S極磁場時(shí)，霍爾元件輸出高電平，當(dāng)元件偏離磁場后，元件輸出低電平。通過控制霍爾元件正上面的磁場極性，可以控制元件輸出信號(hào)的變化趨勢。當(dāng)極性相反時(shí)，元件在偏離磁場時(shí)為高電平，正對磁場時(shí)為低電平。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)器就是驅(qū)動(dòng)掃地機(jī)動(dòng)力部件，最常用的就是電機(jī)。掃地機(jī)最主要的控制量為控制掃地機(jī)的移動(dòng)，掃地機(jī)驅(qū)動(dòng)器重的最根本的問題就是控制電機(jī)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)的圈數(shù)就可以控制掃地機(jī)移動(dòng)的距離和方向，掃地機(jī)械的完全程度或者移動(dòng)距離等。所以，第一要解決的問題就是如何讓電機(jī)根據(jù)自己的意圖轉(zhuǎn)動(dòng)。一般有賺的控制卡和控制芯片來警醒調(diào)控。有了這些控制卡和芯片，然后微控制器與其來凝結(jié)起來就可以用程序來控制電機(jī)。第二問題是控制電機(jī)的速度，在掃地機(jī)上的實(shí)際表現(xiàn)就是他的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度，掃地機(jī)走的快慢全靠電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這樣要求控制卡對電機(jī)的速度控制。

機(jī)器人的工作電機(jī)分為行走、吸塵和毛刷電機(jī)。機(jī)械人行走結(jié)構(gòu)中前面有一個(gè)從動(dòng)轉(zhuǎn)向輪，兩側(cè)各有一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，有無刷直流電機(jī)進(jìn)行控制。清掃結(jié)構(gòu)主要使用真空吸塵器和有電機(jī)帶動(dòng)的旋轉(zhuǎn)毛刷。

無刷直流電機(jī)具有效率高、功率大、體積小、控制精度高等明顯特點(diǎn)在機(jī)械人的領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。直流無刷電機(jī)具有良好的調(diào)速性能，由它采用電子換向，脈寬調(diào)制脈沖調(diào)速，在進(jìn)一步提高直流電機(jī)的性能同時(shí)，有克服直流電機(jī)傳統(tǒng)機(jī)械換向帶來的一系列問題，從而大大延長了電機(jī)的使用壽命

直流無刷電機(jī)控制的電路主要有控制電路微處理器、數(shù)據(jù)信號(hào)處理器和專用集成電機(jī)等方式。使用單片機(jī)輔以外圍處理電路的方法，其測頻，換相、控制調(diào)節(jié)等均由軟件實(shí)現(xiàn)。采用單片及軟件編程的方法控制直流無刷電機(jī)。吸塵器內(nèi)的風(fēng)機(jī)和帶動(dòng)毛刷的電機(jī)都使用直流電機(jī)，由于不需要調(diào)速，換向。因此控制方法比較簡單。

電機(jī)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間，采用輪式結(jié)構(gòu)，其中左右輪為主動(dòng)輪，需要可調(diào)速的電機(jī)控制，前面的轉(zhuǎn)向輪為從動(dòng)輪，便于機(jī)器人的轉(zhuǎn)向

直流電機(jī)具有良好的線性調(diào)速特性、簡單的控制性能、較高的效率、良好的動(dòng)態(tài)特性，所以一直占據(jù)著調(diào)速控制的傳統(tǒng)地位。雖然近來不斷受到其他電動(dòng)機(jī)如交流變頻電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電機(jī)的挑戰(zhàn)，但直流電動(dòng)機(jī)仍然許多調(diào)速控制電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)選擇，在生產(chǎn)，生活中仍有著廣泛應(yīng)用

直流無刷電機(jī)簡稱BLDC,學(xué)名為無換向電機(jī)或者無整流子電機(jī)，是一種新型的無極變速電機(jī)。它具有直流電機(jī)的良好調(diào)速特性，但由于沒有換向器，因而可做成無接觸式，具有結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，不需經(jīng)常維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的變速電機(jī)。

如何選擇一款直流無刷電機(jī)呢？看看以下的換算公式：

已知整個(gè)掃地機(jī)中零件的重量，我們?nèi)】傊亓繛?/span>10kg，范圍為50mm-200mm，動(dòng)力輪轉(zhuǎn)速為1-2r/min.即：

G＝mg＝10X10＝100N

V等于IIDn＝3.14X0.01X40＝1.75mm/s

具體的掃地機(jī)直流無刷電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算如下：

N＝G*W/η＝0.18（KW）

G—掃地機(jī)直流無刷電機(jī)的負(fù)載

η—傳動(dòng)效率，取0.75

所以根據(jù)N＝0.10kw，n＝1500r/min，即可得出掃地機(jī)直流無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)。

掃地機(jī)直流無刷齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算：

1,、初步計(jì)算

（1） 材料選擇

因傳動(dòng)尺寸無嚴(yán)格限制，批量較小，故小齒輪用40CR（調(diào)質(zhì)），硬度241HB-286HB，平均取為280HB，大齒輪用45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度229B-286HB,平均取為240HB。選齒輪精度為7級(jí)。

（2） 節(jié)錐角的計(jì)算：

ι=cotδ1

δ1＝arccotι＝arccot1.66=22°22′06″

δ2=90°-22°22′06″=67°67′54″

掃地機(jī)器人直流無刷電機(jī)選擇：

掃地機(jī)器人的移動(dòng)結(jié)構(gòu)使用差速轉(zhuǎn)向式，為了實(shí)現(xiàn)差速運(yùn)轉(zhuǎn)就需要有調(diào)遣功能的掃地機(jī)直流無刷電機(jī)，知道掃地機(jī)直流無刷電機(jī)所需要的輸出功率，可使用BLDC86+G掃地機(jī)直流無刷電機(jī)，得知掃地機(jī)運(yùn)行需要電機(jī)的輸出功率，而選用的這款電機(jī)輸出功率大于我們所需的功率，滿足需要，這款掃地機(jī)直流無刷電機(jī)的速度在每分鐘3000~15000轉(zhuǎn)之間可調(diào)，當(dāng)我們調(diào)整掃地機(jī)直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速為每分鐘10000轉(zhuǎn)時(shí)，掃地機(jī)直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是6N.m。同樣滿足掃地機(jī)對轉(zhuǎn)矩的要求，綜上所述，選擇BLDC86電機(jī)是合適的。

掃地機(jī)器人直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速控制：

掃地機(jī)器人直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速通過PWM方式控制，脈沖寬度調(diào)制是把輸出信號(hào)的基本周期固定，通過調(diào)整基本周期內(nèi)工作周期的大小來控制輸出功率，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和加在電機(jī)兩端的電壓有一定的關(guān)系，施加在電機(jī)上的電壓越大，那么電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度也就越快。由于施加在電機(jī)的電壓和占空比成正比，因此占空比的數(shù)值越大，施加在電機(jī)的兩端電壓也就越強(qiáng)，這樣的話電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度也就越快。

以上對于如何選擇掃地機(jī)器人電機(jī)有一個(gè)初步概念，對于如何選擇更適合的直流無刷電機(jī)，可以找擁有33年專業(yè)定制與生產(chǎn)電機(jī)的廠家--東莞東弘機(jī)電公司為您設(shè)計(jì)一款更加合適的電機(jī)。