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飞思卡尔智能车电机资料
3.1.6驱动电机介绍
驱动电机采用直流伺服电机，我们在此选用的是RS-380SH型号的伺服电机，这是因为直流伺服电机具有优良的速度控制性能，它输出较大的转矩，直接拖动负载运行，同时它又受控制信号的直接控制进行转速调节。在很多方面有优越性，具体来说，它具有以下优点:
(1)具有较大的转矩，以克服传动装置的摩擦转矩和负载转矩。
(2)调速范围宽，高精度，机械特性与调节特性线性好，且运行速度平稳。
(3)具有快速响应能力，可以适应复杂的速度变化。
(4)电机的负载特性硬，有较大的过载能力，确保运行速度不受负载冲击的影响。
(5)可以长时间地处于停转状态而不会烧毁电机，一般电机不能长时间运行于停转状态，电机长时间停转时，稳定温升不超过允许值时输出的最大堵转转矩称为连续堵转转矩，相应的电枢电流为连续堵转电流。
图3.1为该伺服电机的结构图。图3.2是此伺服电机的性能曲线。

图3.1 伺服电机的结构图

图3.2 伺服电机的性能曲线
3.1.7 舵机介绍
舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。其工作原理是：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。一般舵机的控制要求如图3.3所示。图3.4为舵机的控制线。

图3.3 舵机控制要求

图3.4 舵机的控制线
控制线输入一个周期性的正向脉冲信号，这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在1ms-2ms之间。而低电平时间应在5ms到20ms间，并不很严格。下表3.3表示出一个典型的20ms周期性脉冲的正脉冲宽度与微型伺服马达的输出臂的位置的关系：

表3.3 脉冲宽度与舵机位置表
考虑到舵机安装的位置与舵机的响应速度有关，在设计中我把舵机安装在较高的位置，使转向拉杆加长，使得在舵机转动相同的角度时前轮（即方向轮）转动的角度加大，转向灵敏。

3.1.1 速度控制系统建模
控制系统的数学模型在控制系统的研究中有着相当重要的地位，要对系统进行仿真处理，首先需要知道系统的数学模型，而后才有可能对系统进行模拟。
速度控制系统的数学模型中最主要的部分就是直流电机的数学模型，下面首先着重对电机数学模型的建立进行论述，然后对系统其他部分数学模型作简单说明。
1. 直流电机的数学模型
本系统所使用的直流电机为大赛主委会统一规定的RS380-ST/3545型电机。直流电机的物理模型如图3.2所示。

图3.2 直流电机的物理模型
图中所示参数的意义如下：
ua —电枢输入电压(V) Ra—电枢电阻(欧)
La—电枢电感(H) E —感应电动势(V)
Te—电机电磁转矩 (N·m) J —转动惯量（kg·㎡)
B —粘性阻尼系数(N·m·s) ia —流过电枢的电流(A)
w —电机输出的转角(rad/s）
根据基尔霍夫定律和牛顿第二定律对图3.2所示的直流电机列基本方程：

(公式3.1)

式中：KT为电机的转矩常数(N·m)A；Ke为感应电动势常数V·S)rad。
对公式3.1进行拉普拉斯变换，得：

(公式3.2)

根据公式3.2，消去中间变量，可以求出永磁直流电动机的速度传递函数为：
(公式3.3)
由公式3.3作出直流电机的框图如图3.3所示。

图3.3 直流电机框图
图3.3中的为电气时间常数，。为建立直流电机的数学模型，需要求的参数有电枢电阻、电枢电感、转矩常数、阻尼系数，反电动势系数和总转动惯量，其中，为电动机转子的转动惯量，为折合到电动机轴上的负载转动惯量。为求得以上参数值，先给出电机RS380-ST/3545的技术指标（电压值为7.2V常值），如表3.1所示。
表3.1 RS380-ST/3545技术指标
No Load
无负载
Max Efficiency
最大效率（64.6％）
Max Output
最大功率（26.68W）
Stall
停止
Current
电流
Speed
转速
Current
电流
Speed
转速
Torque
扭矩
Current
电流
Speed
转速
Torque
扭矩
Current
电流
Torque
扭矩
A
rpm
A
rpm
g·cm
A
rpm
g·cm
A
g·cm
0.49
15300
2.85
13100
99
8.61
7650
340
16.72
680
(1) 电枢电阻
由直流电机的稳态电压方程式：，两边都乘以得
(公式3.4)
上式可以改写成
(公式3.5)
式中，是从电源的输入电功率，是电磁功率，转化为机械功率，是电枢回路总的铜损耗。
由表3.1中的最大功率栏可知，=7.2V*8.61A=62W，=26.68W，=8.61A，因此=(62-26.68)/8.612 欧=0.476 欧。
(2) 电枢电感
使用万用表的电感档测得直流电机的电枢电感=0.2mH。则电气时间常数=0.00042s。
(3) 转矩常数
由于，当=8.61A时，=340 g·cm=3.332×10-2N·m，则转矩常数=3.332×10-2/8.61 N·m/A=3.87×10-3 N·m/A。
(4) 阻尼系数
由于，当=340 g·cm=3.332×10-2N·m时， rad/s=800.7 rad/s,所以阻尼系数=4.16×10-5N·m/(rad·s-1)。
(5) 反电动势系数
由于直流电机在最大功率时，=26.68W，=8.61A，则=26.68/8.61V=3.1V。又由于，且rad/s=800.7rad/s，所以计算得反电动势系数=0.004V/(rad·s-1)。
(6) 转动惯量
由前可知，，下面首先介绍直流电机转子转动惯量的测量方法。
通过查阅相关资料，本系统采用了落重法测量，如图3.3所示，将直流电机置于一高台上，轴端伸出台外在轴端上固定一个轻度圆盘,圆盘上绕数圈细绳，绳的一端悬挂一个已知质量的重物，另一端固定在圆盘上，然后让重物落下，记录重物数次落下所需时间,算出平均值t。按下式求取转子的转动惯量。
(公式3.6)

图3.3 落重法测转动惯量
式中 ——转子的转动惯量，kg·m2
m —— 悬挂重物的质量，kg
r —— 圆盘上缠绕细绳处的半径，m
h —— 重物下降高度，m
g —— 重力加速度，m/s2
t —— 重物下降h高度所需时间，s
本测试系统取h=0.8m，m=40g=0.04kg，r=3.9mm=0.0039m，g=9.8 m/s2，实验中测得的时间如表3.2所示。由表求得平均时间t=0.85s，因此由公式3.6求得直流电机转子转动惯量=2.08×10-6kg·m2。
表3.2 测试时间
次数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
时间(s)
0.82
0.73
0.92
0.96
0.84
0.86
0.83
0.80
0.81
0.90
0.92
下面求折合到电动机轴上的负载转动惯量，由于智能车是沿着直线运动的，所以采用计算公式是物体沿直线运动时的折算转动惯量公式：
(公式3.7)
式中 ——智能车沿直线运动时的折算转动惯量，kg·m2
——智能车的质量，kg
——直流电机每转一转时智能车沿运动方向移动过的距离，m
智能车质量=1.2kg，=0.037m，计算得=4.2×10-5kg·m2。所以总转动惯量=4.4×10-5kg·m2。

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