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摘 要
本文首先對(duì)玩具遙控車的國(guó)內(nèi)為發(fā)展現(xiàn)狀做了介紹，同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)玩具遙控車的整體方案進(jìn)行了分析，包括幾何尺寸、驅(qū)動(dòng)芯片的選擇和程序的編制。然后從玩具遙控車性能要求的角度出發(fā)，分別對(duì)玩具遙控車的運(yùn)動(dòng)方式、模型結(jié)構(gòu)和車體成型方式做了比較，最終確定了非完整約束輪驅(qū)四移動(dòng)結(jié)構(gòu)模型——后輪同軸驅(qū)動(dòng)，前輪轉(zhuǎn)向的玩具遙控車。
文章對(duì)玩具遙控車硬件結(jié)構(gòu)做了詳細(xì)的可行性分析及設(shè)計(jì)，并且做了相應(yīng)的計(jì)算、校核，主要包括：驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)和轉(zhuǎn)向輪電機(jī)的選擇及其驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)；齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核；前后減震系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和車體的一些機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。并且針對(duì)本設(shè)計(jì)所研究的玩具遙控車，設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)模塊。
最后，本文對(duì)所作研究和主要工作進(jìn)行了總結(jié)，并將設(shè)計(jì)的玩具遙控車的結(jié)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠，可控制性高，安全性高，達(dá)到了本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞： 玩具遙控車；硬件結(jié)構(gòu)；驅(qū)動(dòng)電路；驅(qū)動(dòng)模塊
Abstract
Firstly, the domestic toy remote control cars for the current development is introduced, and according to the design requirements of the overall scheme of remote controlled toy vehicle are analyzed, including the selection and compilation of program size, the driving chip. Then from the perspective of the performance of remote-controlled toys, do exercise, respectively on toy remote control car body model structure and forming method, and ultimately determine the four wheel drive driven nonholonomic mobile structure model -- rear wheel coaxial, remote controlled toy vehicle with front wheel steering.
This paper made a feasibility analysis and detailed design of the remote controlled toy vehicle hardware structure, and the corresponding calculation, checking, mainly includes: wheel driving motor and steering wheel motor and its driving circuit design; design and check gear; before and after the shock absorber system and vehicle steering mechanism design and some mechanical structure design etc.. And for the remote controlled toy vehicle research of this design, the drive module design.
Finally, this paper summarizes the research work and main structure, toy remote control cars and will design the joint debugging. The experimental results show that, the system is stable, reliable, high controllability, high safety, meet the design requirements of the design.
Keywords: remote control toy car; hardware; drive circuit; drive module
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目錄
摘 要 I
Abstract II
目錄 III
第1章 緒論 1 -
1.1 課題研究的目的與意義 1
1.2 我國(guó)玩具行業(yè)的發(fā)展概況 1
1.3 我國(guó)玩具行業(yè)的消費(fèi)現(xiàn)狀 3
1.4 玩具行業(yè)的發(fā)展前景 4
1.4.1 傳統(tǒng)玩具向電子玩具過(guò)渡 4
1.4.2 提高玩具附加值勢(shì)在必行 4
1.5 方案分析及設(shè)計(jì)要求 4
1.6 本課題主要研究?jī)?nèi)容 5
第2章 玩具遙控車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7
2.1 玩具遙控車運(yùn)動(dòng)方式的選擇 7
2.2 玩具遙控車驅(qū)動(dòng)方案的選擇 8
2.3 玩具遙控車驅(qū)動(dòng)輪組成 9
2.3.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇 10
2.3.2減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與校核 14
2.3.3變速箱體及后減震 24
2.3.4驅(qū)動(dòng)車輪及輪轂 24
2.4玩具遙控車轉(zhuǎn)向輪組成 26
2.4.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇 27
2.4.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及前減震機(jī)構(gòu) 29
2.4.3前車體及電池箱 30
2.4.4轉(zhuǎn)向輪胎和輪轂 30
2.5玩具遙控車受力分析及如何保證加速度最優(yōu) 30
2.6系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì) 32
第3章 玩具遙控車驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 33
3.1玩具遙控車驅(qū)動(dòng)組成 34
3.2 轉(zhuǎn)向電機(jī)控制 34
3.2.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的選擇 34
3.2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 36
3.2.3程序控制流程及代碼 38
3.3 直流電機(jī)控制 41
3.3.1 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的選擇 41
3.3.2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 42
3.3.3 直流電機(jī)PWM調(diào)速 43
3.3.4 閉環(huán)反饋控制模塊 44
3.3.5 程序控制流程及代碼 46
結(jié)論 50
致謝 51
參考文獻(xiàn) 52
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第1章 緒論
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1.1 課題研究的目的與意義
中國(guó)是玩具大國(guó)，玩具出口在我國(guó)的外貿(mào)出口中占主要地位。中國(guó)的玩具廠商要在國(guó)際上站穩(wěn)腳跟，就要有所發(fā)展，一定要有新的、高層次的產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)的大型玩具企業(yè)已經(jīng)充分意識(shí)到這一點(diǎn)，正在和科研院所合作，研發(fā)高端兒童玩具車產(chǎn)品。企業(yè)的參與將為兒童玩具車的發(fā)展起到推動(dòng)作用。
隨著人們對(duì)休閑、娛樂(lè)需求的增加，以及人們對(duì)玩具功能觀念的改變，玩具的消費(fèi)群體也正在迅速擴(kuò)大。玩具已不再是兒童的專利，越來(lái)越多高檔、新穎的玩具開(kāi)始成為成年人的休閑、娛樂(lè)用品。而目前，我國(guó)成人玩具的開(kāi)發(fā)還是一個(gè)空白，顯然這個(gè)市場(chǎng)有著巨大的潛力去開(kāi)發(fā)，從而解決了因玩具出口受限而轉(zhuǎn)內(nèi)銷的市場(chǎng)銷量瓶頸。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)現(xiàn)有玩具企業(yè)2萬(wàn)余家，從業(yè)人員超過(guò)400萬(wàn)，年產(chǎn)值1000多億元，產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的70%以上。而目前高端成年人玩具市場(chǎng)卻是眾多玩具業(yè)廠商不重視的一個(gè)市場(chǎng)，所以對(duì)于內(nèi)銷市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)企業(yè)應(yīng)該加大投入力度，力爭(zhēng)中國(guó)市場(chǎng)成為另外一個(gè)美國(guó)市場(chǎng)，成為中國(guó)玩具業(yè)最堅(jiān)定，最雄厚的一條頂梁柱。
通過(guò)本課題，讓學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中綜合大學(xué)所學(xué)基礎(chǔ)課程及專業(yè)課程，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)和技能去分析和解決一般工程技術(shù)問(wèn)題的能力；進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、創(chuàng)造性地解決實(shí)際問(wèn)題的能力。
1.2 我國(guó)玩具行業(yè)的發(fā)展概況
中國(guó)是全球玩具第一大生產(chǎn)國(guó)。我國(guó)玩具行業(yè)是從上世紀(jì)80年代后發(fā)展起來(lái)，70%以上還是來(lái)料加工和來(lái)樣加工，自主開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新的能力不強(qiáng)，能夠以自創(chuàng)品牌出口的還為數(shù)不多，要從依附式發(fā)展轉(zhuǎn)向自主式發(fā)展還需要一定的過(guò)程。
中國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的玩具質(zhì)量合格率僅為76.3%。還面臨著嚴(yán)峻的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)和歐盟貿(mào)易壁壘等難題。而且近一年來(lái)國(guó)際石油價(jià)格不斷攀升，使得塑料原料價(jià)格大幅上揚(yáng)，玩具生產(chǎn)成本增加，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇。東部沿海一些地區(qū)出現(xiàn)的電力供應(yīng)緊張以及勞動(dòng)力短缺問(wèn)題，也制約著玩具行業(yè)發(fā)展。
現(xiàn)代玩具工業(yè)的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：二戰(zhàn)后，由于塑料的出現(xiàn)，塑料玩具代替了木制玩具。70年代，電子玩具的出現(xiàn)已成為玩具的發(fā)展潮流。80年代末，兩家日本玩具商搶先推出托架玩具，行銷一時(shí)?，F(xiàn)在，世界幾家大型玩具生產(chǎn)商從傳統(tǒng)產(chǎn)品中脫穎而出，轉(zhuǎn)產(chǎn)電子游戲；為應(yīng)對(duì)多媒體的挑戰(zhàn)，搶占市場(chǎng)，這些公司又捷足先登，研發(fā)智能玩具。
我國(guó)是世界上最大的玩具制造國(guó)和出口國(guó)，全球70％的玩具是在我國(guó)境內(nèi)制造的。我國(guó)現(xiàn)有玩具企業(yè)2萬(wàn)余家，從業(yè)人員超過(guò)400萬(wàn)，年產(chǎn)值1000多億元，產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的70％以上，其中,廣州的產(chǎn)值達(dá)300億元。2005年全國(guó)玩具出口額達(dá)150多億美元。廣東、江蘇、浙江、上海、山東和福建這五省一市歷來(lái)是中國(guó)玩具最重要的生產(chǎn)和出口基地，占中國(guó)玩具年銷售額的95％以上，其中廣東占中國(guó)玩具年銷售額50％以上，其主要生產(chǎn)基地在深圳、東莞以及澄海地區(qū)。
澄海玩具禮品生產(chǎn)單位超3000家，從業(yè)人員10多萬(wàn)人，2005年產(chǎn)值120億元，并以年均30%的速度遞增。全區(qū)250多家企業(yè)在126個(gè)國(guó)家和地區(qū)建立營(yíng)銷渠道或固定銷售網(wǎng)點(diǎn)，產(chǎn)品外銷達(dá)70%以上，占全國(guó)玩具出口量的9%左右。有了這些基礎(chǔ)，澄海區(qū)正積極申報(bào)建設(shè)“國(guó)家澄海玩具特色產(chǎn)業(yè)基地”。
玩具制造業(yè)在我國(guó)屬于開(kāi)放程度較高的行業(yè)。目前，三資企業(yè)仍占據(jù)行業(yè)的主導(dǎo)地位，取得全行業(yè)產(chǎn)品銷售收入的65.8％和利潤(rùn)總額的62.7％。民營(yíng)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益則是行業(yè)內(nèi)最好的。
國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的玩具約有3萬(wàn)多個(gè)品種，大部分適合4歲～8歲兒童，適合嬰幼兒的玩具不多，適合成年人的玩具更少。殘障兒童玩具市場(chǎng)有待開(kāi)發(fā)。
玩具用塑料原料主要有ABS、PP、PE、PVC、POM、EVA樹(shù)脂、PA、不飽和聚酯、熱塑性彈性體等，在我國(guó)的用量較大，而且增長(zhǎng)潛力巨大。統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明，僅2003年全國(guó)各類塑料玩具用樹(shù)脂量達(dá)到近180萬(wàn)噸，銷售額已突破140億元，預(yù)計(jì)還將以每年40％的速度繼續(xù)遞增。這也預(yù)示著作為制造塑料玩具的基礎(chǔ)原料也將在玩具業(yè)的推動(dòng)下進(jìn)入一個(gè)快速增長(zhǎng)的黃金時(shí)代。
1.3 我國(guó)玩具行業(yè)的消費(fèi)現(xiàn)狀
我國(guó)玩具消費(fèi)正以每年30%~40%的速度增長(zhǎng)，到2010年我國(guó)玩具消費(fèi)總額將超過(guò)1000億元。中國(guó)社會(huì)調(diào)查事務(wù)所日前進(jìn)行的一項(xiàng)中國(guó)玩具產(chǎn)業(yè)調(diào)查的結(jié)果顯示，中國(guó)玩具市場(chǎng)蘊(yùn)藏著巨大商機(jī)。中國(guó)14歲以下人口為3億多，其中的城市人口為8000萬(wàn)人，構(gòu)成了龐大的玩具消費(fèi)群體。城市兒童每年人均玩具消費(fèi)額為35元，城市成年人12元。大中城市的消費(fèi)者普遍可接受的玩具價(jià)格在100元以下，一些售價(jià)在1000元以上的高檔玩具同樣有市場(chǎng)。在中國(guó)玩具市場(chǎng)，毛絨玩具和兒童車最為暢銷，模型玩具、遙控玩具和塑膠玩具的銷量持續(xù)看好。有34%的城市消費(fèi)者選購(gòu)電子玩具，31%選擇智能型玩具，23%選擇高檔毛絨、布制玩具。農(nóng)村消費(fèi)者以傳統(tǒng)的玩具類型為主，48%的農(nóng)村消費(fèi)者愿意購(gòu)買電動(dòng)玩具，28%愿意購(gòu)買拼裝玩具，24%愿意購(gòu)買中、低檔毛絨、布制玩具。
以下玩具將成為市場(chǎng)新寵：模型玩具、專利授權(quán)玩具(電影玩具、卡通玩具等)、玩偶、高科技玩具、益智玩具、互聯(lián)網(wǎng)兼容玩具，以及適合成年人休閑娛樂(lè)的成人玩具。成年男士比較喜愛(ài)電腦智力型玩具，成年女士喜歡高檔精美的裝飾性玩具，如布娃娃、毛絨娃娃、木制玩具和小動(dòng)物玩具等。中年人多會(huì)選購(gòu)消遣性、輕度運(yùn)動(dòng)型玩具。老年人較喜歡各種觀賞型玩具，如：小動(dòng)物玩具、玩偶等。
1.4 玩具行業(yè)的發(fā)展前景
1.4.1 傳統(tǒng)玩具向電子玩具過(guò)渡
玩具智能化成為玩具行業(yè)的發(fā)展新趨勢(shì)。高科技智能化玩具不僅滿足了兒童的好奇心，加強(qiáng)了孩子和玩具的互動(dòng)，同時(shí)也激發(fā)了孩子的求知欲。玩具企業(yè)將計(jì)算機(jī)、電子、通訊等領(lǐng)域內(nèi)的先進(jìn)技術(shù)“嫁接”到玩具產(chǎn)品中，突破了傳統(tǒng)玩具的局限性，賦予玩具“聽(tīng)”、“說(shuō)”功能，與人進(jìn)行互動(dòng)。智能化玩具的形式多樣、內(nèi)容豐富、寓知于樂(lè)，可以與孩子們進(jìn)行“情感”交流，進(jìn)而培養(yǎng)孩子良好的習(xí)慣，并在愉悅中學(xué)習(xí)、體會(huì)生活，真正達(dá)到寓教于樂(lè)的目的。
而且玩具已經(jīng)不在僅是兒童的專利。據(jù)中國(guó)玩具協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，約64%的成人消費(fèi)者表示有興趣購(gòu)買適合自己的玩具，估計(jì)成人休閑益智玩具市場(chǎng)每年約值500億元人民幣。傳統(tǒng)玩具的市場(chǎng)日趨下滑，益智類、成人類玩具的出口已不斷呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。
1.4.2 提高玩具附加值勢(shì)在必行
近年來(lái)，國(guó)際油價(jià)持續(xù)攀高，與石油相關(guān)的原材料價(jià)格亦隨之上揚(yáng)，塑料價(jià)格較年前上漲30%-40%。而一件玩具中，塑料成本大概占據(jù)總成本的60%-70%，這大大增加了塑料玩具的生產(chǎn)成本。
這就要求生產(chǎn)企業(yè)必須跨越原料價(jià)格高漲、貿(mào)易壁壘和3C認(rèn)證等重重障礙。有人認(rèn)為，國(guó)內(nèi)玩具企業(yè)面臨著如此多的困難，制約其發(fā)展的主要因素可以歸結(jié)為質(zhì)量不高和技術(shù)含量低。據(jù)此，我們不難找到解決難題的路徑：研發(fā)符合安全和環(huán)保要求的產(chǎn)品；利用科技創(chuàng)新，提高產(chǎn)品附加值，并向高檔化邁進(jìn)。
1.5 方案分析及設(shè)計(jì)要求
本文所討論玩具遙控車系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型近似于汽車，因此稱為玩具遙控車，它的組態(tài)由玩具遙控車在工作環(huán)境中的位態(tài)確定。它作為一種小型玩具遙控車，是一種非線性控制系統(tǒng)。為了能發(fā)揮將來(lái)加載到這種玩具遙控車上的功能，因而對(duì)小車性能作了要求。
作為主要用于娛樂(lè)的玩具遙控車長(zhǎng)度不宜超過(guò)1000mm，高度要控制在玩具遙控車平衡穩(wěn)定運(yùn)作的范圍內(nèi)。因此，車體在保證穩(wěn)定的情況下做的盡量小，各部件排列方式應(yīng)盡量減小縱向尺寸，使車體緊湊。內(nèi)置于其中的電路板和電池的尺寸也要受到限制。設(shè)計(jì)電路是要盡量選用功能大，集成度高的芯片，而電池要選用體積小并且耐用的型號(hào)。因此，本課題控制器設(shè)計(jì)選用SPCE061A系列單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制電路的架構(gòu)，并且減少外圍邏輯電路，使板面布局緊湊。
車體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)是影響系統(tǒng)性能，決定玩具遙控車性能達(dá)標(biāo)的重要因素。因此，在軟硬件選型時(shí)，滿足快速性、準(zhǔn)確性要求是考慮的第一要素之一。要求機(jī)構(gòu)能夠具有更大的靈活性與柔性，能夠具有更大的跨越障礙的能力。最好采用減震設(shè)計(jì)，它有利于保護(hù)玩具遙控車各組成部件，特別是電器元件。
我們?cè)O(shè)計(jì)的玩具遙控車所處的環(huán)境所受的強(qiáng)磁干擾要小得多，但是要達(dá)到系統(tǒng)運(yùn)作實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確，某些干擾就顯得較為明顯:首先，玩具遙控車體積很小，電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，處理器系統(tǒng)，無(wú)線模塊同處于很小的空間，這幾部分之間的相互干擾，特別是電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)處理器的干擾，無(wú)線模塊對(duì)處理器的干擾以及無(wú)線通訊所特有的噪聲干擾都不容忽視。本課題中，分別采用了硬件抗干擾設(shè)計(jì)和軟件抗干擾設(shè)計(jì)。其次，玩具遙控車工作環(huán)境周圍的電器將對(duì)其產(chǎn)生影響。
1.6 本課題主要研究?jī)?nèi)容
課題主要完成玩具遙控車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇，驅(qū)動(dòng)芯片的選擇及程序的編制，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。
1.機(jī)械結(jié)構(gòu)部分包括玩具遙控車構(gòu)成方案選擇、玩具遙控車本體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇。
2.針對(duì)設(shè)計(jì)要求結(jié)合所選用的電機(jī)，設(shè)計(jì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊，并討論系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性問(wèn)題。
第2章 玩具遙控車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 玩具遙控車運(yùn)動(dòng)方式的選擇
玩具遙控車運(yùn)動(dòng)方式歸納起來(lái)基本有三種:輪子方式、履帶方式和腿足方式。為了得到我們?cè)O(shè)計(jì)需要最合適的方式，我們對(duì)以上三種方式做了簡(jiǎn)單的比較如下表2-1()
表2-1運(yùn)動(dòng)方式的比較
考慮因素
驅(qū)動(dòng)方式
適應(yīng)的環(huán)境
驅(qū)動(dòng)方面的考慮
機(jī)構(gòu)方面的考慮
輪子方式
適于室內(nèi)、硬路面等平整地面，特別不適合松軟或崎嶇地面。
驅(qū)動(dòng)方式簡(jiǎn)單多樣，力矩相對(duì)較小主要有：兩輪驅(qū)動(dòng)兼轉(zhuǎn)向加隨動(dòng)輪；兩輪差動(dòng)加輔助輪；驅(qū)動(dòng)輪加轉(zhuǎn)向輪。
機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，相互約束條件少，穩(wěn)定性較好，輪子安裝需要一定精度要求。
履帶方式
適應(yīng)環(huán)境最廣泛，特別是崎嶇不平地和濕洼地形。
驅(qū)動(dòng)方式單一，力矩較大，使用兩側(cè)輪差動(dòng)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向，不需要輔助輪。
機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)較輪子復(fù)雜，需要履帶的張緊設(shè)計(jì)，支撐面積大，穩(wěn)定性好。
腿足方式
適應(yīng)范圍較廣，適應(yīng)地形受其步態(tài)影響，不適合崎嶇山路。
驅(qū)動(dòng)復(fù)雜，對(duì)平衡和穩(wěn)定要求極高，自由度越多，驅(qū)動(dòng)控制部分越多。
有較多的 運(yùn)動(dòng)部件和關(guān)節(jié)，要求較高的加工和裝配等級(jí)，對(duì)材料性能要求較高。
通過(guò)對(duì)以上方式的比較，我們選用輪子方式做為玩具遙控車運(yùn)動(dòng)方式，它符合我們的設(shè)計(jì)要求：適應(yīng)室內(nèi)活動(dòng)環(huán)境；需要?jiǎng)恿^??；能量消耗少；結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單可靠。
2.2 玩具遙控車驅(qū)動(dòng)方案的選擇
玩具遙控車的機(jī)械結(jié)構(gòu)()如圖2-1，圖2-2，圖2-3。
圖2-1 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)
圖2-2 前輪驅(qū)動(dòng)兼轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)
圖2-3 后輪驅(qū)動(dòng)，前輪轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)
如圖2-1，采用兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)輪分別由兩套直流伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，提供需要的轉(zhuǎn)速或者力矩;前輪為萬(wàn)向輪，可任意移動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單輕便，控制性好，運(yùn)動(dòng)靈活轉(zhuǎn)彎半徑小。缺點(diǎn)：承載能力低，對(duì)地面環(huán)境的要求高。
圖2-2中的玩具遙控車，稱為前輪驅(qū)動(dòng)玩具遙控車，后輪為輔助輪，方向不變，前輪為驅(qū)動(dòng)輪兼轉(zhuǎn)向輪，兩輪驅(qū)動(dòng)速度相同，轉(zhuǎn)向速度一致。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，穩(wěn)定性好。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度高。
我們根據(jù)設(shè)計(jì)需要和實(shí)現(xiàn)的難易程度選擇了圖2-3中的玩具遙控車，我們稱之為后輪驅(qū)動(dòng)玩具遙控車，它是一種典型的非完整約束的玩具遙控車模型。后輪為驅(qū)動(dòng)論方向不變，提供前進(jìn)驅(qū)動(dòng)力，兩輪驅(qū)動(dòng)速度相同；前輪為轉(zhuǎn)向輪，稱為舵輪，通過(guò)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)同步控制兩輪轉(zhuǎn)向，使玩具遙控車按照要求的方向移動(dòng)。
移動(dòng)機(jī)構(gòu)又主要分三個(gè)輪、四個(gè)輪，三輪支撐理論上是穩(wěn)定的。然而，這種裝置很容易在施加到單獨(dú)輪的左右兩側(cè)力F作用下翻倒，因此對(duì)負(fù)載有一定限制。我們?yōu)樘岣叻€(wěn)定性和承載能力，決定選用四輪機(jī)構(gòu)，后輪為兩驅(qū)動(dòng)輪，兩個(gè)轉(zhuǎn)向輪為前輪。這種結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、穩(wěn)定以及跟蹤等控制任務(wù)，可適應(yīng)復(fù)雜的地形，承載能力強(qiáng)，但是軌跡規(guī)劃及控制相對(duì)復(fù)雜。
2.3 玩具遙控車驅(qū)動(dòng)輪組成
后輪驅(qū)動(dòng)裝置機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖2-4所示:
1 變速箱底座； 2 變速箱蓋； 3 軸承； 4 齒輪Ⅰ； 5 齒輪Ⅱ；
6 齒輪Ⅲ； 7 電動(dòng)機(jī)； 8 中間軸； 9 輪轂； 10 輪胎
圖2-4 驅(qū)動(dòng)輪機(jī)械傳動(dòng)示意圖
根據(jù)上面所確定的方案，玩具遙控車后輪驅(qū)動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)電機(jī)，減速裝置，車輪及輪轂組成。
2.3.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇
目前在玩具遙控車的運(yùn)動(dòng)控制中較為常用的電機(jī)有直流電機(jī)和交流電機(jī)，對(duì)它們的特性、工作原理與控制方式有分類介紹，下面總結(jié)如表2-2所示：
一般玩具遙控車用電機(jī)的基本性能要求；
1. 啟動(dòng)、停止和反向均能連續(xù)有效的進(jìn)行，具有良好的響應(yīng)特性；
2. 正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)時(shí)的特性相同，且運(yùn)行特性穩(wěn)定；
3. 良好的抗干擾能力，對(duì)輸出來(lái)說(shuō)，體積小、重量輕；
4. 維修容易，不用保養(yǎng)。
驅(qū)動(dòng)輪為兩后輪，要求控制性好且精度高，能耗要低，輸出轉(zhuǎn)矩大，有一定過(guò)載能力，而且穩(wěn)定性好。通過(guò)比較以上電機(jī)的特性、工作原理、控制方式以及玩具遙控車的移動(dòng)性能要求、自身重量、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)等因素，所以我們決定選用直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
直流電動(dòng)機(jī)以其良好的線性調(diào)速特性、簡(jiǎn)單的控制性能、較高的效率、優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性，一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位。雖然近年不斷受
表2-2不同電機(jī)的特性、工作原理與控制方式
電機(jī)類型
主要特點(diǎn)
構(gòu)造與工作原理
控制方式
直流電機(jī)
接通直流電即可工作，控制簡(jiǎn)單；啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩容易控制，效率高；需要定時(shí)維護(hù)和更換電刷，使用壽命短，噪聲大。
由永磁體定子，線圈轉(zhuǎn)子，電刷和換向器構(gòu)成。通過(guò)電刷和換向器使電流方向隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度而變化，實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。
轉(zhuǎn)動(dòng)控制采用電壓控制方式，兩者成正比。轉(zhuǎn)矩控制采用電流控制方式，兩者也成正比。
交流電機(jī)
沒(méi)有電刷和換向器，無(wú)須維修；驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，價(jià)格高。
按結(jié)構(gòu)分為同步和異步。無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)與同步電機(jī)相同，特性與支流電機(jī)相同。
分為電壓控制和頻率控制兩種方式。異步電機(jī)常采用電壓控制。
到其他電動(dòng)機(jī)(如交流變頻電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等)的挑戰(zhàn)，但直流電動(dòng)機(jī)仍然是許多調(diào)速控制電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)選擇，在生產(chǎn)、生活中有著廣泛的應(yīng)用。
所需電機(jī)的功率計(jì)算：
玩具遙控車小車的受力簡(jiǎn)圖如圖2-5所示：
玩具遙控車所需的牽引力:
式中 ——玩具遙控車移動(dòng)需要的牽引力
式中 ——自身重力而產(chǎn)生的阻力
式中 ——玩具遙控車移動(dòng)所受摩擦力
圖2-5玩具遙控車小車的受力簡(jiǎn)圖
則有：
式中 ——摩擦系數(shù)
式中 ——最大爬坡角度（據(jù)課題要求可以按0計(jì)算）
則玩具遙控車在水平面上運(yùn)動(dòng)的功率為：
傳動(dòng)裝置的總效率：
按照中表2.1-1確定的個(gè)部分效率有：齒輪傳動(dòng)效率：；滑動(dòng)軸承效率：
代入得到：
所需直流電機(jī)的最小功率：
通過(guò)以上的比較和計(jì)算，我們決定選用廣東德昌微電機(jī)公司生產(chǎn)的
SRC-555-3250型直流電動(dòng)機(jī)其外觀如圖2-6所示，尺寸如圖2-7所示，技術(shù)參數(shù)如表2-3所示：
圖2-6電動(dòng)機(jī)其外觀如圖
圖2-7直流電機(jī)尺寸圖
表2-3直流電機(jī)技術(shù)參數(shù)表
型號(hào)
額定電壓
空載
最大效率下
制動(dòng)
轉(zhuǎn)速
電流
轉(zhuǎn)速
電流
力矩
功率
力矩
功率
r/min
A
r/min
A
g.cm
W
g.cm
W
SRC-555-3250
12v
CONSTANT
6100
0.24
5300
1.49
229
12.4
1650
9.20
2.3.2減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與校核
直流電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速較高，一般不能直接接到車輪軸上，需要減速機(jī)構(gòu)來(lái)降速，同時(shí)也提高了轉(zhuǎn)距。減速裝置的形式多種多樣，選擇一種合適的減速裝置對(duì)玩具遙控車的性能有著相當(dāng)重要的作用。
2.3.2.1減速形式的選擇
驅(qū)動(dòng)輪機(jī)械傳動(dòng)形式有多種，主要分為：鏈條傳動(dòng)；皮帶傳動(dòng)；蝸桿傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)等。
1.鏈條傳動(dòng)
優(yōu)點(diǎn)是：工況相同時(shí)，傳動(dòng)尺寸緊湊；沒(méi)有滑動(dòng)；不需要很大的張緊力，作用在軸上的載荷小；效率高；能在惡劣的環(huán)境中使用。
缺點(diǎn)：瞬時(shí)速度不均勻，高速運(yùn)轉(zhuǎn)是傳動(dòng)不平穩(wěn)；不易在載荷變化大和急促反向的傳動(dòng)中使用；工作噪音大。
2．皮帶傳動(dòng)
優(yōu)點(diǎn)是：能緩和沖擊；運(yùn)行平穩(wěn)無(wú)噪音；制造和安裝精度要求低；過(guò)載時(shí)能打滑，防止其他零件的損壞。
缺點(diǎn)：有彈性滑動(dòng)和打滑，效率低不能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)比；軸上載荷大；壽命低。
3.蝸桿傳動(dòng)：
優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊；工作平穩(wěn)；無(wú)噪聲；沖擊震動(dòng)?。荒艿玫胶艽蟮膯渭?jí)傳動(dòng)比。
缺點(diǎn)是：傳動(dòng)比相同下效率比齒輪低；需要用貴重的減磨材料制造。
4.齒輪傳動(dòng)：
工作可靠，使用壽命長(zhǎng)；易于維護(hù)；瞬時(shí)傳動(dòng)比為常數(shù)；傳動(dòng)效率高；結(jié)構(gòu)緊湊；功率和速度使用范圍很廣。缺點(diǎn)是：制造復(fù)雜成本高；不宜用于軸間距的傳動(dòng)。
比較以上傳動(dòng)形式，結(jié)合本設(shè)計(jì)中玩具遙控車的要求：輸出轉(zhuǎn)矩大傳動(dòng)效率高噪音小等條件，我們采用兩級(jí)齒輪傳動(dòng)，減速比為15。電機(jī)軸直接作為輸入軸安裝主動(dòng)齒輪，不是用聯(lián)軸器，既提高了精度又減輕了重量。輪轂和齒輪3安裝在同一根軸上，他們轉(zhuǎn)速相同。齒輪類型為漸開(kāi)線直齒齒輪，聯(lián)軸器相聯(lián)，齒輪與車輪裝在同一個(gè)軸上，它們的轉(zhuǎn)速相同。
齒輪參數(shù)如下:
第一級(jí)減速：, m=3,,mm, ,mm,
第二級(jí)減速：, m=3,,mm, ,mm,
2.3.2.2齒輪傳動(dòng)的計(jì)算與校核
設(shè)計(jì)中第一級(jí)齒輪傳動(dòng)的齒輪強(qiáng)度計(jì)算與校核，如下：
1.齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算
（1） 初步計(jì)算
轉(zhuǎn)矩
齒數(shù)
接觸疲勞極限
由表12.13，取
由表1.7
初步計(jì)算的許用接觸應(yīng)力
值
由，取
初步計(jì)算小齒輪直徑
取=25
初步齒寬b
（2） 校核計(jì)算
圓周速度
精度等級(jí)
由表12.6
選6級(jí)精度
齒數(shù)z和模數(shù)m
初取齒數(shù)；
由表12.3，?。ㄟ@里往大或往小取均可，視驗(yàn)算結(jié)果而定。）
則
使用系數(shù)
由表12.9
動(dòng)載系數(shù)
由表12.9
齒間載荷分配系數(shù)
由表12.10，先求
由此得
齒向載荷分布系數(shù)
由表12.11
載荷系數(shù)
彈性系數(shù)
由表12.12
節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)
由圖12.16
接觸最小安全系數(shù)
由表12.14
總工作時(shí)間
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
由表12.15，估計(jì)，則指數(shù)
原估計(jì)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確。
接觸壽命系數(shù)
由圖12.18
許用接觸應(yīng)力
計(jì)算結(jié)果表明，接觸疲勞強(qiáng)度教為合適，齒輪尺寸無(wú)需調(diào)整。否則，尺寸調(diào)整后還應(yīng)在進(jìn)行驗(yàn)算。
2.齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算
重合度系數(shù)
齒間載荷分配系數(shù)
由表12.10，
齒向載荷分布系數(shù)
由圖12.14
載荷系數(shù)
齒形系數(shù)
由圖12.21
應(yīng)力修正系數(shù)
由圖12.22
彎曲疲勞極限
由圖12.23c
彎曲最小安全系數(shù)
由表12.14
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
由表12.15，估計(jì)，則指數(shù)
原估計(jì)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確
彎曲壽命系數(shù)
由圖12.24
尺寸系數(shù)
由圖12.25
許用彎曲應(yīng)力
驗(yàn)算
傳動(dòng)無(wú)嚴(yán)重過(guò)載，故不做靜強(qiáng)度校核
第二級(jí)嚙合齒輪、的計(jì)算校核也采用以上步驟，通過(guò)計(jì)算知：強(qiáng)度均符合要求。
2.3.3變速箱體及后減震
變速箱體要求在保證足夠剛度的條件下，應(yīng)盡量減輕車架的重量，以提高有效承載重量。其次，變速箱體應(yīng)保證其它元件安裝上以后，能達(dá)到平衡、對(duì)稱和同軸。材料為ABS，厚度為6mm，軸承盒集成在箱體上，降低了制造難度。
為保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)免受震動(dòng)的損傷，和提高躍障能力，在變速箱與前車體間加一減震彈簧。它不但能緩沖震動(dòng)，而且當(dāng)玩具遙控車遇到低于100mm 的幛礙物，或者高低不平的路面時(shí)不至于被架空：
2.3.4驅(qū)動(dòng)車輪及輪轂
本設(shè)計(jì)中可選用玩具遙控車的運(yùn)動(dòng)方式為輪子方式，輪子方式可以提供多種排列方式，從而滿足不同情況需要，而且轉(zhuǎn)向容易，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的精確控制，機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。所以我們考慮到所設(shè)計(jì)玩具遙控車的工作環(huán)境和控制要求，我們選用了四輪方式。
選擇車輪需要考慮多種因素：有玩具遙控車的尺寸、重量、地形狀況、電機(jī)功率等。車重加負(fù)載重量為2kg—4.5kg,所以用質(zhì)地堅(jiān)硬且易于加工的聚苯乙烯作輪轂，采用不充氣的中空橡膠輪胎，其優(yōu)點(diǎn)在于不僅重量小而且橡膠與地面的附著系數(shù)大，保證了足夠的驅(qū)動(dòng)能力。
其中輪胎直徑d=300mm,則車輪轉(zhuǎn)一圈移動(dòng)的為：
車輪最大轉(zhuǎn)速為:
(電機(jī)轉(zhuǎn)速/傳動(dòng)比)
則玩具遙控車的最大線速度為:
玩具遙控車小車的受力簡(jiǎn)圖如圖2-13
玩具遙控車所需的牽引力:
式中 ——玩具遙控車移動(dòng)需要的牽引力
式中 ——自身重力而產(chǎn)生的阻力
式中 ——玩具遙控車移動(dòng)所受摩擦力
則有：
式中 ——摩擦系數(shù)；
式中 ——最大爬坡角度。
則玩具遙控車在水平面上的功率為：
其最大加速度為：
（其中的計(jì)算在2.3.1中作了介紹）
圖2-8 玩具遙控車小車的受力簡(jiǎn)圖
2.4玩具遙控車轉(zhuǎn)向輪組成
轉(zhuǎn)向輪起支撐和轉(zhuǎn)向作用，不產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩。在小車轉(zhuǎn)向時(shí)它可以以一定角度轉(zhuǎn)動(dòng)。主要機(jī)械組成結(jié)構(gòu)如圖2-9：
1 前減震彈簧； 2 轉(zhuǎn)向連桿； 3 拉桿； 4 拉緊彈簧； 5撥叉； 6電機(jī)；
7 前車體蓋； 8 轉(zhuǎn)向節(jié)； 9 前輪軸； 10 前輪轂； 11輪胎；
12 電池盒蓋； 13 后減震彈簧； 14連接軸； 15 變速箱
圖2-9轉(zhuǎn)向裝置結(jié)構(gòu)圖
玩具遙控車前輪裝置由以下幾部分構(gòu)成：驅(qū)動(dòng)電機(jī)，蓄電池和充電部分，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和前減震機(jī)構(gòu)，前車體和電池箱及輪胎和輪轂五部分。如上圖2-15所示。
2.4.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇
轉(zhuǎn)向輪的電機(jī)通過(guò)對(duì)表2-1不同電機(jī)的特性、工作原理與控制方式的分析比較，為了滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)精度高，控制性能強(qiáng)，并且控制簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，我們決定選用電機(jī)作為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移(或線位移)的機(jī)電元件。對(duì)這種電機(jī)施加一個(gè)電脈沖后，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，稱為一步;脈沖數(shù)增加，角位移(或線位移)就隨之增加，脈沖頻率高，則電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度就高，反之就低;分配脈沖的相序改變后，電機(jī)的轉(zhuǎn)向則隨之而變。電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和通常勻速旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)有一定的差別，它是步進(jìn)形式的運(yùn)動(dòng)，故也稱其為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。
電機(jī)的主要指標(biāo)有：
相數(shù):產(chǎn)生不同對(duì)極N, S磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)。常用m表示。
拍數(shù):完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)：以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即AB-BC-CD-DA-AB,八拍運(yùn)行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A 。
步距角:對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移用θ表示。θ=360度(轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運(yùn)行拍數(shù))，以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360°/(50×4)=1.8°(俗稱整步)，八拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360°/(50×8)=0.9°(俗稱半步)。
定位轉(zhuǎn)矩:電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩(由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的)
靜轉(zhuǎn)矩:電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積(幾何尺寸)的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無(wú)關(guān)。雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過(guò)分采用減小氣隙，增加激磁安匝來(lái)提高靜力矩是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。
步距角精度:電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示:（誤差/步距角）×100%。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在15%以內(nèi)。
失步:電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。
失調(diào)角:轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。
最大空載起動(dòng)頻率:電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。
最大空載的運(yùn)行頻率:電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。
運(yùn)行矩頻特性:電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。
電機(jī)有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，歸納起來(lái)主要有:
1. 步距值不受各種干擾因素的影響。簡(jiǎn)而言之，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的速度主要取決于脈沖信號(hào)的頻率，而轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的總位移量取決于總的脈沖個(gè)數(shù)。
2. 位移與輸入脈沖信號(hào)相對(duì)應(yīng)，步距誤差不長(zhǎng)期積累。因此可以組成結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單而又具有一定精度的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，也可以在要求更高精度時(shí)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。
3. 可以用數(shù)字信號(hào)直接進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制，整個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單廉價(jià)。
4. 無(wú)刷，電動(dòng)機(jī)本體部件少，可靠性高。
5. 控制性能好。起動(dòng)、停車、反轉(zhuǎn)及其他運(yùn)行方式的改變，都在脈沖內(nèi)完成，在一定的頻率范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，任何運(yùn)行方式都不會(huì)丟步。
6. 停止時(shí)有自鎖能力。
7. 步距角選擇范圍大，可在幾角分至大范圍內(nèi)選擇。在小范圍情況下，通?？梢栽诔退傧赂咿D(zhuǎn)距穩(wěn)定的運(yùn)行
通過(guò)比較各種指標(biāo)和參數(shù)后，我們決定選用常州豐源公司生產(chǎn)的35BYHJ03減速電機(jī)，自帶25:1的減速器。參數(shù)如表2-6所示:
表2-6電機(jī)參數(shù)
步距角
（θ，°
相
數(shù)
電壓
U,V
電流
I,mA
電阻
R,Ω
減速比
空載運(yùn)行頻率F,pps
空載啟動(dòng)頻率
F,pps
起動(dòng)轉(zhuǎn)距
T,（g.cm）
鎖定
轉(zhuǎn)距
T,（g.cm）
7.5/25
4
12
255
47
1/25
550
680
750
1400
2.4.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及前減震機(jī)構(gòu)
在本課題中我們?yōu)榱说玫椒€(wěn)定和承載能力強(qiáng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，我們采用了兩前置轉(zhuǎn)向輪，轉(zhuǎn)向輪不作為驅(qū)動(dòng)輪，只提供支撐和轉(zhuǎn)向作用。結(jié)構(gòu)形式模仿普通機(jī)動(dòng)車的一些結(jié)構(gòu)，電機(jī)變速箱輸出軸連接撥叉，撥叉撥動(dòng)左右轉(zhuǎn)向節(jié)連桿來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。為了消除傳動(dòng)間隙和電機(jī)反轉(zhuǎn)死區(qū)，我們?cè)跈C(jī)構(gòu)中加裝了兩個(gè)拉緊桿和一條拉緊彈簧，很大程度上消除了誤差。轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖如圖2-10
為保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)免受震動(dòng)的損傷，提高玩具遙控車在不平地面上的行走能力，在每個(gè)轉(zhuǎn)向節(jié)軸上加裝減震彈簧。它不但能緩沖震動(dòng)，而且防止在特殊情況下玩具遙控車被架空。它與后減震配合工作效果更加明顯，工作原理與后減震類似。
圖2-10 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖
2.4.3前車體及電池箱
前車體是轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)零件的載體，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求精度也高(實(shí)物模型圖如圖。特別是轉(zhuǎn)向節(jié)安放孔和電機(jī)支撐座等，要求同軸度和垂直度高，因此為了提高裝配精度，車體蓋和車體配合的螺栓孔采用了卯榫式設(shè)計(jì)（其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖紙裝配圖1），保證了裝配的精度。
為簡(jiǎn)化制造工序，提高車體的緊湊程度和牢固程度，將電池盒設(shè)計(jì)到前車體后部，并且盡量降低電池盒與地面間距，以降低玩具遙控車的重心高度。
為了保證運(yùn)行時(shí)電池在和內(nèi)的牢靠程度和降低噪聲，電池盒蓋內(nèi)側(cè)附貼一薄層海綿（結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖紙裝配圖1）
控制電路容易受到電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路的影響，因此我們將控制電路板與驅(qū)動(dòng)板并列排列。
2.4.4轉(zhuǎn)向輪胎和輪轂
前輪輪胎采用和后輪相同的結(jié)構(gòu)和材料，輪轂的軸孔與軸相對(duì)滑動(dòng)，所以要求較后輪精度高機(jī)。
2.5玩具遙控車受力分析及如何保證加速度最優(yōu)
本設(shè)計(jì)中玩具遙控車采用四輪支撐，即兩后輪（驅(qū)動(dòng)輪）和兩前輪（轉(zhuǎn)向輪）。為了增加車輪和地面的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，每個(gè)車輪的輪胎材料均為橡膠?；瑒?dòng)軸承和輪轂采用了具有自潤(rùn)滑能力的塑料，摩擦力很小，可以忽略不計(jì)。采用這些結(jié)構(gòu)，使小車具有一很好的運(yùn)動(dòng)性能。玩具遙控車小車受力如圖2-11所示：
有如下關(guān)系:
滑動(dòng)摩擦力:
支撐反力:
水平方向受力:
以上關(guān)系可推出加速度:
從上式可以看出，由于小車質(zhì)量m一定，若想增加加速度只有增加摩擦系數(shù)μ和減少支撐力N。由于玩具遙控車活動(dòng)場(chǎng)所在室內(nèi)需要頻繁的更換速
圖2-11 小車受力圖
度，只有加速度大一些時(shí)，才能滿足足球玩具遙控車快速性、實(shí)時(shí)性要求。
在摩擦系數(shù)一定時(shí)，只有盡量減少支撐力N，加速度才能達(dá)到最大，這直接關(guān)系到小車重心的位置。小車的電池和后加負(fù)載是小車中比重較大者，在放置是應(yīng)該盡量靠近后輪，這樣支撐力N就會(huì)減小，加速度在啟動(dòng)時(shí)就能保持盡量大。通過(guò)計(jì)算玩具遙控車通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證最優(yōu)加速度為3.92m/s左右。
2.6系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)質(zhì)量的高低主要表現(xiàn)在技術(shù)性能、可靠性、適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性四個(gè)方面，其中技術(shù)性和可靠性是最重要的方面。但在系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)工作中，往往特別強(qiáng)調(diào)其技術(shù)性能指標(biāo)而忽視了它的可靠性。而由于可靠性設(shè)計(jì)的不周密，在偶然囚素或意外事件的作用下，系統(tǒng)便不能正常工作，從而可能造成災(zāi)難性的后果，系統(tǒng)的可靠性保證有賴十完善的可靠性設(shè)計(jì)、嚴(yán)格的部件制作、規(guī)范的設(shè)備安裝調(diào)試、正確的操作使用和經(jīng)常性的維護(hù)。
本運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分考慮了可靠性這一指標(biāo)，主要體現(xiàn)在以下兒個(gè)方面
1．屏蔽技術(shù)
本系統(tǒng)中，直流電機(jī)、驅(qū)動(dòng)部件、甚至是微控制器使用的振蕩器，都是電磁干擾的噪聲源。當(dāng)距離較近時(shí)，電磁波會(huì)通過(guò)分布電容和電感藕合到信號(hào)回路而形成電磁干擾;當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，電磁波則以輻射形式構(gòu)成干擾。針對(duì)上幾述情況，主要要通選用高導(dǎo)磁材料做成屏蔽體，使電磁波經(jīng)屏蔽體壁的低磁阻磁路快速衰減，以降低干擾。
2．地線的處理
理解產(chǎn)生地線噪聲的機(jī)制對(duì)于減小地線干擾至關(guān)重要，所有地線都有阻抗，和所有電路一樣，電流必須流回其源點(diǎn)，電流通過(guò)地線卜的有效陰_抗將產(chǎn)生一個(gè)電壓降，這些電壓降就是地線干擾的原因。正確接地是控制系統(tǒng)抑制干擾所必須注意的重要問(wèn)題，在設(shè)計(jì)中若能把接地和屏蔽正確的結(jié)合，可很好地消除外界丁擾的影響。接地設(shè)計(jì)的基本目的是消除各電路電流流經(jīng)公共地線時(shí)所產(chǎn)生的噪聲電壓，以及免受電磁場(chǎng)和地位差的影響，即使其不能形成地環(huán)路。
3．抑制自感電動(dòng)勢(shì)干擾
在本系統(tǒng)中，使用了電動(dòng)機(jī)這種具有較大電感量的器件。當(dāng)電感回路的電流被切斷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的反電勢(shì)而形成噪聲干擾。這種噪聲不但能產(chǎn)生電磁場(chǎng)干擾其它回路，甚至還有可能擊穿電路中的晶體管之類的器件。對(duì)此在線圈兩端并聯(lián)了二極管來(lái)抑制反向自感電勢(shì)的干擾。
第3章 玩具遙控車驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
3.1玩具遙控車驅(qū)動(dòng)組成
玩具遙控車驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)主要包括步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)的控制。其中包括各驅(qū)動(dòng)芯片的選擇，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)以及程序的編制。
3.2 轉(zhuǎn)向電機(jī)控制
轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)控制主要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。以滿足玩具遙控車能夠?qū)崿F(xiàn)左右轉(zhuǎn)彎。
3.2.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的選擇
電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)芯片我們選擇SGS公司的L298。L298功率集成電路采用SGS公司特有的Multiwatt塑料封裝，15個(gè)引腳，可用螺釘固定在散熱器上。L298內(nèi)含的功率輸出器件設(shè)計(jì)制作在一塊石英基片上，由于制作工藝的同一性，因而具有分立元件組合電路不可比擬的性能參數(shù)一致性，工作穩(wěn)定。L298是雙H橋高電壓大電流功率集成電路，它接受標(biāo)準(zhǔn)TIL邏輯信號(hào)，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器、線圈、直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等電感性負(fù)載。兩個(gè)H橋能夠使其接受或不接受輸入信號(hào)。它的每個(gè)H橋的下側(cè)臂晶體管發(fā)射極連在一起，相應(yīng)外接電流檢測(cè)電阻。L298的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-1所示：
圖3-1 L298內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
L298各引腳特性如下：
l CURRENT SENSING A和CURRENT SENSING B（引腳1和引腳15）用來(lái)連接電流檢測(cè)電阻；
l LOGIC SUPPLY VOLTAGE VSS（引腳9）接邏輯控制部分的電源，常用+5V；
l SUPPLY VOLTAGE VS（引腳4）為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源；
l INPUT1，INPUT2，INPUT3，INPUT4（引腳5，7，10，12）輸入標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，用來(lái)控制H橋的開(kāi)與關(guān)；
l ENABLE A和ENABLE B（引腳6和引腳11）為使能控制端，當(dāng)為低電平時(shí)，L298不工作；
l OUTPUT1，OUTPUT2，OUTPUT3和OUTPUT4（引腳2，3，13，14）為輸出，控制電機(jī)
l GND（引腳8）則為接地腳。
L298的封裝及各管腳如圖3-2所示：
圖3-2 L298的封裝圖
3.2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)中將電機(jī)采用L297/L298實(shí)現(xiàn)環(huán)行分配器與功率放大器的功能。
L297是電機(jī)控制集成芯片（包括環(huán)形分配器），采用模擬/數(shù)字電路兼容的IL工藝，20腳DIP塑料封裝，常以+5V供電，全部信號(hào)線是TTL/CMOS兼容。L297四相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，應(yīng)用于微處理機(jī)控制兩相雙極性和四相單極性電機(jī)。電動(dòng)機(jī)可由半階梯、正常和斬波驅(qū)動(dòng)模式驅(qū)動(dòng)，同時(shí)設(shè)于晶片內(nèi)的PWM斬波線路容許以開(kāi)關(guān)形式控制線路的電流。此器件只需要時(shí)鐘、方向和模式輸入信號(hào)。相位是由內(nèi)部產(chǎn)生的，因此可減輕微處理機(jī)和程序設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)。單片機(jī)、L297、L298構(gòu)成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器電路，單片機(jī)發(fā)出時(shí)鐘信號(hào)、正反轉(zhuǎn)信號(hào)、工作模擬信號(hào)、復(fù)位信號(hào)、使能輸入信號(hào)及控制信號(hào)。
圖3-3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
L297的引腳（17）控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，取1和取0時(shí)的轉(zhuǎn)向相反，（18）為步進(jìn)脈沖信號(hào)輸入端，在每一個(gè)脈沖的下降沿，電機(jī)產(chǎn)生一步步進(jìn)。（19）為半步或基本步矩模式設(shè)置，為1時(shí)是半步模式，為0時(shí)是基本步距。取低電平，當(dāng)脈沖分配器工作于奇數(shù)狀態(tài)，則為兩相激勵(lì)方式；當(dāng)工作于偶數(shù)狀態(tài)，則為單相激勵(lì)方式。（11）斬波控制，當(dāng)為0時(shí)控制（5）和（8）；當(dāng)為1時(shí)控制。（10）使能輸入，當(dāng)為0時(shí)，、、、、和（4，6，7和9）都為0。（20）是異步復(fù)位信號(hào)，其作用是將環(huán)行脈沖分配器復(fù)位，當(dāng)輸入為0時(shí)，脈沖分配器回到初狀態(tài)（HOME）,此時(shí)狀態(tài)輸出信號(hào)（HOME）為1。
L298引腳SENSE A和SENSE B（1和15）用來(lái)連接電流檢測(cè)電阻，VSS（9）接邏輯控制部分的電源，常用+5V，VS（4）為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源，IN1，IN2，IN3，IN4（5，7，10，12）輸入標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，既從L297的輸出口4，6，7，9輸出的信號(hào)，用來(lái)控制H橋的開(kāi)與關(guān)，EnA和EnB（6和11）為使能控制端，當(dāng)為低電平時(shí)，L298不工作。OUT1，OUT2，OUT3和OUT4（2，3，13和14）為輸出，控制電機(jī)，GND（8）則為接地腳。
用L297輸出信號(hào)可控制L298雙H橋驅(qū)動(dòng)集成電路，構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，最高電壓為46V，每相電流達(dá)2.5A。
單片機(jī)與L297、L298集成電路構(gòu)成的單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器，具有需要的元件少、可靠性高、占空間少、裝配成本低等優(yōu)點(diǎn)，并且通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)，可以簡(jiǎn)化和減輕微型計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)。設(shè)計(jì)電路如圖3-3
3.2.3程序控制流程及代碼
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制主要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。以滿足玩具遙控車能夠?qū)崿F(xiàn)左右轉(zhuǎn)彎。在此應(yīng)用80c51單片機(jī)。
需要改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，由外部開(kāi)關(guān)（S1，S2，）控制單片機(jī)中斷主程序的執(zhí)行，實(shí)時(shí)控制電機(jī)按命令的要求運(yùn)動(dòng)。命令執(zhí)行結(jié)束后，重新返回主程序繼續(xù)執(zhí)行。
S1：用于控制電機(jī)正轉(zhuǎn)。
S2：用于控制電機(jī)反轉(zhuǎn)。
由設(shè)計(jì)過(guò)程知，采用定時(shí)器T0工作于方式1，TMOD值為01H，時(shí)間常數(shù)為TH0=0FBH，TL0=1EH。
程序控制流程如圖3-4
程序代碼如下：
入口程序：
ORG 0000H
LJMP MAIN
ORG 000BH
LJMP INQP
開(kāi) 始
初始化
定時(shí)器T0初始化
啟動(dòng)定時(shí)器T0
開(kāi)中斷
自動(dòng)控制子程序
圖3-4 電機(jī)控制流程
主程序
MAIN： MOV TMOD，#01H
MOV TH0， #0FBH
MOV TL0， #1EH
SETB TR0
SETB ET0
SETB EA
AJMP $
AJMP INQP
T0中斷程序
INQP： MOV TH0，#0FBH
MOV TL0，#1EH
CJNE P3， #0FAH，X1
CPL P1.0
SETB P1.1
X1：CJNE P3，#0F6H，X2
CPL P1.0
SETB P1.1
X2：CJNE P3，#0F5H，X3
CPL P1.0
CLR P1.1
X3：CJNE P3，#0F9H，X4
CPL P1.0
CLR P1.1
X4：CJNE P3，#0FEH，X5
CPL P1.0
SETB P1.1
X5：CJNE P3，#0FDH，X7
CPL P1.0
CLR P1.1
X6： RETI
3.3 直流電機(jī)控制
直流電動(dòng)機(jī)是玩具遙控車的動(dòng)力來(lái)源。直流電動(dòng)機(jī)控制主要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、停止、加速、減速。以滿足玩具遙控車能夠?qū)崿F(xiàn)以不同的速度前進(jìn)。在此應(yīng)用SPCE061A單片機(jī)。
3.3.1 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的選擇
直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片仍然選L298,其芯片引腳功能在3.2.1中已經(jīng)做過(guò)介紹在此不在贅述。只對(duì)其控制直流電機(jī)做說(shuō)明。L298控制直流電機(jī)原理圖3-5如下：
由以上的L298控制直流電機(jī)的原理圖知道，當(dāng)使能端接高電平時(shí)，又一下三種情況：
（1） C端接高電平，D端接低電平，電機(jī)前進(jìn)，即正轉(zhuǎn)；
（2） C端接低電平，D端接高電平，電機(jī)反向，即反轉(zhuǎn)；
（3） C端和D端電平一樣時(shí)，電機(jī)快速制動(dòng)。
當(dāng)使能端接低電平時(shí)，電機(jī)緩慢的停止轉(zhuǎn)動(dòng)。
? L298
D1
D2
D3
D4
Vss
Ven
Vs
To control circuit
圖3-5 L298控制直流電機(jī)原理圖
表3-1 L298 輸出輸入信號(hào)
Inputs
function
Ven=H
C=H;D=L
Forward
C=L;D=H
Reverse
C=D
Fast Motor Stop
Ven=L
C=X;D=X
Free Running Motor Stop
當(dāng)電機(jī)的電流比較大時(shí)，這就需要把L298的輸出引腳并聯(lián)使用，原理圖3-6如下：
這里要注意的是要把OUTPUT1和OUTPUT4，OUTPUT2和OUTPUT3并聯(lián)，相應(yīng)的 要把INPUT1和INPUT4,INPUT2和INPUT3并聯(lián)。
圖3-6 L298輸出引腳并聯(lián)使用原理圖
3.3.2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
圖3-7 L298驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)電路
經(jīng)過(guò)上一節(jié)對(duì)L298的介紹和分析，在這里我們決定采用把L298輸出管腳并聯(lián)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的控制，驅(qū)動(dòng)電路如圖3-7所示：
3.3.3 直流電機(jī)PWM調(diào)速
PWM技術(shù)是直流電機(jī)調(diào)速中最為有效的方法，PWM調(diào)速的基本思想是：以通過(guò)電機(jī)的平均電壓和電流做比較，40%的時(shí)間電源的電機(jī)比20%的時(shí)間接通電源的電機(jī)要大。當(dāng)電機(jī)沒(méi)有接通電源時(shí)，它完全不消耗能量——這一點(diǎn)正是其高效率的原因。它使驅(qū)動(dòng)芯片和電機(jī)的發(fā)熱減少，從而電池也可以用得更久。
圖3-8不同占空比的PWM信號(hào)方向幅值示意圖
有兩種方法可以產(chǎn)生PWM信號(hào)：一種是在頻率恒定的情況下產(chǎn)生占空比不同的脈沖，另一種是在占空比恒定的前提下產(chǎn)生頻率不同的脈沖，通常被稱做脈頻調(diào)制（PFM：Pulse Frequency Modulation）。由于PFM控制是依靠脈沖頻率來(lái)改變占空比的，當(dāng)遇到某個(gè)特殊的頻率下的機(jī)械諧振時(shí)，常導(dǎo)致系統(tǒng)震動(dòng)和出現(xiàn)音頻嘯叫聲，這一嚴(yán)重的缺點(diǎn)導(dǎo)致PFM控制在伺服系統(tǒng)中不適用。故本設(shè)計(jì)中，采用PW