毕业设计（论文）-多用途轮式自动行走小车设计.doc

全套图纸加扣 3012250582摘 要本文针对电动车的理想车型双轮独立驱动电动车的驱动系统，对与上述EV的车辆动力学特性和电动车相关的轮毂式永磁无刷直流电机进行了深入的分析，基于当前电动车（EV）产业的兴起与发展进行了相关的研究和实验验证。目前电动车发展中的一项关键技术是蓄电池技术，但同时也是电动车的薄弱环节，动力蓄电池已经成为电动车产业化的主要障碍。不同种类的蓄电池拥有不同的性能，而同一类型的蓄电池的不同个体也存在相当大的个体差异，这些差异对蓄电池组的性能会有影响，从而对电动车的整体性能也有影响。本论文中也涉及了有关电动车动力蓄电池性能的介绍。电力机车技术的发展越来越受到广泛关注，其中控制系统性能的好坏对电动车的发展越来越重要，控制系统也逐渐引起了人们的关注。控制系统性能的关键是发挥控制系统的最大功效，因此研究电力机车控制系统也已经成为当今电动车领域一个重要的课题。现有的电力机车控制系统包括微机控制系统、逻辑控制系统、显示系统等，关键是如何将他们有机的结合起来并发挥出尽可能大的功效。本论文的写作过程中查阅了相关的资料，提出了一套以车指令系统+微机控制系统+逻辑控制系统的系统控制策略。关键词：控制系统；电动汽车的发展; 永磁无刷直流电机;蓄电池技术ABSTRACTBased on the development of electric vehicles (EVs) industrial ,this paper describes an ideal concept EV, that is a EV has independent directly driven wheels (In-wheel EV). The research into drive systems concerns theoretical analysis and correlative experiment. The research on the permanent magnet brushless in-wheel motors and vehicle dynamics used for this novel EV is presented.As the feeble section of electric vehicle, power battery was the main obstacle of the industrialization of electric vehicle. Designing a sound battery management system was one of the key technologies of electric vehicles. It was known that the performance difference among different kinds of batteries and considerable individual difference among the same kind of battery had great influence on the performance of battery team and the whole capability of electric vehicle. This article mainly describles the whole capability of power battery of the electric vehinle.With the development of electric locomotive, the performance of locomotive control system is more and more took into account. How to combine the microcomputer control system, logic control system, display system with locomotive security system, and make the best use of control system is task of research of the electric locomotive control system. According to the other paper,this article expounds a strategy of control system based on locomotive instruction system,microcomputer control system, logic control system.Key Words: Electric Vehicle; power battery ;Servo system Permanent magent brushless DC motor; Lead acid battery目 录第一章 绪论4 1.1 研制自动行走小车的意义41.2 电动汽车的发展历史和现状41.3 电动小车的特点及关键技术51.4 本课题的研究内容4第二章 机械设计与双轮驱动72.1 整车设计参数的选取（速度、转矩、功率）72.2 双轮驱动方案的实施7第三章 轮毂电机83.1 电动小车用电动机选型83.2 永磁直流无刷电机的特点83.3 小车用电机的选择9第四章 电动小车的蓄电池144.1 蓄电池技术的现状144.2 蓄电池容量的计算方法164.3 小车用蓄电池的选择17第五章 结束语 19致谢20参考文献21第一章 绪论 1.1 研制自动行走小车的意义自动行走小车结构简单、便于控制，方便实现工业和农业自动化生产。我国从1994年开始已经成为石油进口国，所以从长远利益讲，发展电动车辆有利于节省能源，是我国的国民经济发展战略。为了让电动汽车的得到更好的研究与发展，直接面向真正的电动车辆能够为电动车的研究提供相关的技术参考。电动车的发展中关键的部分是动力电池，同时也是电动车发展的瓶颈。针对动力电池的研究成果，我们既可以用来解决现有电池的应用，也可为进一步突破电池技术做好准备。1.2 电动汽车的发展历史、现状1881年8月，法国人特鲁夫发明了了世界上第一辆电动交通工具电动三轮车，这也意味着电动车EV出现了。在此期间人们发现汽油的比能量相当高适合车载使用，以及内燃机技术得到飞速的发展，到二十世纪初期，机动车辆的市场几乎被燃油汽车所占据。由于燃油汽车的广泛使用导致了电动车的发展几乎处于停滞状态。直到第二次世界大战爆发，各国为了缓解汽油供应紧张纷纷开始研究电动车，同时电动车也可以用于军事战争和人们日常生活保障品的运输。但是由于当时落后的蓄电池技术，电动车的性能发展受到很大的限制。随着战争的结束，电动汽车的研究逐渐放缓，各国不断减少研究的投入，电动车的发展再度陷入了停滞状态。大气污染到二十世纪九十年代已经引起了人们的高度重视。影响大气污染的因素有很多，其中近60%是来自于车辆的燃油排放。能源问题专家们同时提出石油资源不久将面临枯竭。面对压力，电动车技术开发的高潮再度掀起，发达国家和一些发展中国家开始关注电动汽车技术的研究和发展，各大汽车公司开始重视电动汽车的研究，纷纷投入人力和物力研究电动汽车。在环保与石油危机的呼声中，电动汽车的研究进入持续发展的新阶段。在各国政府的支持和各有关汽车公司、院校的共同努力下，研制出了适用于电动车的各种电动机和车辆专用电池。电动车技术的发展也算是取得了一些可喜的进步。目前日本、美国、俄国和德国等国家在电动汽车的研究上取得较大进展。日本很早就意识到电动汽车的重要性，在1965年他们便把研制电动汽车确立为国家计划，1997年又推出了ACF计划（先进的清洁能源汽车计划）。型号为FCX的清洁能源汽车预计于年底投入市场，其最高速度可达130km/h，加满氢气后，最多能行驶335公里，该车最初是为政府机关和东京的一些社团组织设计的。从98年开始，美国各大汽车公司的电动汽车技术的发展已经取得了很大的进展，并已经研究出多种型号的样车。在其发展电动车的十年计划中（20012010），为了更好的发展电动车的关键技术他们把纯电动车和混合电动车商业化确立为目标，使得电力电子、燃料储能、汽车系统和轻型材料等关键技术得到了很好的研究与发展。除了美国和日本，德国的电动车技术也得到了很好地发展。他们在蓄电池电动车，燃料电池电动车和混合动力电动车等方面都进行了大量的研发工作并取得了不错的成果。随着世界各国的关注，我国政府也已经确定了电动车研发运作的规划，启动了“十五”电动车重大专项科技的全面计划。1998年7月，为了更好的推动电动车的发展，由国家电动车领导小组办公室和国家科委牵头，在汕头南澳岛设立了中国EV现场测试示范区来推动电动车的发展。1.3 电动小车的特点及关键技术电动车的关键技术是系统总体机电一体化技术及车身技术。在设计电动车时由于受电动车车载能源密度的限制，必须考虑的技术问题有：改善车体材质以使得整车重量得到减轻；充分合理的利用空间；最大可能的减小轮胎滚动阻力；选择用电动机代替内燃机这样可以改变车辆的结构，这样不仅可以使车辆结构更加灵活，也可以选择更多的驱动方式。电动车所用的电动机属于电动汽车的关键部件之一，对高功率密度、可控性良好的电动机的研究与开发显得格外的重要。为使得电动汽车有良好的使用性能以及电机驱动系统执行部件有良好的可控性，这要求电动机体积小、重量轻、效率高。蓄电池技术的研究蓄电池技术是电动车里的一项关键技术，但却是制约纯电动车技术发展的瓶颈。车载蓄电池不仅要求循环使用寿命长和低成本，还有要求有高的比能量、比功率。1.4 本课题的研究内容在对相关的机械技术、电力电子技术、电机技术，以及EV动力学等进行研究的基础上，设计应用于双轮独立驱动的自动（电动）行走小车方案。EV的动力驱动采用直流电机，本文着重对永磁无刷直流电动机进行了介绍和分析。本文针对电动机在EV中的应用给出了相关的模型，以及分析了永磁直流无刷电动机在双轮独立驱动系统中独特的结构特点。在电动机的研究和分析对比中体现了此类型的电动机对独立驱动电动车具有良好的适应性。蓄电池技术是电动车的关键技术，粗略探讨了动力蓄电池的特性与选用等内容。第二章 机械设计与双轮驱动2.1 整车设计参数的选取行走速度：1m/s负载能力：100kg行走方式：轮式防碰撞探测：机械方式工作平台提升方式：半闭环控制机械方式提升工作平台提升高度：500mm外形尺寸：宽600mm2.2 双轮驱动方案的实施双电机前轮驱动车体基本架构：原型车体采用设计要求，车体重量约200kg,采用直流电动机驱动，轴距380mm，电池采用免维护封闭式铅酸蓄电池，90Ah 12V 2节，总电压24v。电动机为永磁无刷直流轮藏式电动机，上海司壮电机有限公司制造，其额定功率为92W额定转速1500转/分。轮毂电动机配直径200mm轮胎，电动车设计额定速度为3.6km/h。电动车驱动系统的总体框图如下图第三章 轮毂电机3.1 电动小车的电动机选型众所周知，直流电机具有优越的调速性能，主要表现在调速方便（可无级调速），低速性能好，启动转矩大，启动电流小，调速范围宽，运行平稳，效率高，噪音低。直流电机的调速装置非常的关键，因为永磁无刷直流电机的调速装置拥有一个高性能高速实时数字控制器，所以决定了这个系统拥有控制相对简单，成本低，高效节能，转速平稳，噪音低等优点，永磁无刷直流电机是节能型绿色环保产品，特别适合应用在家用电器产品中，在其他工业应用中也得到了推广，如机床、机器人和电梯驱动等。所以选择永磁直流无刷电机作为电动小车的电动机。3.2 永磁直流无刷电机的特点永磁无刷直流电动机的应用非常的广泛，也可运用在电动自行车、电动汽车、抽油烟机、电梯、豆浆机、数控机床、机器人、小型清污机等机械上。新型永磁无刷直流电动机调速方便，可以进行无级调速，特别适合于民用产品，也可以作为伺服电动机用于工业控制场合。除了调速方便还具有运行效率高，启动力矩大，启动电流小，噪音低，无机械换向器，工作寿命长等优点。永磁无刷直流电动机具有结构简单、性能可靠、制作容易、控制方便、成本低廉的优点，适用于工业控制及各类民用产品的领域。（1） 电机要满足各种运行模式下的转速要求，就必须拥有范围大的工作转速，同时为了方便用户在驱动器上编程，永磁无刷直流电机采用DSP芯片将驱动器及控制器集成于一体，这样就可以实现无级调速，多种变速甚至定位动作。（2） 因为电动机需要在超低转速下工作，一般的交流变频器是做不到的，然而永磁无刷直流电机的性能可以满足这样的工作环境，甚至有些新型无刷直流电机完全可以取代小功率交流变频器，所以我们选择永磁无刷直流电机。（3） 电机要几乎不受电网电压波动的影响，就必须拥有大的启动转矩，这也是永磁无刷电机的有点。（4） 永磁无刷直流电动机的效率比较高，比一般的交流变频系统效率还要高。（5） 永磁无刷直流电机的寿命比一般的交流电机要高，这是因为它的温升较低，与同功率交流电机相比温升可低30%左右。（6） 永磁无刷直流电机比一般的电机噪音要低。3.3 小车用电机的选择电动机1. 通过网络查找“直流电动机”获取信息。浙江中原电气有限公司（/index.aspx）是一家专门从事稀土永磁电机及其驱动装置的科研与制造的高科技实业公司。其生产的TYWZ稀土永磁无刷直流电机以高性能稀土永磁材料作转子材料，保留了传统直流电机的所有优点，而且还具有以下特点：转矩特性好，尤其是中、低速转矩性能好，启动转矩大；调速特性也比较好，尤其在中、低速调速性能方面；永磁无刷直流电机的转子转动惯量小，响应速度快；结构简单，稳定性好，可靠性高，适应性强，维修与保养简单；耐颠簸震动，震动更小，运转更平滑，噪音更低，寿命更长；防护等级：IP-54 IP-552 TYWZ稀土永磁无刷直流电机的典型应用电动汽车电动自行车磁悬浮列车军事工业伺服系统3 TYWZ稀土永磁无刷直流电机的电气参数电机型号电压等级U（v）额定功率P（kw）额定转速RPM额定电流I（A）效率（%）功率因数COS防护等级重量W（kg）TYWZ-18-63DC2200.1830001.1900.91IP-54或IP-555TYWZ-50-63DC240.5300025900.88IP-54或IP-5554. 小结：系列产品功率偏大，不宜选用西安微电机研究所（/micromotor）是我国微特电机和数控系统的主要研究开发基地，国家微电机专业研究所。随着科学技术的发展尤其是电子技术，其生产的新型无刷直流电动机在性能上保持了普通直流电动机的优点，是一种新型直流电动机。该类电机不仅可做为一般直流电动机使用，还能做直流稳速电动机、直流伺服电动机等使用。ZWS型无刷直流电动机 技术数据 Technical Data型号额定电压（V）额定功率（W）额定电流（A）额定转矩(Nm)额定转速(r/min)36ZWSC01A276330.05541100040ZWSC015418040.4430055ZWS0448802.30.5150055ZWS04A245550.32150088ZWS01241135.80.36300090ZW034810060.12800090ZWSK0124418000小结：根据计算要求可选择 55ZWS0455ZWS0448802.30.51500 图片如左图上海司壮电机有限公司（/athena/sampledetail/5358254.html）是专业制造和销售交流减速电机、直流减速电机、空心杯直流伺服电机和减速电机的企业，产品以出口美国和欧洲为主。分析该公司产品：其功率较大、结构紧凑，且均与减速器集成，有多种减速比可供选择，简单适用。省去了单独设计减速器等问题。经比较分析，90JB齿轮减速器永磁直流电动机符合我们的使用设计要求，可供选用。90JB齿轮减速永磁直流电动机产品型号：90JB/83125 直流减速电机系列产品名称：90JB齿轮减速永磁直流电动机原产地： 上海装运期限：天描述：电动机输出功率有77W、92W两个品种，电压24V。减速器安装端面尺寸90*90mm等，偏心出轴，减速比有1:31:150等12个规格可供选择。减速器最大允许负载20Nm，最大瞬时允许负载30Nm。采用“一体式”减速器，详细介绍见单相交流电容运转齿轮减速电动机的内容。总结：根据要求，综合以上比较分析之后，从简化结构和设计角度出发，选择上海司壮电机有限公司的90JB齿轮减速永磁直流电动机77W的作为升降台用电机。选用上海司壮电机有限公司的90JB齿轮减速永磁直流电动机92W的作为车轮的驱动电机。主要参数如下：型号额定电压额定功率额定电流额定转矩额定转速90JB24V77W3.21500第四章 电动小车的蓄电池4.1 蓄电池技术的现状从1835年美国汤姆斯发明电动汽车至今已有150年的历史，在这其间一直制约电动汽车发展的最主要因素是驱动用的蓄电池技术，其实蓄电池技术是电动车技术中的关键技术，就是因为关键技术的落后，才导致了电动车缓慢的发展。蓄电池技术的发展现状制约电动汽车时代能否到来。蓄电池的关键技术包络比能量、比功率、循环寿命、充电时间、安全性、可靠性及价格等。当今的蓄电池主要有如下几类：铅酸蓄电池铅酸蓄电池是现在大多数电动汽车都会选用的蓄电池。因为它结构紧凑，性能可靠，而且价格低廉，获得了广泛的应用算得上是现在比较成熟的电池，但是也有一些缺点，例如质量重，功率密度小，而且平均寿命短仅为22.5年，在寒冷气温下会更短。同时铅酸蓄电池也存在一定的危险，比如他在充电时放出的氢气有爆炸的危险，为了解决这个问题我们采用密封装置来提高安全性。我们采用胶体来代替铅酸蓄电池溶液，这样也可以增加电池的安全性，但其过充电、过放电时寿命会缩短。美国能源部提出了铅酸蓄电池的研究，在19991年成立了美国先进蓄电池财团（USABC），随后在美国能源部和USABC的共同努力下研发了铅酸蓄电池。福特公司作为USABC的生产伙伴之一，希望铅酸蓄电池能为他们生产的第1批电动汽车提供动力。美国另外一家汽车公司，通用汽车公司生产的电动汽车也采用了铅酸蓄电池，他们所推出的第1代“冲击牌”电动汽车，采用了395kg的铅酸蓄电池系统，这个铅酸蓄电池系统每次需要23小时充电时间，冲完电时速可达120km，每充一次电最多可行驶195km。镍镉蓄电池镍镉蓄电池的技术成熟性仅此于铅酸蓄电池，他们的体积能量密度也相近，但是在质量能量密度方面，镍镉蓄电池比铅酸蓄电池优越，质量能量优越的同时成本却比比铅酸蓄电池高50%。雪铁龙公司的新型电动车采用了镍镉蓄电池，他们设计了能完全回收的以电为动力的雪特拉原型车，吸收了镍镉蓄电池组件结构一体化的优点。据该公司称，该车的蓄电池使用要求为10年，最高时速达109km/h，平均时速90km/h，一次充电行驶109km。镍镉蓄电池能量高，放电深度及周围温度的变化对其性能影响较小，可以急速充电、过充电而且很安全，寿命一般为3年。但这种蓄电池除非完全放电，否则不能完全充电，因此汽车的行程受到了影响。另外，镍镉蓄电池用完后需要回收，其回收能力尽管是一大难题，但是为了防止污染环境也需要回收电池。据日产公司称，他们觉得电动汽车充电时间长不仅不实用还会产生浪费，所以他们在生产的FEV（未来电动车）车上采用了新的技术来解决充电时间长的问题，采用了新技术的未来电动车每次充电只需要15min就能充满，充电6min就可以达到40%的充电量，大大缩短了充电时间。FEV车充电时间短的的秘诀是因为它所用的蓄电池只有常规汽车蓄电池的一半，而且薄而轻，电池由23节镍镉蓄电池组成，重量为202kg。该车不仅充电时间快，而且在充满电后时速可达到72km/h，最高车速可达130km/h，可连续行驶160km。该车的也兼顾到散热问题，它的蓄电池采用了比普通组件更薄，更坚固的隔片，通过增加表面积来改善散热，还可以提高效率。此外，先进材料还降低了电阻。然而该快速充电系统的缺点也同时存在，缺点就是在充电时需440V的输入量才能达到快速充电时间。为了进一步研究镍镉蓄电池，日本东京电力有限公司（TEPCO）和东京研究与开发有限公司共同研制的IZA车，288V镍镉蓄电池为该车提供动力，附件由铅酸蓄电池提供动力。在实际行驶中，该车标准时速是40km/h，完全充电后该车可行驶超过547km。蓄电池充电电源为50A220V，在8小时内可以完成充电。该车的整体性能水平基本与汽油为燃料的汽车性能相同。钠硫蓄电池的储备能量是铅酸蓄电池的2倍，但是其相关技术尚处于发展阶段。钠硫蓄电池不仅能量密度高，而且由于结构紧凑可以缓解封装问题。但其工作环境一般在300350的高温下，在不使用时要保温，因为电池在不工作是会凝固，一旦凝固就没有功率可发啦。钠硫的化学反应会放出大量热量，使内压升高，硫在温度超过445时就会沸腾，这样很危险，还好不用担心钠硫蓄电池的回收工作，因为钠硫蓄电池拥有独特的回收结构，所以回收很方便。锂铅二硫化铁蓄电池（LAIS）以及锂和某种聚合物的蓄电池共同组成锂蓄电池，锂蓄电池能量的释放受温度的变化影响较大，所以他的可靠性也会受到影响。锂铅二硫化铁蓄电池有很高的能量密度和功率密度，是一种正在研究的蓄电池。锂和某种聚合物的蓄电池是一种固态系统，但现在还处于初期开发阶段。克莱斯勒公司工程副总裁弗朗索瓦卡斯坦说：“从长远角度看，锂蓄电池有很大的发展前途。到1995年，该技术可用于汽车上。如果想要提高电动汽车的行程可以在设计中采用这项技术，一般能提高到483km。英派克特电动汽车在美国通用汽车公司的改进下得到了很大的提升，据接近该项目的有关人士说，原因就是第2代英派克特可能采用锂蓄电池代替原来计划的镍镉蓄电池。镍铁蓄电池与铅酸蓄电池相比性能相近。克莱斯勒公司的最新概念小篷车（EPIC）采用了电源为180V、200Ah的镍铁蓄电池提供动力。据称该车在镍铁蓄电池作用下最高时速可达105km/h，但缺陷是在行驶了193km后，EPIC小篷车不得不在用220V电压上充电8h。该车配有817kg的蓄电池组，蓄电池组使用自动供水系统，在补水前，可以连续使用3个月。镍铁蓄电池组虽然性能与铅酸蓄电池差不多，但是成本却远远高于铅酸蓄电池。普通的铅酸蓄电池要2000美元，而镍铁蓄电池高达10000美元，这让很多产家望而却步。能量密度为钠硫蓄电池的2倍的锌蓄电池是一种电解液循环的特殊蓄电池，能在室温下工作。不仅能获得高的能量密度，还能取得轻量化，前提是在结构上采用树脂，这样做的话还能降低电池价格。但是如何增大能量密度延长循环寿命是急需解决的问题。锌空气蓄电池寿命很短，只有2年，处于初期开发阶段。4.2 蓄电池容量的计算方法所定的电压、所定的时间和可向负载决定了蓄电池的容量。1. 计算容量的必要条件A 放电电流放电过程中负载电流的增减随时间而变化。B 放电时间可预期的负载的最大时间C 最低蓄电池温度蓄电池放置场所的温度条件会影响到蓄电池的最低温度，所以一般情况下需要判断一下蓄电池放置场所的温度条件。一般分为两种，5（室内）和5（寒冷），遇到有空调的情况，室内温度作为最低温度。D 允许的最低电压单格允许的最低电压（V/单格）=（负载所允许的最低电压+导线的电压损失）/串联格数2 容量的计算公式C=1*K1I1+K2(I2-I1)、KN（IN-IN-1）/LL：一般L值采用0.8.K：时间换算由放电时间T、电池的最低使用温度、允许的最低电压而决定。4.3 小车蓄电池的选择蓄电池上海霆峰电子科技有限公司是一家集销售和代理不间断电源系统、全封闭免维护蓄电池系列、特殊规格交直流逆变电源系统的公司。其经营销售的沈阳松下系列电池功率大，容量大，符合我们的设计要求型号电压（V）容量（Ah）外形尺寸（mm）重量含端子型号长宽高总高LC-P061261215150941001.95187.250MLC-R12712715164.5941002.2187.250MLC-RA1212121215198175179.52.8187.250MLC-X122412241651251751758.5LLC-X1224A12241651251751758.5BOLTLC-QA1224A1224165125175179.510BOLTLC-X1228122816512517518010.2LLC-X1228A122816512517517510.2BOLTLC-X1238123819716517518012.8LLC-X1238A123819716517217512.8BOLTLC-X1242124219716517518015.5LLC-X1242A124219716517517515.5BOLTLC-P1242A124219716517517517BOLTLC-X1265126535016617517521LLC-XA121001210040717321023632.5L分析比较各种型号，综合考虑功率、容量等因