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1、-毕业设计（论文）-玩具遥控汽车结构设计（全套图纸）-第 39 页摘 要本文首先对玩具遥控车的国内为发展现状做了介绍，同时根据设计要求对玩具遥控车的整体方案进行了分析，包括几何尺寸、驱动芯片的选择和程序的编制。然后从玩具遥控车性能要求的角度出发，分别对玩具遥控车的运动方式、模型结构和车体成型方式做了比较，最终确定了非完整约束轮驱四移动结构模型后轮同轴驱动，前轮转向的玩具遥控车。文章对玩具遥控车硬件结构做了详细的可行性分析及设计，并且做了相应的计算、校核，主要包括：驱动轮电机和转向轮电机的选择及其驱动电路的设计；齿轮的设计计算和校核；前后减震系统以及转向机构设计和车体的一些机械结构设计等。并且针
2、对本设计所研究的玩具遥控车，设计了驱动模块。最后，本文对所作研究和主要工作进行了总结，并将设计的玩具遥控车的结构进行联合调试。实验结果表明，该系统性能稳定、可靠，可控制性高，安全性高，达到了本设计的设计要求。关键词： 玩具遥控车；硬件结构；驱动电路；驱动模块全套图纸加153893706AbstractFirstly, the domestic toy remote control cars for the current development is introduced, and according to the design requirements of the overall sche
3、me 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 ultima
4、tely 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 calcu
5、lation, 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
6、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 re
7、quirements of the design.Keywords: remote control toy car; hardware; drive circuit; drive module不要删除行尾的分节符，此行不会被打印目录摘 要IAbstractII目录III第1章 绪论 1 -1.1 课题研究的目的与意义11.2 我国玩具行业的发展概况11.3 我国玩具行业的消费现状31.4 玩具行业的发展前景41.4.1 传统玩具向电子玩具过渡41.4.2 提高玩具附加值势在必行41.5 方案分析及设计要求41.6 本课题主要研究内容5第2章 玩具遥控车结构设计72.1 玩具遥控车运动方式的选择
8、72.2 玩具遥控车驱动方案的选择82.3 玩具遥控车驱动轮组成92.3.1驱动电机选择102.3.2减速机构的设计与校核142.3.3变速箱体及后减震242.3.4驱动车轮及轮毂242.4玩具遥控车转向轮组成262.4.1驱动电机选择272.4.2传动机构及前减震机构292.4.3前车体及电池箱302.4.4转向轮胎和轮毂302.5玩具遥控车受力分析及如何保证加速度最优302.6系统可靠性设计32第3章 玩具遥控车驱动设计333.1玩具遥控车驱动组成343.2 转向电机控制343.2.1电机驱动芯片的选择343.2.2电机驱动电路设计363.2.3程序控制流程及代码383.3 直流电机控制4
9、13.3.1 直流电机驱动芯片的选择413.3.2 直流电机驱动电路设计423.3.3 直流电机PWM调速433.3.4 闭环反馈控制模块443.3.5 程序控制流程及代码46结论50致谢51参考文献52第1章 绪论千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行1.1 课题研究的目的与意义中国是玩具大国，玩具出口在我国的外贸出口中占主要地位。中国的玩具厂商要在国际上站稳脚跟，就要有所发展，一定要有新的、高层次的产品。国内的大型玩具企业已经充分意识到这一点，正在和科研院所合作，研发高端儿童玩具车
10、产品。企业的参与将为儿童玩具车的发展起到推动作用。随着人们对休闲、娱乐需求的增加，以及人们对玩具功能观念的改变，玩具的消费群体也正在迅速扩大。玩具已不再是儿童的专利，越来越多高档、新颖的玩具开始成为成年人的休闲、娱乐用品。而目前，我国成人玩具的开发还是一个空白，显然这个市场有着巨大的潜力去开发，从而解决了因玩具出口受限而转内销的市场销量瓶颈。有关数据显示，中国现有玩具企业2万余家，从业人员超过400万，年产值1000多亿元，产量占世界总产量的70%以上。而目前高端成年人玩具市场却是众多玩具业厂商不重视的一个市场，所以对于内销市场，国内企业应该加大投入力度，力争中国市场成为另外一个美国市场，成为
11、中国玩具业最坚定，最雄厚的一条顶梁柱。通过本课题，让学生在毕业设计过程中综合大学所学基础课程及专业课程，培养学生综合应用所学知识和技能去分析和解决一般工程技术问题的能力；进一步培养学生分析问题、创造性地解决实际问题的能力。1.2 我国玩具行业的发展概况 中国是全球玩具第一大生产国。我国玩具行业是从上世纪80年代后发展起来，70%以上还是来料加工和来样加工，自主开发和创新的能力不强，能够以自创品牌出口的还为数不多，要从依附式发展转向自主式发展还需要一定的过程。中国国内市场的玩具质量合格率仅为76.3%。还面临着严峻的知识产权保护和欧盟贸易壁垒等难题。而且近一年来国际石油价格不断攀升，使得塑料原料
12、价格大幅上扬，玩具生产成本增加，市场竞争加剧。东部沿海一些地区出现的电力供应紧张以及劳动力短缺问题，也制约着玩具行业发展。 现代玩具工业的发展经历了以下几个阶段：二战后，由于塑料的出现，塑料玩具代替了木制玩具。70年代，电子玩具的出现已成为玩具的发展潮流。80年代末，两家日本玩具商抢先推出托架玩具，行销一时。现在，世界几家大型玩具生产商从传统产品中脱颖而出，转产电子游戏；为应对多媒体的挑战，抢占市场，这些公司又捷足先登，研发智能玩具。我国是世界上最大的玩具制造国和出口国，全球70的玩具是在我国境内制造的。我国现有玩具企业2万余家，从业人员超过400万，年产值1000多亿元，产量占世界总产量的7
13、0以上，其中,广州的产值达300亿元。2005年全国玩具出口额达150多亿美元。广东、江苏、浙江、上海、山东和福建这五省一市历来是中国玩具最重要的生产和出口基地，占中国玩具年销售额的95以上，其中广东占中国玩具年销售额50以上，其主要生产基地在深圳、东莞以及澄海地区。 澄海玩具礼品生产单位超3000家，从业人员10多万人，2005年产值120亿元，并以年均30%的速度递增。全区250多家企业在126个国家和地区建立营销渠道或固定销售网点，产品外销达70%以上，占全国玩具出口量的9%左右。有了这些基础，澄海区正积极申报建设“国家澄海玩具特色产业基地”。 玩具制造业在我国属于开放程度较高的行业。目
14、前，三资企业仍占据行业的主导地位，取得全行业产品销售收入的65.8和利润总额的62.7。民营企业的经济效益则是行业内最好的。 国内市场的玩具约有3万多个品种，大部分适合4岁8岁儿童，适合婴幼儿的玩具不多，适合成年人的玩具更少。残障儿童玩具市场有待开发。 玩具用塑料原料主要有ABS、PP、PE、PVC、POM、EVA树脂、PA、不饱和聚酯、热塑性弹性体等，在我国的用量较大，而且增长潜力巨大。统计数字表明，仅2003年全国各类塑料玩具用树脂量达到近180万吨，销售额已突破140亿元，预计还将以每年40的速度继续递增。这也预示着作为制造塑料玩具的基础原料也将在玩具业的推动下进入一个快速增长的黄金时代
15、。1.3 我国玩具行业的消费现状 我国玩具消费正以每年30%40%的速度增长，到2010年我国玩具消费总额将超过1000亿元。中国社会调查事务所日前进行的一项中国玩具产业调查的结果显示，中国玩具市场蕴藏着巨大商机。中国14岁以下人口为3亿多，其中的城市人口为8000万人，构成了庞大的玩具消费群体。城市儿童每年人均玩具消费额为35元，城市成年人12元。大中城市的消费者普遍可接受的玩具价格在100元以下，一些售价在1000元以上的高档玩具同样有市场。在中国玩具市场，毛绒玩具和儿童车最为畅销，模型玩具、遥控玩具和塑胶玩具的销量持续看好。有34%的城市消费者选购电子玩具，31%选择智能型玩具，23%选
16、择高档毛绒、布制玩具。农村消费者以传统的玩具类型为主，48%的农村消费者愿意购买电动玩具，28%愿意购买拼装玩具，24%愿意购买中、低档毛绒、布制玩具。以下玩具将成为市场新宠：模型玩具、专利授权玩具(电影玩具、卡通玩具等)、玩偶、高科技玩具、益智玩具、互联网兼容玩具，以及适合成年人休闲娱乐的成人玩具。成年男士比较喜爱电脑智力型玩具，成年女士喜欢高档精美的装饰性玩具，如布娃娃、毛绒娃娃、木制玩具和小动物玩具等。中年人多会选购消遣性、轻度运动型玩具。老年人较喜欢各种观赏型玩具，如：小动物玩具、玩偶等。1.4 玩具行业的发展前景1.4.1 传统玩具向电子玩具过渡 玩具智能化成为玩具行业的发展新趋势。
17、高科技智能化玩具不仅满足了儿童的好奇心，加强了孩子和玩具的互动，同时也激发了孩子的求知欲。玩具企业将计算机、电子、通讯等领域内的先进技术“嫁接”到玩具产品中，突破了传统玩具的局限性，赋予玩具“听”、“说”功能，与人进行互动。智能化玩具的形式多样、内容丰富、寓知于乐，可以与孩子们进行“情感”交流，进而培养孩子良好的习惯，并在愉悦中学习、体会生活，真正达到寓教于乐的目的。 而且玩具已经不在仅是儿童的专利。据中国玩具协会统计，约64%的成人消费者表示有兴趣购买适合自己的玩具，估计成人休闲益智玩具市场每年约值500亿元人民币。传统玩具的市场日趋下滑，益智类、成人类玩具的出口已不断呈现增长趋势。1.4.
18、2 提高玩具附加值势在必行 近年来，国际油价持续攀高，与石油相关的原材料价格亦随之上扬，塑料价格较年前上涨30%-40%。而一件玩具中，塑料成本大概占据总成本的60%-70%，这大大增加了塑料玩具的生产成本。 这就要求生产企业必须跨越原料价格高涨、贸易壁垒和3C认证等重重障碍。有人认为，国内玩具企业面临着如此多的困难，制约其发展的主要因素可以归结为质量不高和技术含量低。据此，我们不难找到解决难题的路径：研发符合安全和环保要求的产品；利用科技创新，提高产品附加值，并向高档化迈进。1.5 方案分析及设计要求本文所讨论玩具遥控车系统运动学模型近似于汽车，因此称为玩具遥控车，它的组态由玩具遥控车在工作
19、环境中的位态确定。它作为一种小型玩具遥控车，是一种非线性控制系统。为了能发挥将来加载到这种玩具遥控车上的功能，因而对小车性能作了要求。作为主要用于娱乐的玩具遥控车长度不宜超过1000mm，高度要控制在玩具遥控车平衡稳定运作的范围内。因此，车体在保证稳定的情况下做的尽量小，各部件排列方式应尽量减小纵向尺寸，使车体紧凑。内置于其中的电路板和电池的尺寸也要受到限制。设计电路是要尽量选用功能大，集成度高的芯片，而电池要选用体积小并且耐用的型号。因此，本课题控制器设计选用SPCE061A系列单片机来实现控制电路的架构，并且减少外围逻辑电路，使板面布局紧凑。车体系统的运动是影响系统性能，决定玩具遥控车性能
20、达标的重要因素。因此，在软硬件选型时，满足快速性、准确性要求是考虑的第一要素之一。要求机构能够具有更大的灵活性与柔性，能够具有更大的跨越障碍的能力。最好采用减震设计，它有利于保护玩具遥控车各组成部件，特别是电器元件。我们设计的玩具遥控车所处的环境所受的强磁干扰要小得多，但是要达到系统运作实时、准确，某些干扰就显得较为明显:首先，玩具遥控车体积很小，电机及其驱动系统，处理器系统，无线模块同处于很小的空间，这几部分之间的相互干扰，特别是电机及其驱动系统对处理器的干扰，无线模块对处理器的干扰以及无线通讯所特有的噪声干扰都不容忽视。本课题中，分别采用了硬件抗干扰设计和软件抗干扰设计。其次，玩具遥控车工
21、作环境周围的电器将对其产生影响。1.6 本课题主要研究内容课题主要完成玩具遥控车结构设计，驱动电机选择，驱动芯片的选择及程序的编制，驱动电路设计。1.机械结构部分包括玩具遥控车构成方案选择、玩具遥控车本体机构设计和驱动电机的选择。2.针对设计要求结合所选用的电机，设计电机的驱动模块，并讨论系统设计的可靠性问题。 第2章 玩具遥控车结构设计2.1 玩具遥控车运动方式的选择 玩具遥控车运动方式归纳起来基本有三种:轮子方式、履带方式和腿足方式。为了得到我们设计需要最合适的方式，我们对以上三种方式做了简单的比较如下表2-1()表2-1运动方式的比较考虑因素驱动方式适应的环境驱动方面的考虑机构方面的考虑
22、轮子方式适于室内、硬路面等平整地面，特别不适合松软或崎岖地面。驱动方式简单多样，力矩相对较小主要有：两轮驱动兼转向加随动轮；两轮差动加辅助轮；驱动轮加转向轮。机构实现相对简单，相互约束条件少，稳定性较好，轮子安装需要一定精度要求。履带方式适应环境最广泛，特别是崎岖不平地和湿洼地形。驱动方式单一，力矩较大，使用两侧轮差动，实现驱动和转向，不需要辅助轮。机构实现较轮子复杂，需要履带的张紧设计，支撑面积大，稳定性好。腿足方式适应范围较广，适应地形受其步态影响，不适合崎岖山路。驱动复杂，对平衡和稳定要求极高，自由度越多，驱动控制部分越多。有较多的 运动部件和关节，要求较高的加工和装配等级，对材料性能要
23、求较高。通过对以上方式的比较，我们选用轮子方式做为玩具遥控车运动方式，它符合我们的设计要求：适应室内活动环境；需要动力较小；能量消耗少；结构实现简单可靠。2.2 玩具遥控车驱动方案的选择玩具遥控车的机械结构()如图2-1，图2-2，图2-3。图2-1 驱动结构图2-2 前轮驱动兼转向结构图2-3 后轮驱动，前轮转向结构如图2-1，采用两轮独立驱动的结构，驱动轮分别由两套直流伺服系统驱动，提供需要的转速或者力矩;前轮为万向轮，可任意移动。这种结构优点：简单轻便，控制性好，运动灵活转弯半径小。缺点：承载能力低，对地面环境的要求高。图2-2中的玩具遥控车，称为前轮驱动玩具遥控车，后轮为辅助轮，方向不
24、变，前轮为驱动轮兼转向轮，两轮驱动速度相同，转向速度一致。这种结构优点：运动平稳，稳定性好。缺点：结构复杂，控制难度高。我们根据设计需要和实现的难易程度选择了图2-3中的玩具遥控车，我们称之为后轮驱动玩具遥控车，它是一种典型的非完整约束的玩具遥控车模型。后轮为驱动论方向不变，提供前进驱动力，两轮驱动速度相同；前轮为转向轮，称为舵轮，通过转向系统同步控制两轮转向，使玩具遥控车按照要求的方向移动。移动机构又主要分三个轮、四个轮，三轮支撑理论上是稳定的。然而，这种装置很容易在施加到单独轮的左右两侧力F作用下翻倒，因此对负载有一定限制。我们为提高稳定性和承载能力，决定选用四轮机构，后轮为两驱动轮，两个
25、转向轮为前轮。这种结构能实现运动规划、稳定以及跟踪等控制任务，可适应复杂的地形，承载能力强，但是轨迹规划及控制相对复杂。2.3 玩具遥控车驱动轮组成后轮驱动装置机械传动结构如图2-4所示: 1 变速箱底座； 2 变速箱盖； 3 轴承； 4 齿轮； 5 齿轮；6 齿轮； 7 电动机； 8 中间轴； 9 轮毂； 10 轮胎图2-4 驱动轮机械传动示意图根据上面所确定的方案，玩具遥控车后轮驱动装置由驱动电机，减速装置，车轮及轮毂组成。2.3.1驱动电机选择目前在玩具遥控车的运动控制中较为常用的电机有直流电机和交流电机，对它们的特性、工作原理与控制方式有分类介绍，下面总结如表2-2所示：一般玩具遥控车
26、用电机的基本性能要求；1. 启动、停止和反向均能连续有效的进行，具有良好的响应特性；2. 正转反转时的特性相同，且运行特性稳定；3. 良好的抗干扰能力，对输出来说，体积小、重量轻；4. 维修容易，不用保养。驱动轮为两后轮，要求控制性好且精度高，能耗要低，输出转矩大，有一定过载能力，而且稳定性好。通过比较以上电机的特性、工作原理、控制方式以及玩具遥控车的移动性能要求、自身重量、传动机构特点等因素，所以我们决定选用直流电机作为驱动电机。直流电动机以其良好的线性调速特性、简单的控制性能、较高的效率、优异的动态特性，一直占据着调速控制的统治地位。虽然近年不断受表2-2不同电机的特性、工作原理与控制方式
27、电机类型主要特点构造与工作原理控制方式直流电机接通直流电即可工作，控制简单；启动转矩大，转速和转矩容易控制，效率高；需要定时维护和更换电刷，使用寿命短，噪声大。由永磁体定子，线圈转子，电刷和换向器构成。通过电刷和换向器使电流方向随转子的转动角度而变化，实现连续转动。转动控制采用电压控制方式，两者成正比。转矩控制采用电流控制方式，两者也成正比。交流电机没有电刷和换向器，无须维修；驱动电路复杂，价格高。按结构分为同步和异步。无刷直流电机结构与同步电机相同，特性与支流电机相同。分为电压控制和频率控制两种方式。异步电机常采用电压控制。到其他电动机(如交流变频电动机、步进电动机等)的挑战，但直流电动机仍
28、然是许多调速控制电动机的最优选择，在生产、生活中有着广泛的应用。所需电机的功率计算：玩具遥控车小车的受力简图如图2-5所示：玩具遥控车所需的牵引力:式中 玩具遥控车移动需要的牵引力式中 自身重力而产生的阻力式中 玩具遥控车移动所受摩擦力图2-5玩具遥控车小车的受力简图则有：式中 摩擦系数 式中 最大爬坡角度（据课题要求可以按0计算）则玩具遥控车在水平面上运动的功率为：传动装置的总效率：按照中表2.1-1确定的个部分效率有：齿轮传动效率：；滑动轴承效率：代入得到：所需直流电机的最小功率：通过以上的比较和计算，我们决定选用广东德昌微电机公司生产的SRC-555-3250型直流电动机其外观如图2-6
29、所示，尺寸如图2-7所示，技术参数如表2-3所示： 图2-6电动机其外观如图图2-7直流电机尺寸图 表2-3直流电机技术参数表型号额定电压空载最大效率下制动转速电流转速电流力矩功率力矩功率r/minAr/minAg.cmWg.cmWSRC-555-325012vCONSTANT61000.2453001.4922912.416509.202.3.2减速机构的设计与校核直流电机输出转速较高，一般不能直接接到车轮轴上，需要减速机构来降速，同时也提高了转距。减速装置的形式多种多样，选择一种合适的减速装置对玩具遥控车的性能有着相当重要的作用。2.3.2.1减速形式的选择驱动轮机械传动形式有多种，主要分
30、为：链条传动；皮带传动；蜗杆传动和齿轮传动等。1.链条传动优点是：工况相同时，传动尺寸紧凑；没有滑动；不需要很大的张紧力，作用在轴上的载荷小；效率高；能在恶劣的环境中使用。缺点：瞬时速度不均匀，高速运转是传动不平稳；不易在载荷变化大和急促反向的传动中使用；工作噪音大。2皮带传动优点是：能缓和冲击；运行平稳无噪音；制造和安装精度要求低；过载时能打滑，防止其他零件的损坏。缺点：有弹性滑动和打滑，效率低不能保证准确的传动比；轴上载荷大；寿命低。3.蜗杆传动：优点：结构紧凑；工作平稳；无噪声；冲击震动小；能得到很大的单级传动比。缺点是：传动比相同下效率比齿轮低；需要用贵重的减磨材料制造。4.齿轮传动：
31、工作可靠，使用寿命长；易于维护；瞬时传动比为常数；传动效率高；结构紧凑；功率和速度使用范围很广。缺点是：制造复杂成本高；不宜用于轴间距的传动。比较以上传动形式，结合本设计中玩具遥控车的要求：输出转矩大传动效率高噪音小等条件，我们采用两级齿轮传动，减速比为15。电机轴直接作为输入轴安装主动齿轮，不是用联轴器，既提高了精度又减轻了重量。轮毂和齿轮3安装在同一根轴上，他们转速相同。齿轮类型为渐开线直齿齿轮，联轴器相联，齿轮与车轮装在同一个轴上，它们的转速相同。齿轮参数如下:第一级减速：, m=3,mm, ,mm,第二级减速：, m=3,mm, ,mm,2.3.2.2齿轮传动的计算与校核设计中第一级齿
32、轮传动的齿轮强度计算与校核，如下：1.齿面接触疲劳强度计算（1） 初步计算转矩齿数接触疲劳极限由表12.13，取由表1.7初步计算的许用接触应力值由，取初步计算小齿轮直径取=25初步齿宽b（2） 校核计算圆周速度精度等级由表12.6选6级精度齿数z和模数m初取齿数；由表12.3，取（这里往大或往小取均可，视验算结果而定。）则使用系数由表12.9动载系数由表12.9齿间载荷分配系数由表12.10，先求由此得齿向载荷分布系数由表12.11载荷系数弹性系数由表12.12节点区域系数由图12.16接触最小安全系数由表12.14总工作时间应力循环次数由表12.15，估计，则指数原估计应力循环次数正确。接
33、触寿命系数由图12.18许用接触应力计算结果表明，接触疲劳强度教为合适，齿轮尺寸无需调整。否则，尺寸调整后还应在进行验算。2.齿根弯曲疲劳强度验算重合度系数齿间载荷分配系数由表12.10， 齿向载荷分布系数由图12.14载荷系数齿形系数由图12.21应力修正系数由图12.22弯曲疲劳极限由图12.23c弯曲最小安全系数由表12.14应力循环次数由表12.15，估计，则指数原估计应力循环次数正确弯曲寿命系数由图12.24尺寸系数由图12.25许用弯曲应力验算传动无严重过载，故不做静强度校核第二级啮合齿轮、的计算校核也采用以上步骤，通过计算知：强度均符合要求。2.3.3变速箱体及后减震变速箱体要求
34、在保证足够刚度的条件下，应尽量减轻车架的重量，以提高有效承载重量。其次，变速箱体应保证其它元件安装上以后，能达到平衡、对称和同轴。材料为ABS，厚度为6mm，轴承盒集成在箱体上，降低了制造难度。为保护系统结构免受震动的损伤，和提高跃障能力，在变速箱与前车体间加一减震弹簧。它不但能缓冲震动，而且当玩具遥控车遇到低于100mm 的幛碍物，或者高低不平的路面时不至于被架空： 2.3.4驱动车轮及轮毂本设计中可选用玩具遥控车的运动方式为轮子方式，轮子方式可以提供多种排列方式，从而满足不同情况需要，而且转向容易，可以实现运动的精确控制，机构实现简单。所以我们考虑到所设计玩具遥控车的工作环境和控制要求，我
35、们选用了四轮方式。选择车轮需要考虑多种因素：有玩具遥控车的尺寸、重量、地形状况、电机功率等。车重加负载重量为2kg4.5kg,所以用质地坚硬且易于加工的聚苯乙烯作轮毂，采用不充气的中空橡胶轮胎，其优点在于不仅重量小而且橡胶与地面的附着系数大，保证了足够的驱动能力。其中轮胎直径d=300mm,则车轮转一圈移动的为：车轮最大转速为:(电机转速/传动比)则玩具遥控车的最大线速度为:玩具遥控车小车的受力简图如图2-13玩具遥控车所需的牵引力:式中 玩具遥控车移动需要的牵引力式中 自身重力而产生的阻力式中 玩具遥控车移动所受摩擦力则有： 式中 摩擦系数； 式中 最大爬坡角度。则玩具遥控车在水平面上的功率
36、为：其最大加速度为：（其中的计算在2.3.1中作了介绍）图2-8 玩具遥控车小车的受力简图2.4玩具遥控车转向轮组成转向轮起支撑和转向作用，不产生驱动力矩。在小车转向时它可以以一定角度转动。主要机械组成结构如图2-9： 1 前减震弹簧； 2 转向连杆； 3 拉杆； 4 拉紧弹簧； 5拨叉； 6电机；7 前车体盖； 8 转向节； 9 前轮轴； 10 前轮毂； 11轮胎； 12 电池盒盖； 13 后减震弹簧； 14连接轴； 15 变速箱图2-9转向装置结构图 玩具遥控车前轮装置由以下几部分构成：驱动电机，蓄电池和充电部分，转向传动机构和前减震机构，前车体和电池箱及轮胎和轮毂五部分。如上图2-15所
37、示。2.4.1驱动电机选择转向轮的电机通过对表2-1不同电机的特性、工作原理与控制方式的分析比较，为了满足转向系统转动精度高，控制性能强，并且控制简单容易实现的特点，我们决定选用电机作为转向机构驱动电机。电机是一种将电脉冲信号转换成角位移(或线位移)的机电元件。对这种电机施加一个电脉冲后，其转轴就转过一个角度，称为一步;脉冲数增加，角位移(或线位移)就随之增加，脉冲频率高，则电机旋转速度就高，反之就低;分配脉冲的相序改变后，电机的转向则随之而变。电机的运动状态和通常匀速旋转的电动机有一定的差别，它是步进形式的运动，故也称其为步进电动机。电机的主要指标有：相数:产生不同对极N, S磁场的激磁线圈
38、对数。常用m表示。拍数:完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数：以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB,八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A 。步距角:对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。=360度(转子齿数J*运行拍数)，以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为=360/(504)=1.8(俗称整步)，八拍运行时步距角为=360/(508)=0.9(俗称半步)。定位转矩:电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩(由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的)静转矩:电机在额定静态电
39、作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积(几何尺寸)的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静转矩与电磁激磁匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过分采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。 步距角精度:电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示:（误差/步距角）100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。 失步:电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。 失调角:转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的
40、。最大空载起动频率:电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。最大空载的运行频率:电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。运行矩频特性:电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。电机有其独特的优点，归纳起来主要有:1. 步距值不受各种干扰因素的影响。简而言之，转子运动的速度主要取决于脉冲信号的频率，而转子运动的总位移量取决于总的脉冲个数。2. 位移与输入脉冲信号相对应，步距误差不长期积累。因此可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，
41、也可以在要求更高精度时组成闭环控制系统。3. 可以用数字信号直接进行开环控制，整个结构简单廉价。4. 无刷，电动机本体部件少，可靠性高。5. 控制性能好。起动、停车、反转及其他运行方式的改变，都在脉冲内完成，在一定的频率范围内运行时，任何运行方式都不会丢步。6. 停止时有自锁能力。7. 步距角选择范围大，可在几角分至大范围内选择。在小范围情况下，通常可以在超低速下高转距稳定的运行通过比较各种指标和参数后，我们决定选用常州丰源公司生产的35BYHJ03减速电机，自带25:1的减速器。参数如表2-6所示:表2-6电机参数步距角（，相数电压U,V电流I,mA电阻R,减速比空载运行频率F,pps空载启
42、动频率F,pps起动转距T,（g.cm）锁定转距T,（g.cm）7.5/25412255471/2555068075014002.4.2传动机构及前减震机构在本课题中我们为了得到稳定和承载能力强的系统结构，我们采用了两前置转向轮，转向轮不作为驱动轮，只提供支撑和转向作用。结构形式模仿普通机动车的一些结构，电机变速箱输出轴连接拨叉，拨叉拨动左右转向节连杆来实现转向。为了消除传动间隙和电机反转死区，我们在机构中加装了两个拉紧杆和一条拉紧弹簧，很大程度上消除了误差。转向传动机构受力简图如图2-10为保护系统结构免受震动的损伤，提高玩具遥控车在不平地面上的行走能力，在每个转向节轴上加装减震弹簧。它不但
43、能缓冲震动，而且防止在特殊情况下玩具遥控车被架空。它与后减震配合工作效果更加明显，工作原理与后减震类似。图2-10 传动机构受力简图2.4.3前车体及电池箱前车体是转向机构零件的载体，其结构复杂，要求精度也高(实物模型图如图。特别是转向节安放孔和电机支撑座等，要求同轴度和垂直度高，因此为了提高装配精度，车体盖和车体配合的螺栓孔采用了卯榫式设计（其结构见图纸装配图1），保证了装配的精度。为简化制造工序，提高车体的紧凑程度和牢固程度，将电池盒设计到前车体后部，并且尽量降低电池盒与地面间距，以降低玩具遥控车的重心高度。为了保证运行时电池在和内的牢靠程度和降低噪声，电池盒盖内侧附贴一薄层海绵（结构见图
44、纸装配图1）控制电路容易受到电动机和驱动电路的影响，因此我们将控制电路板与驱动板并列排列。2.4.4转向轮胎和轮毂前轮轮胎采用和后轮相同的结构和材料，轮毂的轴孔与轴相对滑动，所以要求较后轮精度高机。2.5玩具遥控车受力分析及如何保证加速度最优本设计中玩具遥控车采用四轮支撑，即两后轮（驱动轮）和两前轮（转向轮）。为了增加车轮和地面的滑动摩擦系数，每个车轮的轮胎材料均为橡胶。滑动轴承和轮毂采用了具有自润滑能力的塑料，摩擦力很小，可以忽略不计。采用这些结构，使小车具有一很好的运动性能。玩具遥控车小车受力如图2-11所示：有如下关系:滑动摩擦力: 支撑反力: 水平方向受力: 以上关系可推出加速度:从上
45、式可以看出，由于小车质量m一定，若想增加加速度只有增加摩擦系数和减少支撑力N。由于玩具遥控车活动场所在室内需要频繁的更换速图2-11 小车受力图度，只有加速度大一些时，才能满足足球玩具遥控车快速性、实时性要求。 在摩擦系数一定时，只有尽量减少支撑力N，加速度才能达到最大，这直接关系到小车重心的位置。小车的电池和后加负载是小车中比重较大者，在放置是应该尽量靠近后轮，这样支撑力N就会减小，加速度在启动时就能保持尽量大。通过计算玩具遥控车通过实验验证最优加速度为3.92m/s左右。2.6系统可靠性设计 控制系统质量的高低主要表现在技术性能、可靠性、适应性和经济性四个方面，其中技术性和可靠性是最重要的
46、方面。但在系统的具体设计工作中，往往特别强调其技术性能指标而忽视了它的可靠性。而由于可靠性设计的不周密，在偶然囚素或意外事件的作用下，系统便不能正常工作，从而可能造成灾难性的后果，系统的可靠性保证有赖十完善的可靠性设计、严格的部件制作、规范的设备安装调试、正确的操作使用和经常性的维护。本运动控制系统的设计充分考虑了可靠性这一指标，主要体现在以下儿个方面1屏蔽技术本系统中，直流电机、驱动部件、甚至是微控制器使用的振荡器，都是电磁干扰的噪声源。当距离较近时，电磁波会通过分布电容和电感藕合到信号回路而形成电磁干扰;当距离较远时，电磁波则以辐射形式构成干扰。针对上几述情况，主要要通选用高导磁材料做成屏蔽体，使电磁波经屏蔽体壁的低磁阻磁路快速衰减，以降低干扰。 2地线的处理 理解产生地线噪声的