Які двигуни використовуються в системах AGV і як вибрати правильний приводний двигун AGV?

Привідний двигун є найважливішим електромеханічним компонентом в автономному керованому транспортному засобі (AGV). Він визначає, як AGV прискорюється, наскільки точно він позиціонується, скільки корисного навантаження він може перемістити, скільки часу його батарея працює між заряджаннями та скільки часу автомобіль працює до того, як система приводу потребує технічного обслуговування. AGV з недостатньою потужністю або неправильно вказаним приводним двигуном не може відповідати вимогам до корисного навантаження та швидкості у виробництві; один із низькою ефективністю двигуна розряджає батарею швидше, ніж може вмістити логістична операція; один із приводним двигуном, який потребує частого обслуговування, створює незаплановані простої в системі, цільовою пропозицією якої є надійна безперервна автономна робота.

Для системних інтеграторів AGV, інженерів-робототехніків, які специфікують компоненти приводів, груп автоматизації складів, які оцінюють платформи AGV, і розробників OEM-обладнання, які проектують нові транспортні засоби AGV, розуміння моторних технологій, що використовуються в системах приводів AGV — і параметрів специфікації, які визначають, яка технологія підходить до якого застосування — є важливим знанням для прийняття правильних рішень щодо компонентів. Цей посібник охоплює типи приводних двигунів AGV, параметри вибору та особливі вимоги, які відрізняють застосування двигунів AGV від загальних промислових застосувань.

Чому вимоги до приводних двигунів AGV відрізняються від загальних вимог до промислових двигунів

Приводні двигуни AGV працюють у складних і характерних умовах, які відрізняють їх від більшості звичайних промислових двигунів:

Живлення від акумулятора. Усі AGV живляться від батареї — вони працюють від акумуляторної батареї постійного струму (зазвичай номінально 24 В, 36 В або 48 В) без підключення до мережі змінного струму. Це принципово вимагає двигунів, сумісних з постійним струмом. Двигуни змінного струму можна використовувати з вбудованими інверторами, але інверсія постійного струму в змінний струм значно знижує ефективність у системі живлення від батареї. Двигуни постійного струму — і особливо двигуни BLDC — є домінуючим вибором, оскільки вони приймають живлення від батареї безпосередньо (або через перетворювач DC-DC) без покарання за інверсію.

Часті цикли старт-стоп. AGV прискорюються від стану до швидкості руху, переміщаються до пункту вибору або депозиту та зупиняються — кілька разів, сотні чи тисячі разів на день. Приводний двигун повинен виконувати цей цикл пуск-зупинка без перегріву або надмірного зносу, що висуває вимоги до теплового керування двигуна та, для щіткових двигунів, комутатора та щіткового вузла, який обробляє перехідні процеси під час запуску під великим струмом.

Двонаправлена ​​робота. AGV повинні рухатися як вперед, так і назад — і повинні переходити між напрямками чітко без механічних ударів. Двигун і його контролер повинні підтримувати плавне двонаправлене регулювання швидкості. Для AGV з рульовим диференціалом (де незалежне регулювання швидкості коліс ліворуч і праворуч створює поворот), обидва приводні двигуни повинні бути точно узгоджені за реакцією швидкості й крутного моменту для точного керування.

Точний контроль швидкості та положення. Точність навігації в сучасних AGV — особливо в AGV з лазерним наведенням (LiDAR), візуалізованим або магнітним наведенням — вимагає точного контролю швидкості та, у деяких системах, точного зворотного зв’язку позиції від кодера приводного двигуна. Двигун повинен працювати на постійних, контрольованих швидкостях у всьому діапазоні корисного навантаження та рельєфу без коливання швидкості чи нестабільності.

Висока ефективність для тривалості роботи акумулятора. У автономному транспортному засобі, що працює від батареї, ефективність двигуна безпосередньо визначає час роботи між заряджаннями. Система приводного двигуна, що працює з ККД 85%, а не з 75%, розширює робочий діапазон транспортного засобу приблизно на 13%, що в логістичному додатку може бути різницею між транспортним засобом, який завершує свій маршрут у межах циклу батареї, і потребує незапланованої зупинки зарядки. Енергоефективність є вимогою першокласної специфікації при виборі двигуна AGV, а не другорядним фактором.

Основні типи двигунів, що використовуються в системах приводу AGV

Безщіточні редукторні двигуни постійного струму (BLDC): домінуюча технологія приводу AGV

Безщіточні редукторні двигуни постійного струму є переважною технологією приводних двигунів для сучасних систем AGV. Двигун BLDC замінює механічний комутатор і щітковий вузол традиційного щіткового двигуна постійного струму електронною комутацією — контролер двигуна зчитує положення ротора (через датчики ефекту Холла або зворотний зв’язок кодера) і перемикає обмотки статора в правильній послідовності, щоб підтримувати обертання без будь-якого фізичного контакту зі щіткою. Завдяки цій електронній комутації двигуни BLDC мають визначальні переваги перед щітковими двигунами в контексті AGV:

Відсутність зносу щіток = відсутність обслуговування щіток. У щітковому двигуні постійного струму вугільні щітки, що тиснуть на колекторні кільця, постійно зношуються під час роботи. За високих робочих циклів — AGV працюють 20 годин на день у тризмінних логістичних операціях — інтервали заміни щіток можна досягти протягом кількох місяців, що потребує запланованих простоїв і робіт із заміни. Двигуни BLDC не мають щіток для зношування; єдиними компонентами, що зношуються, є підшипники двигуна, термін служби яких вимірюється тисячами годин. Для парку AGV, який працює безперервно, відмова від обслуговування щіток є високою експлуатаційною вартістю та перевагою безвідмовної роботи.

Вища ефективність. Двигуни BLDC зазвичай досягають 90–95% електромеханічної ефективності за номінальної робочої точки порівняно з 75–85% для еквівалентних щіткових двигунів постійного струму. У AGV з живленням від батареї ця різниця в ефективності безпосередньо означає збільшення робочого часу на цикл зарядки.

Кращі теплові характеристики. Тепло двигуна BLDC генерується в основному в обмотках статора, які знаходяться в прямому контакті з корпусом двигуна, що забезпечує ефективне розсіювання тепла. Щіткові двигуни генерують тепло як на обмотках, так і в точці контакту колектора/щітки, а точка контакту щітки знаходиться всередині двигуна, де розсіювання тепла є менш ефективним. Двигуни BLDC витримують більш тривалий робочий цикл без перегріву.

Точне регулювання швидкості. Електронна комутація зі зворотним зв'язком енкодера або датчика Холла забезпечує жорстке керування швидкістю в широкому робочому діапазоні. Алгоритми навігації AGV залежать від точного зворотного зв’язку зі швидкістю колеса для оцінки позиції між абсолютними виправленнями — двигуни BLDC із зворотним зв’язком кодера надійно забезпечують цю точність.

Щіткові редукторні двигуни постійного струму: економічно ефективні для невеликих навантажень AGV

Щіткові редукторні двигуни постійного струму продовжують використовуватися в системах AGV, де робочий цикл нижчий (не безперервна робота 24/7), де вимоги до корисного навантаження скромні, і де нижча вартість двигуна є пріоритетом у чутливих до витрат платформах AGV. У AGV, розроблених для внутрішньої логістики невеликих навантажень — транспортування дрібних деталей, доставка документів, підтримка легких виробничих ліній — простіша електроніка керування, необхідна для щіткових двигунів постійного струму (комутаційний контролер не потрібен), і їх нижча вартість одиниці можуть виправдати їх вибір перед альтернативами BLDC, незважаючи на вимогу обслуговування щіток.

Щіткові двигуни постійного струму також забезпечують дуже високий пусковий момент — вищий, ніж двигун BLDC еквівалентного розміру в деяких конструкціях — що може бути корисним для AGV, що запускаються під навантаженням на схилах. Однак сучасні контролери двигуна BLDC можуть відтворити цю поведінку високого пускового моменту за допомогою орієнтованих на поле стратегій керування, зменшуючи історичну перевагу щіткового двигуна в цій області.

Планетарні мотор-редуктори для приводних коліс AGV

Незалежно від того, щітковий або безщітковий елемент двигуна постійного струму, ведучі колеса AGV майже повсюдно використовують планетарний редуктор між двигуном і колесом. Конфігурація планетарної передачі є кращим типом коробки передач для застосувань AGV з кількох причин:

Планетарні редуктори забезпечують найвищу щільність крутного моменту — найвищий вихідний крутний момент для заданого зовнішнього діаметра коробки передач — що є критичним у колісних вузлах AGV, де повний блок двигун-редуктор-колесо має відповідати жорстким обмеженням розмірів на шасі автомобіля. Коаксіальне вирівнювання входу/виходу планетарної коробки передач дозволяє створити компактну вбудовану збірку: двигун → планетарна коробка передач → ведуче колесо, все на одній осі, без зміщення, створюваного редуктором з прямозубими або черв’ячними передачами.

Планетарні редуктори також забезпечують високу ефективність (92–97% на ступінь) порівняно з альтернативними черв’ячними редукторами (зазвичай 50–85% залежно від передавального числа та кута випередження), що є важливим у застосуванні AGV, критичного щодо ефективності батареї. Привідний двигун AGV з черв’ячною передачею, що працює з ККД коробки передач 70%, втрачає 30% споживаної електроенергії двигуна лише на нагрівання коробки передач — неприпустимий штраф для автомобіля з живленням від акумулятора.

Ключові параметри специфікації для вибору приводного двигуна AGV

Як розрахувати необхідний крутний момент двигуна приводу AGV

Крутний момент, необхідний для руху AGV на постійній швидкості на рівній поверхні, повинен долати опір коченню; на схилі сила тяжіння додає компонент опору нахилу. Розрахунок для типового двопривідного АГВ:

Загальна вага автомобіля: W = (маса тари AGV, максимальне корисне навантаження) × г [Ньютон]

Сила опору коченню: F_rolling = W × μ_r, де μ_r — коефіцієнт опору коченню (зазвичай 0,01–0,02 для гумових коліс на гладкому бетоні; 0,02–0,05 для м’якої підлоги або шорсткої поверхні)

Сила опору на схилі (для схилів): F_grade = W × sin(θ), де θ – кут нахилу (для 5% ухилу, θ ≈ 2,86°, sin(θ) ≈ 0,05)

Загальна сила приводу: F_total = F_ролінг F_grade

Необхідний крутний момент на ведучому колесі (на двигун, припускаючи, що два ведучі двигуни): T_wheel = (F_total / 2) × r_wheel, де r_wheel — радіус ведучого колеса в метрах

Необхідний крутний момент двигуна: T_motor = T_wheel / (i × η), де i — передавальне число, а η — ефективність коробки передач

Наприклад, AGV із загальною навантаженою вагою 500 кг, ведучими колесами діаметром 150 мм, на 3% нахилі, з планетарним редуктором 25:1 при ККД 0,95:

• W = 500 × 9,81 = 4905 Н
• F_rolling = 4905 × 0,015 = 73,6 Н
• F_grade = 4905 × 0,03 = 147,2 Н
• F_загальний = 220,8 Н; на двигун = 110,4 Н
• T_wheel = 110,4 × 0,075 = 8,28 Нм
• T_motor = 8,28 / (25 × 0,95) = 0,35 Нм номінальний безперервний крутний момент

Додайте 2× коефіцієнт безпеки для крутного моменту прискорення: максимальний крутний момент двигуна ≈ 0,70 Нм. Цій вимозі відповідає планетарний мотор-редуктор BLDC з піковим крутним моментом ≥ 0,70 Нм при 48 В із співвідношенням 25:1. Номінальний безперервний крутний момент слід перевіряти на відповідність безперервному необхідному крутному моменту (0,35 Нм при повному корисному навантаженні на схилі) з достатнім термічним запасом.

Часті запитання

Як конфігурація керма AGV впливає на вибір двигуна?

AGV використовує кілька конфігурацій рульового керування, кожна з яких має різні вимоги до двигуна. Диференціальний привід (два незалежних ведучих колеса, без керма) створює повороти, запускаючи два ведучі двигуни на різних швидкостях — це вимагає, щоб обидва двигуни були точно узгоджені за характеристиками швидкості та крутного моменту та керувалися скоординованим приводом двигуна, який може керувати диференціальною швидкістю на обох колесах одночасно. Триколісне рульове управління (одне кероване ведуче колесо спереду, два пасивних задніх колеса) використовує єдиний приводний двигун з окремим рульовим приводом — вибір двигуна простий, але слід враховувати інтеграцію рульового приводу. Всеспрямовані приводи (меканум або омні-колеса на кожному куті) використовують чотири двигуни з індивідуальним керуванням і дозволяють бічний і діагональний рух — контролери двигунів повинні керувати чотириканальною координацією, а двигуни повинні мати відмінні характеристики узгодження швидкості в робочому діапазоні.

Який тип кодера рекомендований для приводних двигунів AGV?

Інкрементні кодери (квадратурний вихід A/B) є найпоширенішим типом одометрії приводного двигуна AGV — вони забезпечують кількість імпульсів на оберт, яку навігаційний контролер перетворює на пройдену відстань коліс і швидкість. Абсолютні кодери іноді використовуються в програмах, які вимагають, щоб контролер знав положення без повернення до початкового положення після ввімкнення живлення, але для одометрії (вимірювання відстані) стандартними є інкрементні кодери. Роздільна здатність 500–1000 PPR на валу двигуна зазвичай достатня для високої точності одометрії зі стандартними передавальними числами планетарної передачі. Вища роздільна здатність (2000–4096 PPR) покращує одометрію в системах із низьким передаточним числом, де вал колеса переміщується на більшу частку оберту на оберт двигуна.

Чи можна використовувати приводні двигуни AGV з рекуперативним гальмуванням?

Так — контролери двигуна BLDC у додатках AGV зазвичай підтримують рекуперативне гальмування, коли двигун діє як генератор під час уповільнення, перетворюючи кінетичну енергію назад в електричну, яка заряджає батарею. Регенеративне гальмування зменшує споживання батареї (особливо на маршрутах AGV із зупинкою та рухом із частими уповільненнями), зменшує знос гальм і дозволяє швидше уповільнювати без механічного нагрівання гальм. Ефективність відновлення енергії рекуперативного гальмування в типовому застосуванні AGV становить 15–30% енергії, яка використовується для прискорення, що є значущим у високочастотних операціях на коротких маршрутах. Регенеративна здатність вимагає, щоб контролер двигуна підтримував двонаправлений потік струму, а система керування батареєю приймала регенерований струм заряду без захисту від перенапруги.

Привідні двигуни AGV від Zhejiang Saiya Intelligent Manufacturing

Zhejiang Saiya Intelligent Manufacturing Co., Ltd. , Deqing, Zhejiang, виробляє планетарні редукторні двигуни BLDC, планетарні редукторні двигуни постійного струму зі щіткою та повні вузли приводних двигунів AGV для автономних керованих транспортних засобів. Асортимент продукції AGV охоплює приводні двигуни з інтегрованими кодерами при номінальній напрузі батареї 24 В, 36 В і 48 В, у розмірах рами від 32 мм до 82 мм у діаметрі, з планетарним редукторним числом від 5:1 до понад 500:1, охоплюючи класи корисного навантаження від легких AGV для транспортування дрібних деталей до важких транспортних платформ. Індивідуальні специфікації двигуна AGV — напруга, співвідношення, роздільна здатність кодера, монтаж, рейтинг IP і роз’єм — доступні через службу розробки OEM/ODM компанії.

Зв’яжіться з нами та повідомте свої технічні характеристики AGV — вагу транспортного засобу, корисне навантаження, максимальну швидкість, напругу батареї, діаметр колеса та робоче середовище — щоб отримати рекомендацію щодо приводного двигуна та цінову пропозицію.

Супутні товари: Продукти проекту AGV | Безщіточні редукторні двигуни постійного струму | Планетарні редукторні двигуни | Прецизійний планетарний редуктор | Щіткові редукторні двигуни постійного струму