Какие двигатели используются в системах AGV и как выбрать правильный приводной двигатель AGV?

Приводной двигатель является наиболее важным электромеханическим компонентом автономного управляемого транспортного средства (AGV). Он определяет, как AGV ускоряется, насколько точно он позиционирует себя, какой полезный груз он может переместить, как долго его аккумулятор работает без подзарядки и как долго автомобиль работает, прежде чем система привода потребует обслуживания. AGV с недостаточно мощным или неправильно указанным приводным двигателем не может удовлетворить требования к полезной нагрузке и скорости в производстве; один с низким КПД двигателя разряжает батарею быстрее, чем может обеспечить логистическая операция; система с приводным двигателем, требующая частого технического обслуживания, приводит к незапланированным простоям системы, вся ценность которой заключается в надежной, непрерывной автономной работе.

Для системных интеграторов AGV, инженеров-робототехников, определяющих компоненты привода, групп по автоматизации складов, оценивающих платформы AGV, и разработчиков OEM-оборудования, проектирующих новые автомобили AGV, понимание технологий двигателей, используемых в системах привода AGV, а также параметров спецификации, определяющих, какая технология подходит для какого применения, является важным знанием для принятия правильных решений о компонентах. В этом руководстве описаны типы приводных двигателей AGV, параметры выбора и конкретные требования, которые отличают двигатели AGV от общепромышленных двигателей.

Почему требования к приводному двигателю AGV отличаются от общих требований к промышленным двигателям

Приводные двигатели AGV работают в сложных и особых условиях, которые отличают их от большинства обычных промышленных двигателей:

Питание от аккумулятора. Все AGV питаются от аккумуляторов — они работают от аккумуляторной батареи постоянного тока (обычно номинальным напряжением 24 В, 36 В или 48 В) без подключения к сети переменного тока. Для этого принципиально необходимы приводные двигатели, совместимые с постоянным током. Двигатели переменного тока можно использовать со встроенными инверторами, но снижение эффективности инверсии постоянного тока в переменный в системе с батарейным питанием является значительным. Двигатели постоянного тока — и особенно двигатели BLDC — являются доминирующим выбором, поскольку они принимают энергию от батареи напрямую (или через преобразователь постоянного тока) без потери инверсии.

Частые циклы старт-стоп. AGV ускоряются от состояния покоя до скорости движения, перемещаются к месту сбора или хранения и останавливаются — неоднократно, сотни или тысячи раз в день. Приводной двигатель должен выдерживать этот цикл пуска-останова без перегрева или чрезмерного износа, что предъявляет требования к терморегулированию двигателя, а для коллекторных двигателей — к коллектору и щеточному узлу, которые справляются с сильноточными пусковыми переходными процессами.

Двунаправленная работа. AGV должны двигаться как вперед, так и назад, а также должны плавно переключаться между направлениями, без механических ударов. Двигатель и его контроллер должны поддерживать плавное двунаправленное управление скоростью. Для AGV с дифференциалом рулевого управления (где независимое управление скоростью вращения колес слева и справа создает поворот), два приводных двигателя должны быть точно согласованы по характеристикам скорости и крутящего момента для точного рулевого управления.

Точный контроль скорости и положения. Точность навигации в современных AGV — особенно с лазерным (LiDAR), визуальным наведением или AGV с магнитными путями — требует точного контроля скорости и, в некоторых системах, точной обратной связи по положению от энкодера приводного двигателя. Двигатель должен работать на постоянной, контролируемой скорости во всем диапазоне полезной нагрузки и местности без скачков скорости или нестабильности.

Высокая эффективность для продления срока службы батареи. В автономном транспортном средстве с батарейным питанием КПД двигателя напрямую определяет время работы между зарядками. Система приводного двигателя, работающая с КПД 85%, а не 75%, расширяет рабочий диапазон транспортного средства примерно на 13%, что в логистических приложениях может быть разницей между транспортным средством, завершающим свой маршрут в течение цикла зарядки аккумулятора, и требующим внеплановой остановки зарядки. Энергоэффективность — это первоклассное требование при выборе двигателя AGV, а не второстепенный фактор.

Основные типы двигателей, используемые в системах привода AGV

Бесщеточные мотор-редукторы постоянного тока (BLDC): доминирующая технология привода AGV

Бесщеточные мотор-редукторы постоянного тока являются наиболее предпочтительной технологией привода для современных систем AGV. Двигатель BLDC заменяет механический коммутатор и щеточный узел традиционного коллекторного двигателя постоянного тока с электронной коммутацией — контроллер двигателя считывает положение ротора (через датчики Холла или обратную связь с энкодером) и переключает обмотки статора в правильной последовательности, чтобы поддерживать вращение без какого-либо физического контакта щетки. Именно эта электронная коммутация дает двигателям BLDC определяющие преимущества перед коллекторными двигателями в контексте AGV:

Отсутствие износа щеток = отсутствие обслуживания щеток. В щеточном двигателе постоянного тока угольные щетки, прижимающиеся к кольцам коллектора, постоянно изнашиваются во время работы. При высоких нагрузках (автомобильные транспортные средства работают по 20 часов в день при логистических операциях в три смены) интервалы замены щеток могут достигаться в течение нескольких месяцев, что требует планового простоя и работ по замене. В двигателях BLDC нет щеток, которые нужно было бы изнашивать; Единственными изнашиваемыми компонентами являются подшипники двигателя, срок службы которых измеряется тысячами часов. Для парка автоматических транспортных средств, работающих непрерывно, отказ от обслуживания щеток приводит к высоким эксплуатационным расходам и увеличению времени безотказной работы.

Более высокая эффективность. Двигатели BLDC обычно достигают 90–95% электромеханического КПД в номинальной рабочей точке по сравнению с 75–85% для эквивалентных коллекторных двигателей постоянного тока. В AGV с батарейным питанием эта разница в эффективности напрямую приводит к увеличению рабочего времени на цикл зарядки.

Лучшие тепловые характеристики. Тепло двигателя BLDC генерируется в основном в обмотках статора, которые находятся в непосредственном контакте с корпусом двигателя, что обеспечивает эффективное рассеивание тепла. Коллекторные двигатели выделяют тепло как в обмотках, так и в точке контакта коллектора/щетки, а точка контакта щетки находится внутри двигателя, где рассеивание тепла менее эффективно. Двигатели BLDC выдерживают более продолжительные рабочие циклы без перегрева.

Точный контроль скорости. Электронная коммутация с обратной связью от энкодера или датчика Холла обеспечивает точное регулирование скорости с обратной связью в широком рабочем диапазоне. Алгоритмы навигации AGV зависят от точной обратной связи по скорости вращения колес для точного расчета положения между абсолютными координатами положения — двигатели BLDC с обратной связью от энкодера надежно обеспечивают эту точность.

Коллекторные мотор-редукторы постоянного тока: экономичность для маломощных автоматических транспортных средств

Коллекторные мотор-редукторы постоянного тока по-прежнему используются в приложениях AGV, где рабочий цикл ниже (не непрерывная работа в режиме 24/7), где требования к полезной нагрузке скромны и где более низкая стоимость двигателя является приоритетом для чувствительных к затратам платформ AGV. В автоматических транспортных средствах, предназначенных для внутренней логистики легкой нагрузки (транспортировка мелких деталей, доставка документов, поддержка легких производственных линий), более простая управляющая электроника, необходимая для коллекторных двигателей постоянного тока (коммутационный контроллер не требуется), и их более низкая стоимость единицы может оправдать их выбор по сравнению с альтернативами BLDC, несмотря на необходимость обслуживания щеток.

Коллекторные двигатели постоянного тока также обеспечивают очень высокий пусковой момент — выше, чем у двигателя BLDC эквивалентного размера в некоторых конструкциях, — что может быть полезно для AGV, запускающихся под нагрузкой на уклонах. Однако современные контроллеры двигателей BLDC могут воспроизвести такое поведение с высоким пусковым моментом с помощью стратегий управления, ориентированных на поле, что снижает историческое преимущество коллекторных двигателей в этой области.

Планетарные мотор-редукторы для ведущих колес AGV

Независимо от того, является ли элемент двигателя щеточным или бесщеточным постоянного тока, в ведущих колесах AGV почти всегда используется планетарный редуктор между двигателем и колесом. Конфигурация планетарной передачи является предпочтительным типом коробки передач для AGV по нескольким причинам:

Планетарные передачи обеспечивают самую высокую плотность крутящего момента — самый высокий выходной крутящий момент для данного внешнего диаметра коробки передач — что имеет решающее значение для колесных сборок AGV, где весь блок мотор-редуктор-колесо должен соответствовать жестким размерным ограничениям на шасси автомобиля. Коаксиальное выравнивание входа и выхода планетарного редуктора позволяет создать компактную линейную сборку: двигатель → планетарный редуктор → ведущее колесо, все на одной оси, без смещения, создаваемого прямозубым или червячным редуктором.

Планетарные редукторы также обеспечивают более высокий КПД (92–97 % на ступень) по сравнению с альтернативами с червячной передачей (обычно 50–85 % в зависимости от передаточного числа и угла опережения), что важно в приложениях AGV, где важна эффективность аккумулятора. Приводной двигатель AGV с червячной передачей, работающий с КПД коробки передач 70 %, теряет 30 % потребляемой двигателем электроэнергии на нагрев только в коробке передач — неприемлемое наказание для автомобиля с аккумуляторным питанием.

Ключевые параметры спецификации для выбора приводного двигателя AGV

Как рассчитать необходимый крутящий момент приводного двигателя AGV

Крутящий момент, необходимый для движения AGV с постоянной скоростью на плоской поверхности, должен преодолевать сопротивление качению; на уклоне сила тяжести добавляет компонент сопротивления уклону. Расчет для типового двухприводного АГВ:

Общий вес автомобиля: W = (Максимальная полезная нагрузка собственного веса AGV) × g [Ньютоны]

Сила сопротивления качению: F_rolling = W × μ_r, где μ_r — коэффициент сопротивления качению (обычно 0,01–0,02 для резиновых колес по гладкому бетону; 0,02–0,05 для мягких полов или шероховатых поверхностей).

Сила сопротивления уклона (для уклонов): F_grade = W × sin(θ), где θ — угол уклона (для уклона 5 % θ ≈ 2,86°, sin(θ) ≈ 0,05)

Общая движущая сила: F_total = F_скользящий F_grade

Требуемый крутящий момент на ведущем колесе (на каждый двигатель, при наличии двух приводных двигателей): T_wheel = (F_total / 2) × r_wheel, где r_wheel — радиус ведущего колеса в метрах.

Требуемый крутящий момент двигателя: T_motor = T_wheel / (i × η), где i — передаточное число редуктора, а η — КПД редуктора.

Например, AGV с полной загруженной массой 500 кг, ведущими колесами диаметром 150 мм, уклоном 3% и планетарным редуктором 25:1 с КПД 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_total = 220,8 Н; на двигатель = 110,4 Н
• T_wheel = 110,4 × 0,075 = 8,28 Нм
• T_motor = 8,28 / (25 × 0,95) = 0,35 Нм номинальный продолжительный крутящий момент

Добавьте 2-кратный коэффициент безопасности для крутящего момента ускорения: требуемый пиковый крутящий момент двигателя ≈ 0,70 Нм. Планетарный двигатель BLDC с максимальным крутящим моментом ≥ 0,70 Нм при напряжении 48 В и передаточным числом 25:1 соответствует этому требованию. Номинальный постоянный крутящий момент должен быть сверен с постоянным требуемым крутящим моментом (0,35 Нм при полной полезной нагрузке на уклоне) с достаточным термическим запасом.

Часто задаваемые вопросы

Как конфигурация рулевого управления AGV влияет на выбор двигателя?

В AGV используется несколько конфигураций рулевого управления, каждая из которых имеет разные требования к двигателю. Дифференциальный привод (два независимых ведущих колеса, без рулевого колеса) создает повороты за счет работы двух приводных двигателей на разных скоростях — для этого требуется, чтобы оба двигателя были точно согласованы по своим скоростно-моментным характеристикам и управлялись скоординированным приводом двигателя, который может управлять дифференциальной скоростью на обоих колесах одновременно. В рулевом управлении трехколесного велосипеда (одно управляемое ведущее колесо спереди и два пассивных задних колеса) используется один приводной двигатель с отдельным рулевым приводом — выбор двигателя очевиден, но необходимо учитывать интеграцию рулевого привода. Всенаправленные приводы (механические или всенаправленные колеса на каждом углу) используют четыре двигателя с индивидуальным управлением и обеспечивают боковое и диагональное движение — контроллеры двигателей должны обеспечивать четырехканальную координацию, а двигатели должны иметь отличные характеристики согласования скорости во всем рабочем диапазоне.

Какой тип энкодера рекомендуется для приводных двигателей AGV?

Инкрементные энкодеры (квадратурный выход A/B) являются наиболее распространенным типом для одометрии двигателя привода AGV — они обеспечивают количество импульсов на оборот, которые навигационный контроллер преобразует в пройденное расстояние и скорость колеса. Абсолютные энкодеры иногда используются в приложениях, требующих, чтобы контроллер знал положение без возврата в исходное положение после включения питания, но для одометрии (измерение расстояния) стандартными являются инкрементальные энкодеры. Разрешение 500–1000 PPR на валу двигателя обычно достаточно для хорошей точности одометрии со стандартными передаточными числами планетарной передачи. Более высокое разрешение (2000–4096 PPR) улучшает одометрию в системах с низким передаточным числом, где вал колеса перемещается на большую долю оборота за оборот двигателя.

Можно ли использовать приводные двигатели AGV с рекуперативным торможением?

Да. Контроллеры двигателей BLDC в приложениях AGV обычно поддерживают рекуперативное торможение, при котором двигатель действует как генератор во время замедления, преобразуя кинетическую энергию обратно в электрическую энергию, которая подзаряжает аккумулятор. Рекуперативное торможение снижает расход заряда батареи (особенно на маршрутах AGV с частыми остановками), снижает износ тормозов и обеспечивает более быстрое замедление без механического нагрева тормозов. Эффективность рекуперации энергии при рекуперативном торможении в типичном применении AGV составляет 15–30% от энергии, используемой для ускорения, что важно для высокочастотных операций на коротких маршрутах. Возможность рекуперации требует, чтобы контроллер двигателя поддерживал двунаправленный ток и чтобы система управления аккумулятором принимала регенерированный зарядный ток без включения защиты от перенапряжения.

Приводные двигатели АГВ от компании Zhejiang Saiya Intelligent Manufacturing

Чжэцзянская компания интеллектуального производства Saiya, Ltd. , Дэцин, провинция Чжэцзян, производит планетарные мотор-редукторы BLDC, коллекторные планетарные мотор-редукторы постоянного тока и комплектные приводные двигатели AGV для автономных управляемых транспортных средств. Ассортимент продукции AGV охватывает приводные двигатели со встроенными энкодерами с номинальным напряжением аккумуляторной батареи 24 В, 36 В и 48 В, типоразмерами корпуса от 32 мм до 82 мм в диаметре, с передаточными числами планетарных редукторов от 5:1 до более 500:1, охватывая классы полезной нагрузки от легких транспортных средств AGV для перевозки мелких деталей до тяжелых погрузочно-разгрузочных платформ. Специальные характеристики двигателя AGV — напряжение, передаточное число, разрешение энкодера, монтаж, класс IP и разъем — доступны через службу разработки OEM/ODM компании.

Свяжитесь с нами и сообщите характеристики вашего AGV — вес транспортного средства, полезная нагрузка, максимальная скорость, напряжение аккумулятора, диаметр колес и условия эксплуатации — чтобы получить рекомендации и предложение по приводному двигателю.

Сопутствующие товары: Продукты проекта АГВ | Бесщеточные мотор-редукторы постоянного тока | Планетарные мотор-редукторы | Прецизионный планетарный редуктор | Коллекторные мотор-редукторы постоянного тока