Пара вопросов о создании электромобиля с нуля [закрыто]

Итак, я учусь в старшей школе, участвую в соревнованиях (к сожалению, размером с кошелек), и я должен сделать электрический автомобиль. Представьте себе RC-машину (примерно такого размера) без пульта дистанционного управления. Я хочу сделать один с нуля, поэтому я решил использовать Arduino для микроконтроллера. К сожалению, у меня нет советника, который бы особенно разбирался в этом, поэтому я решил спросить здесь. (приготовьтесь к довольно нескольким, возможно, глупым и расплывчатым вопросам. Я понимаю, что этот вопрос, вероятно, будет отредактирован / закрыт для того, чтобы быть слишком расплывчатым, но если, по какой-либо причине, у кого-то есть ответы, я также хотел бы получить объяснения - главным образом потому, что Я хочу чему-то научиться.)

Я решил использовать алюминиевое шасси и мягкие колеса, так как участники соревнований хотят автомобиль, который может двигаться как можно быстрее. Я выбрал мягкие колеса, потому что это должно увеличить трение, и алюминиевое шасси, потому что я хочу уменьшить вес. Теперь возникает первая проблема. Конкуренция предусматривает максимум 9 В батареи для питания всего, включая Arduino и двигатели. Теперь, конечно, нам нужно проехать всего около 10 метров (я просто хочу саб 3 раза). Мой оригинальный дизайн заключался в том, чтобы иметь 4 отдельных щеточных / бесщеточных двигателя постоянного тока, а затем подключать каждый двигатель постоянного тока непосредственно к колесу. Двигатели постоянного тока можно удерживать в скобках, а затем подключать к Arduino, подключенному к MOSFET, и тогда я мог бы использовать датчик двигателя, чтобы увидеть, как далеко идти.

Теперь у меня есть пара вопросов:

• Должен ли я попробовать иметь преобразователь 9В в 12В? или преобразователь 9В в 24В? Это может значительно снизить ток, но я также смог бы использовать гораздо более мощный мотор. Проблема, с которой я столкнулся, заключается в том, что это может добавить большой потенциальный вес - насколько я понимаю, я не могу напрямую перейти с DC 9v на что-то другое.
• Я решил иметь задний привод, а не 4wd - но стоит ли приобретать коробку передач и мост и иметь только один мотор?
• Должен ли я использовать коробку передач вообще? Или я должен попытаться изменить скорость в зависимости от размера колеса, которое я использую?
• Буду ли я пытаться максимизировать обороты или крутящий момент, используя бесщеточный редуктор?
• Если у меня батарея 9 В, могу ли я подключить 2 двигателя 9 В параллельно? Или это небезопасно, потому что 9v является только номинальным?

Если у кого-то есть советы по улучшению вопроса, я буду рад включить их в свои правки.

немного информации, кстати:

• ищу sub3 второй раз
• используя колесные диски диаметром 2-7 / 8 дюймов
• жесткий пол
• нужно будет сделать резервную копию через 9м
• только идет прямо, не нужно уметь поворачивать
• Подумайте о петле ПИД с физическим поворотным квадратурным энкодером, если на одной оси. мысли?
• машина будет ~ 1 кг, и я не буду больше ничего нести.

Ответы на ваши конкретные вопросы:

• Нет, преобразователи напряжения не помогут, в лучшем случае они будут тратить 10% вашей энергии. Подумайте об этом: они включают в себя трансформаторы. две разные обмотки на магнитном сердечнике для преобразования одного напряжения в другое. Это может помочь вам понять, что любой данный двигатель (который является просто обмоткой на магнитном сердечнике для преобразования напряжения в движение) может быть настроен на отключение любого напряжения путем изменения обмотки. Вы увидите те же автомобильные моторы RC с 13,15,17 оборотами, чтобы настроить производительность.

Вместо этого изучите взаимосвязь между напряжением и скоростью (Kv, об / мин / вольт, это просто скорость = Kv * напряжение) и током и крутящим моментом (Kt, Ньютон-метры / ампер). Высокоскоростной двигатель (высокий Kv) дает небольшой крутящий момент, а низкоскоростной двигатель дает более высокий крутящий момент. Таким образом, с колесами с прямым приводом вы хотите двигатель с низкой скоростью.

У вас есть масса (1 кг), расстояние (10 м) и время (3 с). Если вы изучали основную физику в средней школе, вы знаете, как получить скорость и ускорение на расстоянии и времени. Отработать 2 случая: линейное ускорение от 0 до двойной средней скорости и преодоление расстояния на средней скорости.

Я рекомендую вам придерживаться метрики, это облегчает некоторые вычисления. Если ваш двигатель Kv указан в об / мин / вольт, вы должны преобразовать его в радианы / секунду / вольт. В метрических единицах отношение крутящего момента Kt = 1 / Kv, поэтому крутящий момент равен Kt * току или 1 / Kv * току.

Если вы подумаете об электрической мощности, P = V * A и механической мощности = Нм / с = крутящий момент * частота вращения в радианах / с и законе сохранения энергии, вы поймете, почему Kt = 1 / Kv, и поймете, как (высокая скорость, низкий крутящий момент) и (низкая скорость, высокий крутящий момент) могут обеспечивать одинаковую мощность.

Теперь ускорение и масса дают вам силу, а сила * радиус колеса дает вам крутящий момент, необходимый для ускорения.

Также умножьте массу * гравитацию (9,8 Н / кг) * коэффициент трения, чтобы получить силу, необходимую для толкания автомобиля с постоянной скоростью, и преобразовать ее в крутящий момент. (Вы не знаете коэффициент трения: попробуйте 0,2 для идеально гладкого пола и 0,6 для ковра)

Теперь вы знаете, крутящий момент необходим только для ускорения и для перемещения по полу. Фактический крутящий момент, который вам нужен, является их суммой. (добавление коэффициента безопасности, например, еще 25%, неплохая идея).

Учитывая необходимые скорости в м / с и определенный радиус колеса, разделите скорость на радиус, чтобы получить скорость вращения в радианах / секунду. (Преобразуйте это в RPM, если хотите).

Теперь, когда вы знаете скорость (рад / с или об / мин) и крутящий момент (Нм или Ньютон-метры), вы можете вернуться к выбору двигателя. Можете ли вы найти двигатель с правильным Kv, где 9V * Kv находится где-нибудь близко к вашей желаемой скорости вращения? Какой ток вам нужен для достижения крутящего момента? Если напряжение превышает 0,5 А, вам лучше забыть эту маленькую батарею на 9 В, и это оптимистично ...

Я предполагаю, что нет, и именно здесь вам нужна коробка передач для перевода из (высокая скорость, низкий крутящий момент) в (низкая скорость, высокий крутящий момент). Поэтому, если скорость вашего двигателя в 10 раз выше, используйте коробку передач 10: 1, умножьте требуемую скорость на 10 и поделите требуемый крутящий момент на 10. Можете ли вы сейчас выполнить требования к скорости и току?

Все это может показаться пугающим, но каждый бит - относительно простая математика. Если есть определенные препятствия, подумайте немного о них и спросите, нужно ли вам это делать.

Заложив эту основу, остальные вопросы должны быть легкими ...

• Если у вас есть 4 мотора, каждый из которых выдает 1/4 крутящего момента и потребляет 1/4 тока, так что выбор между 1 и 4 двигателями по общей эффективности невелик, но если один маленький двигатель не может обеспечить необходимый вам крутящий момент, 2 или 4 могут работать.
• Огромный кусок математики выше скажет вам, если вам нужна коробка передач. Вы, вероятно, делаете.
• Вы не хотите максимизировать число оборотов в минуту ИЛИ крутящий момент, вы хотите, чтобы их было достаточно, чтобы покрыть требования и немного (50% или около того), чтобы сэкономить, если это возможно. (Я не упомянул неэффективность, такую ​​как трения, которые постепенно снижают производительность. Это достаточно долго без этого!). Бесщеточные двигатели не намного лучше в обеспечении крутящего момента, где они выигрывают, работая намного быстрее, поэтому вам нужно больше их снизить. Наверное, не стоит здесь.
• Вы можете запускать двигатели параллельно, но помните, что их токи суммируются, и ваша маленькая батарея не может подавать большой ток. (У хороших батарей есть технические данные, которые показывают, какой ток они могут подавать, как долго. В этом случае 0,5 А в течение гораздо менее часа, до 4,8 В)