基于模糊PID算法的輪式機器人驅動輪控制器設計

2011-07-20 03:59:18李聲晉李啟瑞

微特電機 2011年11期

關鍵詞：系統

李鑫，盧剛，李聲晉，周勇，李啟瑞

(1.西北工業大學，陜西西安710072;2.中興通訊股份有限公司，陜西西安710065)

0 引言

目前，機器人已經廣泛應用于工業生產中，在其它領域的應用也逐漸增多。輪式機器人作為移動機器人的一種，具有體積小、成本低、機動性好、生存能力強等優點，應用前景廣闊，越來越受到各國研究者的關注［1］。作為輪式機器人的控制重點之一，機器人各驅動輪的調速控制精度要求也越來越高，傳統的PID控制方法已經很難滿足其要求［2］。因此，為了獲得高精度的機器人驅動輪轉速控制效果，本文將具有較強魯棒性能的模糊控制理論與PID控制理論相結合，設計了驅動輪的模糊PID調速控制器。

1 輪式機器人機械結構

本文所設計的輪式機器人采用對稱四輪驅動結構，由四個結構尺寸完全相同的獨立運動單元和車體構成，并且配備有多電機協調驅動控制系統。車體在機器人中部，用于裝載控制系統、電池及其他各種設備，輪式機器人的機械結構如圖1所示。機器人具有四個獨立的運動單元，每個運動單元由一個擺臂、兩個電動輪構成。這兩臺電動輪分別置于擺臂的兩端，一個與地面保持接觸作為驅動輪，另一個則作為從動輪。

圖1 輪式機器人機械結構

擺臂的內置電機為永磁無刷直流電動機，并與減速器構成擺臂傳動鏈帶動擺臂旋轉，可實現擺臂及從動輪繞著驅動輪中心軸做正反向的全周擺動。驅動輪的內置電機同樣采用體積小、質量輕、輸出扭矩大的無刷電機，經減速器輸出至傳動軸，直接驅動車輪轉動。為了實現兩個旋轉運動在驅動軸中心線的傳遞的要求，驅動電機通過與其配套的減速器將驅動動力傳遞給驅動軸，實現機器人平臺的輪式運動所需動力。

為了實現對輪式機器人運動的精確控制，采取了雙閉環控制方式:①利用無刷電機內部的霍爾傳感器，在實現電機正確換相的同時對機器人進行速度閉環控制;②在機器人應用的每個電機外部均加裝位置傳感器，從而可以進行準確的位置閉環控制。

2 模糊控制理論

傳統PID控制方法是在閉環控制之前根據機器人期望的速度和角速度，求出閉環控制的左右輪期望速度后再實現兩輪閉環控制，但當存在車輪打滑擾動時，引起的左右輪速度的偏差將得不到補償，使移動機器人期望的角速度與其實際的角速度出現大的偏差，導致控制效果不理想。模糊控制原理圖［3］如圖2所示。

圖2 模糊控制原理圖

模糊控制器由模糊化、模糊推理、反模糊化三個基本部分構成。輸入變量的模糊化就是將輸入的變量確切值轉化為可用模糊集合描述的模糊變量，即確定輸入變量和輸出變量，各變量的模糊狀態，輸入變量的論域、輸入變量實際確切值對應的論域確切值，以及定義各模糊狀態的隸屬函數。模糊推理的任務就是利用前面得到的輸入變量的模糊集，根據專家經驗與知識，推導模糊關系，然后根據模糊關系求出輸出變量。一般情況下模糊控制器的輸出變量是一個模糊集，不能直接用來控制被控對象，需要進行反模糊化轉化成執行器可以執行的精確量。

3 硬件設計

每個驅動輪的驅動電動機均是二對極的無刷直流電動機，其額定電壓為24 V，額定功率為52 W，為增強電動機的輸出扭矩，加裝有減速比為1∶36的減速器。電動機控制上電后，DSC通過CAN總線接收上位機發送的指令報文，并采用中斷方式每隔5 ms回傳電動機的運行狀態到上位機，上位機根據一定的控制算法產生對功率變換電路進行驅動控制，進而實現對無刷直流電動機轉速的調節。為了提高車輛的伺服性能，系統采用PWM雙極性驅動方式對電動機實行驅動控制。

整體設計總體框架如圖3所示，它顯示了硬件電路各部分以及與外設之間的關系。

整個硬件系統主要由電源模塊、DSC控制模塊、功率驅動模塊以及CAN總線通訊模塊等構成。24 V的蓄電池向整個系統供電，其中控制模塊DSC需5 V供電，驅動模塊需要15 V供電，逆變電路需24 V供電，而5 V與15 V電分別是由三端穩壓器7805與7815產生。作為控制部分核心的主控芯片dsPIC30F4012，主要完成系統所需要的PID運算，產生一定占空比的脈寬數字信號PWM以控制電機運行，并實現與上位機的實時數據通訊。

圖3 輪式機器人控制系統組成結構圖

系統驅動電路主要包括了高壓驅動芯片IR2130以及由六個功率MOSFET構成的三相全橋逆變電路。IR2130輸出的六路驅動信號分別加到對應的六個柵極MOS管，觸發其開通與關斷。驅動電路的功能是將電源的功率以一定邏輯關系分配給無刷直流電動機定子的各相繞組，使電機能夠實現連續的運轉［4］。為了保障系統的有效運行，控制器還包括故障檢測電路，可實現系統的過流及欠壓等保護。

系統采用CAN總線通訊方式進行數據傳輸，CAN模塊采用Philips公司的PCA82C250芯片，實現物理介質之間的電氣轉換。系統以PC作為上位機，進行命令的發送與實時監控。上位機接收DSC通過CAN總線發來的信息，并對這些數據信息進行邏輯處理，用以調整電動機的轉速，進而協調左右輪的運動。DSC根據從上位機下達的指令來控制電動機的換相，并向驅動電路發送PWM脈沖調制信號。驅動電路再將DSC發送的調制信號進行功率放大，向各個開關管傳送能使其飽和導通與關斷的驅動信號。DSC不斷的采集實時轉速，并根據轉速來修正上位機給出的控制指令，實現輪式機器人驅動輪的轉速閉環控制。

4 控制器模糊PID的設計

本文采用模糊技術與PID結合構成模糊PID的控制方法，其基本原理是在普通PID控制器的基礎上，加上一個模糊控制環節，模糊控制環節根據系統的實時狀態，在線分別調節PID的三個參數。該模糊PID控制器的目的是找出PID控制的三個參數KP、KI和KD與電機轉速偏差E以及轉速偏差變化率EC之間的模糊關系，在系統運行過程中通過不斷檢測E和EC，根據模糊控制原理對這三個參數進行在線修改，以滿足不同E和EC對控制參數的要求［5］。模糊PID控制器結構如圖3所示。

圖4 模糊PID控制器結構圖

PID控制的理想算法:

總之，現代化專業群建設是高職院校展現自我實力，提高學校就業率，與區域產業有效結合，產業結構升級發展的一個專業集合，它直接體現了高職院校的整體辦學理念，人才培養定位，辦學特色，也是加大構建一流高職院校的主要內容，高職院校要結合自身實際特點及區域內產業發展需求等多方面因素，科學開展專業群建設，有效提高高職院校人才培養質量和專業教學水平。

式中:e(t)為設定值與過程值的偏差;KP為比例系數;Ti為積分時間常數;Td為微分時間常數。

采用DSC編寫PID控制程序，將微分方程進行差分處理，得到增量式PID控制方程:

控制算法中無需累加，控制的增量僅與最近k次采樣有關，故產生誤動作時影響較小，且易通過加權法處理得到較好的控制效果。

結合PID控制過程與實驗經驗，歸納PID控制三個參數 KP、KI和 KD的模糊化自調節原則［7］如下:

(1)KP調整原則

控制系統控制品質的好壞很大程度上取決于比例值的選取。增大KP可加快系統響應速度，減小穩態誤差且可提高控制精度，但KP如果過大將會產生超調，甚至引起系統不穩定;減小KP會增大系統穩定裕度，減小超調量，但卻降低了穩態精度，延長了調節時間。調節初期，KP應適當取較大值從而提高響應速度;調節中期，將KP調至適當值以兼顧穩定性以及調節速度;調節后期，將KP調整到較小從而減小靜差，以提高系統穩態精度。

積分作用主要用于消除系統的靜態誤差。增大KI有利于消除系統靜態誤差，但KI過大又會使超調增大，不利于系統的穩定;減小KI不僅有利于系統穩定，也能減小超調，避免振蕩，但卻對消除靜差不利。故調節初期，應適當減小KI;調節中期，為避免影響穩定性，KI應作適度調整;調節后期，應增大KI，以減小系統靜差，從而提高穩態精度。

(3)KD調整原則

對具較大慣性的被控對象，微分作用可以改善其動態性能。增大KD有利于加快系統響應速度，減小超調，增加系統穩定性，但系統抗干擾能力會下降，同時KD過大還會使系統提前減速，延長了調節時間;KD過小，調節過程的減速將會滯后，超調增加，導致系統穩定性變差。因此，調節初期，增大KD不僅可減小甚者避免超調;調節中期，由于調節特性對KD變化較敏感，故應適當減小KD;調節后期，還應減小KD，從而減小被控過程的制動作用。