自動導航車驅動模塊設計及其控制研究

熊家新 劉 麗 孫喜奎 付海明

(1.長春理工大學機電工程學院，吉林 長春 130022；2.長春新星宇建筑安裝有限公司，吉林 長春 130062；3.吉林龍潤房地產開發有限公司，吉林 長春 130031)

自動導航車驅動模塊設計及其控制研究

熊家新1劉 麗1孫喜奎2付海明3

(1.長春理工大學機電工程學院，吉林 長春 130022；2.長春新星宇建筑安裝有限公司，吉林 長春 130062；3.吉林龍潤房地產開發有限公司，吉林 長春 130031)

首先進行驅動模塊硬件的設計，其次對驅動模塊控制參數進行分析，最后根據系統硬件環節的參數，確定了驅動電機環節的控制模型，進而初步確定了控制環節參數，經理論和仿真分析以及實際調試可知，所確定的參數具有良好的控制效果。

AGV；驅動模塊；PID控制

0 引言

AGV(自動導航車)最早應用于倉儲業。AGV驅動模塊性能的好壞對其整體工作具有重要影響，因此對AGV驅動模塊的研究具有重要意義。

1 驅動模塊硬件的設計與實現

1.1 驅動模塊硬件總體方案

系統的基本工作原理為：單片機輸出電機驅動用PWM波形給專用驅動電路，通過改變PWM波的占空比來改變驅動電路中開關器件的導通時間，進而控制供給電機的平均電壓，從而控制電機轉速。電機的輸出轉軸端裝有光電編碼器，即光電碼盤，光電碼盤旋轉一周，輸出512個脈沖，單片機通過檢測脈沖輸出情況，計算出電機的速度，實現轉速負反饋控制。

1.2 減速器的選擇及電機的確定

本驅動模塊選用直流有刷電機作為驅動電機，嚴格意義的輪式機器人空間運動為6自由度，本文中機器人行駛速度較低，本身具備尋跡運行功能，可忽略其他維運動，而只分析前進方向的受力[1]。

機器人在與水平面成α角的地面上作直線運動的過程中，作用在其上的外力如圖1所示。

圖1 機器人直線運動所受外力示意圖

G=mg

(1)

F=Gcosα

(2)

R=fGcosα

(3)

P=Mz/r

(4)

(5)

查閱資料最后采用減速比i=33.3的減速器，經相應計算得：電機力矩Mm=64.3 N·m，電機轉速nm=8 479.8 r/min。基于所開發的AGV對電機參數選取較大的余量，最終選擇的電機參數如表1所示。

表1 所選定的電機參數一覽表

2 驅動模塊控制參數的確定與分析

2.1 直流電機系統動態模型

根據文獻[1]中直流電機電樞模型，可以得到動力學微分方程組如下：

(6)

式中，Ua(t)為電樞電壓(V)；Ia(t)為電樞電流(A)；Ra為回路總電阻(Ω)；La為電樞電感(H)；Ea(t)為電樞反電勢(V)；ω(t)為車輪角速度(r/s)；Tc(t)為電機的阻力矩(N·m)；Ja為電機轉子轉動慣量(kg/m2)；m為小車的質量(kg)；r為車輪半徑(mm)；i為減速器減速比，值為33.3。

依據以上微分方程組，得到該電機的動態方框圖(圖2)。

圖2 直流電機動態方框圖

其中，J為折算到電機輸出軸的轉動慣量，即：

J=mr2/i2+Ja

(7)

微分方程經過拉普拉斯變換后可以得到電機的傳遞函數為：

Ω(s)/Ua(s)=1/Ke(τms+1)(τes+1)

(8)

τm=RαJ/KeKt

(9)

τe=lα/Rα

(10)

式中，τm為機電時間常數；τe為電氣時間常數。

根據電機的各個參數以及小車的質量等數據，可以求得傳遞函數各參數的取值τm=3.3×10-2s，τe=1.8×10-4s，Ke=3.6×10-2V/(rad·s)。于是式(8)為：

Ω(s)/Ua(s)=1/(3.6×10-2)(0.033s+1)(0.000 18s+1)

2.2 閉環PID控制

2.2.1 PID參數的確定

轉速閉環控制方框圖如圖3所示(電機之前還要有一個PWM環節，但是因為時間常數小，故可以省略)，電機參數中τm>10τe時，可以將略去[2]。

圖3 閉環PID控制方框圖

傳遞函數：

Ω(s)/Ua(s)=1/(3.6×10-2)(0.033s+1)(0.000 18s+1)

圖4為被控對象的開環頻率特性，其剪切頻率為836 r/s，相角裕度為83.5°。該對象具有良好的頻率特性，在反饋閉環時不易出現振蕩和發散的情況，因此PID參數的選取注意性能的優化即可。

圖4 被控對象的開環頻率特性圖

當負載發生變化時即相應的質量變為原來的一半時，由式(8)和式(9)得到新的機電時間常數τm=1.65×10-2s，此時的被控傳遞函數為：

Ω(s)/Ua(s)=1(3.6×10-2)(0.016 5s+1)(0.000 18s+1)

得到對象(總質量減半)的頻率特性如圖5所示，其剪切頻率為1.61 r/s，相角裕度為76°。

圖5 被控對象負載變化的開環頻率特性圖

根據系統特點，取KP=25、KI=5時，系統的開環傳遞函數為：

被控對象加入PID調節的頻率特性如圖6所示。

圖6 被控對象加PID調節的頻率特性圖

實際上，被控對象本身的剪切頻率已經達到836 r/s，滿足應用要求，而且相角裕度合適，加PID只是為了更好地調整性能與指標。

2.2.2 程序參數確定與調試

根據確定的參數KP和KI的取值，依據采用物理單位的換算關系，很容易得到程序中對應的參數值。經過調試可以得到它們的值分別為KP=0.30，KI=0.23。

3 結語

針對AGV驅動模塊，本文進行了包括電機、減速器的硬件驅動模塊的設計，根據系統硬件環節參數，確定了驅動電機環節的控制模型，進而設計了控制環節參數，經理論和仿真分析以及實際調試可知，所確定的參數具有良好的控制效果，能確保驅動模塊驅動下的AGV運行平穩。

[1]梅曉榕，柏桂珍，張卯瑞.自動控制元件及線路[M].北京：科學出版社，2005

[2]王偉，張晶濤，柴天佑.PID參數先進整定方法綜述[J].自動化學報，2000(3)

2014-06-09

熊家新(1973—)，男，云南人，副教授，研究方向：機電系統控制與技術。