基于CANopen協(xié)議的公鐵兩用牽引車運動控制實現(xiàn)

趙大興，趙國棟，許 萬，王 璜

（湖北工業(yè)大學 機械工程學院，武漢 430068）

基于CANopen協(xié)議的公鐵兩用牽引車運動控制實現(xiàn)

趙大興，趙國棟，許 萬，王 璜

（湖北工業(yè)大學 機械工程學院，武漢 430068）

0 引言

隨著我國鐵路運輸業(yè)和城市軌道交通的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的公鐵兩用牽引車難以滿足現(xiàn)場作業(yè)需求[1]。傳統(tǒng)公鐵兩用牽引車的液壓運動控制系統(tǒng)響應速度慢、穩(wěn)定性差、不能實現(xiàn)反饋、運動控制誤差偏大，使得牽引車的動力性能、操作性能、工作效率無法達到要求[2]。

以電能作為驅(qū)動的新型公鐵兩用牽引車控制系統(tǒng)[3]，引入在汽車總線網(wǎng)絡中占主導地位的CAN總線[4]，采用廣泛應用于歐洲的工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議CANopen[5]通訊協(xié)議，為實現(xiàn)公鐵兩用牽引車的運動控制提供了可靠性高、實時性強的狀態(tài)獲取和命令下發(fā)通道[6,7]。

分析公鐵兩用牽引車機械結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)；設計牽引車運動控制CAN總線網(wǎng)絡，完成CANopen協(xié)議通訊初始化設置，包括各CANopen設備節(jié)點ID（Node_ID）和CAN標示符（COB_ID）的分配，通信模型、通信速率、通信對象的設置；分析牽引車的運動速度和轉(zhuǎn)向角度，得出了牽引車運動控制理論計算公式，包括行走電機頻率與平移速度關系式，轉(zhuǎn)向電機頻率與轉(zhuǎn)向速度關系式，橡膠輪轉(zhuǎn)向角位移誤差計算公式，為牽引車的運動控制提供了理論依據(jù)，使得牽引車的運動速度誤差和轉(zhuǎn)向角度誤差在允許的范圍之內(nèi)，保證牽引車運動控制精度，提高了牽引車控制系統(tǒng)的可靠性。

1 牽引車機械結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)

公鐵兩用牽引車機械結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括底盤，車架，控制單元，液壓單元，驅(qū)動轉(zhuǎn)向單元。控制單元由車載無線接收器，手持無線遙控器組成。液壓單元由油泵電機，齒輪油泵，電磁換向閥，萬向輪，前導向輪，后導向輪組成。驅(qū)動轉(zhuǎn)向單元由行走電機，減速箱，轉(zhuǎn)向電機，轉(zhuǎn)向直齒輪副，橡膠輪組成。

圖1 公鐵兩用牽引車機械結(jié)構(gòu)圖

公鐵兩用牽引車驅(qū)動轉(zhuǎn)向單元三維模型如圖2所示，驅(qū)動轉(zhuǎn)向單元作為整車的執(zhí)行機構(gòu)，是牽引車的重要組成部分。牽引車機械傳動配置方式為：驅(qū)動輪與轉(zhuǎn)向輪合一，橡膠輪既是驅(qū)動輪也是轉(zhuǎn)向輪。轉(zhuǎn)向方式為：雙舵輪轉(zhuǎn)向方式。

牽引車驅(qū)動轉(zhuǎn)向單元主要參數(shù)如表1所示，公鐵兩用牽引車的運動控制本質(zhì)上是驅(qū)動轉(zhuǎn)向單元的運動控制，驅(qū)動轉(zhuǎn)向單元各部件的主要參數(shù)直接影響著牽引車的運動控制。

圖2 驅(qū)動轉(zhuǎn)向單元三維模型圖

表1 驅(qū)動轉(zhuǎn)向單元主要參數(shù)

2 牽引車運動控制總線網(wǎng)絡設計

2.1 CAN總線網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

牽引車運動控制CAN總線網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)及各CANopen設備節(jié)點ID（Node_ID）分配如圖3所示。CAN總線網(wǎng)絡由兩條信號線CAN_H和CAN_L、兩個120Ω的終端電阻、可編程控制器（ID=30）、左行走電機驅(qū)動器（ID=9）、右行走電機驅(qū)動器（ID=8）、左轉(zhuǎn)向電機驅(qū)動器（ID=17）、右轉(zhuǎn)向電機驅(qū)動器（ID=16）、左絕對值編碼器（ID=1）、右絕對值編碼器（ID=2）組成。CAN總線通信介質(zhì)是雙絞線，避免了電磁信號的干擾。由于總線傳輸距離不超過40m，選用的終端電阻為120Ω，消除總線兩端導線上的信號反射，避免信號失真。

2.2 CANopen協(xié)議初始化設置

CANopen協(xié)議通信模型為主從通信模型，可編程控制器（PLC）是CAN總線上唯一的主機，其余設備均為從機。通信速率為250kbit/s，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，且不易受外界電磁干擾。4種通信對象的功能分別為：

圖3 CAN總線網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)及節(jié)點ID分配

1）服務數(shù)據(jù)對象（SDO）：訪問絕對值編碼器對象字典（OD），完成編碼器初始化設置。

2）過程數(shù)據(jù)對象（PDO）：傳輸行走電機、轉(zhuǎn)向電機頻率的設定值，實時反饋頻率的實際值；實時反饋橡膠輪轉(zhuǎn)向角度。

3）網(wǎng)絡管理對象（NMT）：可編程控制器（PLC）是唯一的主節(jié)點，管理整個網(wǎng)絡，其余設備均為從節(jié)點。左右絕對值編碼器作為從節(jié)點，以100ms的周期向主節(jié)點發(fā)送心跳報文（Heartbeat）。

4）預定義報文或特殊功能對象：同步對象（SYNC），保證兩橡膠輪驅(qū)動和轉(zhuǎn)向的同步性與協(xié)調(diào)性；緊急事件對象（Emergency），顯示各設備內(nèi)部錯誤。

運動控制總線網(wǎng)絡中各設備均為標準化協(xié)議的CANopen設備，則牽引車運動控制總線CAN標識符（COB_ID）的分配如表2所示。

3 牽引車運動控制分析

3.1 牽引車速度控制

公鐵兩用牽引車運動狀態(tài)包括縱向平移，橫向平移，對角線平移，圓周轉(zhuǎn)向。可編程控制器（PLC）通過CANopen協(xié)議發(fā)送頻率設定值到總線網(wǎng)絡，左右行走電機驅(qū)動器、左右轉(zhuǎn)向電機驅(qū)動器同時接收到報文，同步驅(qū)動左右行走電機、左右轉(zhuǎn)向電機，實現(xiàn)牽引車的平移和轉(zhuǎn)向。

公鐵兩用牽引車速度控制包括平移速度控制和轉(zhuǎn)向速度控制，控制方式均為開環(huán)控制。通過改變行走電機和轉(zhuǎn)向電機的頻率實現(xiàn)平移速度控制和轉(zhuǎn)向速度控制。行走電機頻率與牽引車平移速度關系式，轉(zhuǎn)向電機頻率與牽引車轉(zhuǎn)向速度關系式由以下公式可得。

表2 運動控制總線CAN標識符（COB_ID）分配表

在不考慮三相交流異步電機轉(zhuǎn)差率的情況下，行走電機轉(zhuǎn)速：

轉(zhuǎn)向電機轉(zhuǎn)速：

聯(lián)立式(1)～式(5)可得行走電機頻率：

聯(lián)立式(6)、式(7)可得轉(zhuǎn)向電機頻率：

以上式中，v3為橡膠輪平移線速度，m/s；r為橡膠輪半徑，m；3ω為橡膠輪平移角速度，rad/s；d為橡膠輪直徑，m；n3為橡膠輪平移轉(zhuǎn)速，r/min；i1為行走機構(gòu)總傳動比；n1為行走電機轉(zhuǎn)速，r/min；f1為行走電機頻率，Hz；p1為行走電機磁極對數(shù)；n2為轉(zhuǎn)向電機轉(zhuǎn)速，r/min；f2為轉(zhuǎn)向電機頻率，Hz；p2為轉(zhuǎn)向電機磁極對數(shù)；i2為轉(zhuǎn)向機構(gòu)總傳動比；n4為橡膠輪轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速，r/mim。

牽引車在功率一定的情況下，在公路上自由行走時，需要減小牽引力，增加速度，牽引車能運行在高速檔5km/h或者低速檔3km/h；在鐵路上進行牽引作業(yè)時，需要降低速度，增大牽引力，牽引車只能運行在低速檔3km/h。已知行走機構(gòu)總傳動比i1=22.78，行走電機磁極對數(shù)p1=2，橡膠輪直徑d=406mm，橡膠輪平移線速度v3=3km/h或5km/h，分別代入式(8)可得行走電機頻率f1=29.78Hz或49.64Hz。最終設定行走電機低速頻率f1=30Hz，高速頻率f1=50Hz，由式(5)可得行走電機低速轉(zhuǎn)速n1=900r/min，高速轉(zhuǎn)速n1=1500r/min。

為保證橡膠輪轉(zhuǎn)向角度的精度，牽引車轉(zhuǎn)向速度設定為3r/min。已知轉(zhuǎn)向電機磁極對數(shù)p2=2，轉(zhuǎn)向機構(gòu)總傳動比i2=305.27，橡膠輪轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速n4=3r/min，代入式(9)可得轉(zhuǎn)向電機頻率f2=30.5Hz。最終設定轉(zhuǎn)向電機頻率f2=30Hz，由公式(6)可得轉(zhuǎn)向電機轉(zhuǎn)速n2=900r/min。

3.2 牽引車轉(zhuǎn)向角度控制

公鐵兩用牽引車轉(zhuǎn)向角度控制主要是橡膠輪轉(zhuǎn)向角度控制，控制方式為開環(huán)控制，同時絕對值編碼器安裝在轉(zhuǎn)向電機尾端的輸出軸上，實時跟蹤橡膠輪的轉(zhuǎn)向角度。根據(jù)設定角度，設置相應的減速點，當橡膠輪轉(zhuǎn)到減速點時，轉(zhuǎn)向電機驅(qū)動器的輸入頻率降低，完全釋放轉(zhuǎn)向電機的加速器，轉(zhuǎn)向電機的轉(zhuǎn)速開始降低，最終使得橡膠輪轉(zhuǎn)到設定角度。

橡膠輪轉(zhuǎn)向軌跡如圖4所示，A為右轉(zhuǎn)極限點也是編碼器零點，B為右轉(zhuǎn)極限減速點，C為右轉(zhuǎn)調(diào)直減速點，D為調(diào)直復位點也是機械零點，E為左轉(zhuǎn)調(diào)直減速點，F(xiàn)為左轉(zhuǎn)極限減速點，G為左轉(zhuǎn)極限點。其中AB=CD=DE=FG。橡膠輪轉(zhuǎn)到A點、G點和D點時，牽引車實現(xiàn)橫向平移和調(diào)直復位功能。

圖4 橡膠輪轉(zhuǎn)向軌跡

假設未設置減速點，因延時誤差的存在，最終橡膠輪會轉(zhuǎn)過設定點而產(chǎn)生誤差，其中產(chǎn)生的角位移誤差即為減速點與設定點之間的角位移。橡膠輪角位移誤差包括編碼器反饋延時角位移誤差和轉(zhuǎn)向電機減速延時角位移誤差，由以下公式計算可得。

聯(lián)立式(10)～式(16)可得橡膠輪角位移誤差：

以上式中，ω2為轉(zhuǎn)向電機角速度，rad/s；n2為轉(zhuǎn)向電機轉(zhuǎn)速，r/min； 為編碼器反饋延時角位移，rad；t1為編碼器反饋延遲時間，s；a為轉(zhuǎn)向電機減角速度，rad/s2；ωt為轉(zhuǎn)向電機末角速度，rad/s；為轉(zhuǎn)向電機末轉(zhuǎn)速，r/min；t2為轉(zhuǎn)向電機減速延遲時間，s；?θ2為轉(zhuǎn)向電機減速延時角位移，rad；?θ3為轉(zhuǎn)向電機角位移，rad；?θ為橡膠輪角位移誤差，rad；i2為轉(zhuǎn)向機構(gòu)總傳動比。已知編碼器反饋延遲時間t1=0.1023s，轉(zhuǎn)向電機減速延遲時間t2=0.75s，轉(zhuǎn)向電機轉(zhuǎn)速n2=900r/min，轉(zhuǎn)向電機末轉(zhuǎn)速nt=0r/min，代入公式(17)可得橡膠輪角位移誤差?θ=0.04π=7.2°，即AB=CD=DE=FG=0.04，則A點設為0°，B點設為7.2°，C點設為82.8°，D點設為90°，E點設為97.2°，F(xiàn)點設為172.8°，G點設為180°。

4 測試結(jié)果分析

在公路模式空載狀態(tài)下，牽引車運動控制總線監(jiān)控數(shù)據(jù)如圖5所示。圖5(a)將編碼器零點與機械零點的偏差值保存在右絕對值編碼器中,編碼器進入運行狀態(tài)。圖5(b)橡膠輪調(diào)直復位，牽引車以實際速度2.97km/h平移前進。

圖5 牽引車運動控制總線數(shù)據(jù)監(jiān)控

牽引車速度控制實際值與理論值如表3所示，左右行走電機實際速度相同，左右轉(zhuǎn)向電機實際速度相同，保證左右橡膠輪運動控制的同步性與協(xié)調(diào)性；由于三相交流異步電機轉(zhuǎn)差率的存在，行走電機和轉(zhuǎn)向電機的實際反饋速度比理論設定速度降低了1.6%，速度誤差在允許范圍之內(nèi)，保證牽引車的運動速度控制精度。

牽引車轉(zhuǎn)向控制實際值與理論值如表4所示。左右橡膠輪之間的相對位置誤差小于0.5°，左右橡膠輪轉(zhuǎn)向的理論設定位置與實際位置之間的平均誤差為0.95°，誤差主要由左右驅(qū)動轉(zhuǎn)向機構(gòu)的安裝精度和控制系統(tǒng)延時滯后所引起。左右兩輪相對位置誤差，理論位置與實際位置誤差均在允許范圍之內(nèi)，保證牽引車的轉(zhuǎn)向角度控制精度。

表4 牽引車轉(zhuǎn)向控制實際值與理論值

5 結(jié)論

分析公鐵兩用牽引車的機械結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)；設計牽引車運動控制CAN總線網(wǎng)絡，完成了CANopen協(xié)議通訊的初始化設置，為實現(xiàn)公鐵兩用牽引車的運動控制提供了可靠性高、實時性強的狀態(tài)獲取和命令下發(fā)通道；分析牽引車的運動速度和轉(zhuǎn)向角度，得出了牽引車運動控制理論計算公式，為牽引車的運動控制提供了理論依據(jù)。測試結(jié)果表明，CANopen協(xié)議正常通訊，實現(xiàn)了公鐵兩用牽引車所需的運動狀態(tài)，牽引車的運動速度誤差和轉(zhuǎn)向角度誤差在允許的范圍之內(nèi)，保證了公鐵兩用牽引車的運動控制精度，實現(xiàn)了牽引車控制系統(tǒng)的運動控制。

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Motion control implementation of electric road/rail tractor based on CANopen protocol

ZHAO Da-xing, ZHAO Guo-dong, XU Wan, WANG Huang

運動控制單元是電動公鐵兩用牽引車控制系統(tǒng)的核心，控制系統(tǒng)主控制器采用CANopen協(xié)議進行數(shù)據(jù)通訊，為實現(xiàn)公鐵兩用牽引車的運動控制提供了可靠性高、實時性強的狀態(tài)獲取和命令下發(fā)通道。分析公鐵兩用牽引車機械結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)；設計牽引車運動控制CAN總線網(wǎng)絡，完成CANopen協(xié)議初始化設置；分析牽引車的運動速度和轉(zhuǎn)向角度，得出牽引車運動控制理論計算公式，為牽引車的運動控制提供了理論依據(jù)。測試結(jié)果表明，CANopen協(xié)議正常通訊，實現(xiàn)了公鐵兩用牽引車所需的運動狀態(tài)。牽引車的運動速度誤差和轉(zhuǎn)向角度誤差均在允許的范圍之內(nèi)，保證了公鐵兩用牽引車的運動控制精度。

公鐵兩用牽引車；CAN總線；CANopen協(xié)議；運動控制

趙大興（1962 -），男，教授，博士，主要從事機械設計和機器視覺方向的研究。

TP273

A

1009-0134(2015)12(上)-0135-05

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.23.40

2015-09-18

國家自然科學基金（51405144）；湖北省自然科學基金面上項目（2014CF598）；湖北省科技支撐計劃（2014BAA006）