全向電動(dòng)底盤轉(zhuǎn)向角度的檢測(cè)與控制

朱振華，鄭祥凱，呂瓊瑩，王一凡

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)　機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春　130022；2.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春　130033）

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全向電動(dòng)底盤轉(zhuǎn)向角度的檢測(cè)與控制

朱振華1，鄭祥凱1，呂瓊瑩1，王一凡2

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022；2.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春130033）

摘要：全向電動(dòng)底盤可實(shí)現(xiàn)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)（4WD）和四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向（4WS），是未來(lái)非道路車輛發(fā)展的重要方向。電動(dòng)輪轉(zhuǎn)向角度的精密檢測(cè)和準(zhǔn)確控制對(duì)于全向電動(dòng)底盤四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向（4WS）功能的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。介紹了一種檢測(cè)和控制電動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)角度的新方法。采用絕對(duì)編碼器檢測(cè)電動(dòng)輪的實(shí)際位置，由中央控制器PLC接收絕對(duì)編碼器輸入的格雷碼并轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制數(shù)，經(jīng)計(jì)算得到電動(dòng)輪的實(shí)際轉(zhuǎn)角。通過(guò)與電動(dòng)輪的目標(biāo)轉(zhuǎn)角相比較，由PLC根據(jù)比較結(jié)果控制電動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)，再通過(guò)電磁離合器的配合，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)底盤轉(zhuǎn)向角度的檢測(cè)與控制。實(shí)驗(yàn)表明，這種檢測(cè)和控制電動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)角度的方法測(cè)量準(zhǔn)確，控制靈敏，安全可靠，為旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量和控制提供了一種行之有效的新方法。

關(guān)鍵詞：全向電動(dòng)底盤；轉(zhuǎn)向角度；絕對(duì)編碼器；檢測(cè)與控制

非道路車輛也稱非道路行走式機(jī)械，如裝載機(jī)、挖掘機(jī)、叉車等。為了適應(yīng)機(jī)動(dòng)車輛節(jié)能、清潔、環(huán)保等方面的要求，開(kāi)發(fā)了一種可用于非道路車輛的全向電動(dòng)底盤，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。全向電動(dòng)底盤由四個(gè)電動(dòng)輪分別驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)（4WD）和四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向（4WS）。由于具有更多的可控自由度，使電動(dòng)底盤能夠?qū)崿F(xiàn)比傳統(tǒng)車輛更優(yōu)的機(jī)動(dòng)性、操縱穩(wěn)定性和主動(dòng)安全性，是未來(lái)非道路車輛發(fā)展的重要方向［1，2］。電動(dòng)輪轉(zhuǎn)向角度的精密檢測(cè)和準(zhǔn)確控制對(duì)于全向電動(dòng)底盤四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向（4WS）功能的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。

圖1　全向電動(dòng)底盤總體結(jié)構(gòu)

1　全向電動(dòng)底盤轉(zhuǎn)向角度的檢測(cè)與控制原理

1.1全向電動(dòng)底盤四輪轉(zhuǎn)向控制策略

全向電動(dòng)底盤四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由電動(dòng)輪、電磁離合器和控制系統(tǒng)組成。對(duì)于低速運(yùn)動(dòng)的全向電動(dòng)底盤來(lái)說(shuō)，采用四輪異相轉(zhuǎn)向模式，即前后輪轉(zhuǎn)向方向相反，可大大減小轉(zhuǎn)彎半徑，增加全向電動(dòng)底盤運(yùn)動(dòng)的靈活性［3］。圖2所示為全向電動(dòng)底盤異相轉(zhuǎn)向模式示意圖。其中L為前后軸的軸距，W為內(nèi)外側(cè)車輪的輪距，a和b分別為前軸和后軸到車輛質(zhì)心的距離，R1～R4分別為各個(gè)車輪繞旋轉(zhuǎn)中心O的轉(zhuǎn)向半徑，RQ為質(zhì)心Q繞旋轉(zhuǎn)中心O的轉(zhuǎn)向半徑，RIN為旋轉(zhuǎn)中心O到兩內(nèi)側(cè)車輪中心連線的距離，R為旋轉(zhuǎn)中心O到車輛左右對(duì)稱線的垂直的距離，ROUT為旋轉(zhuǎn)中心O到兩外側(cè)車輪中心連線的距離，α1～α4分別四個(gè)轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角，δ1和δ2分別為前軸和后軸中點(diǎn)處的轉(zhuǎn)角，δ為車輛質(zhì)心處的轉(zhuǎn)角［4］。

圖2　全向電動(dòng)底盤異相轉(zhuǎn)向模式示意圖

以全向電動(dòng)底盤左轉(zhuǎn)向?yàn)槔?dāng)左前輪的轉(zhuǎn)角α1已知時(shí)，由瞬心定理可求出其他車輪的轉(zhuǎn)角，稱為目標(biāo)轉(zhuǎn)角。

當(dāng)需要左轉(zhuǎn)向時(shí)，向中央控制器輸入左前輪需要轉(zhuǎn)過(guò)的角度（α1），根據(jù)式（1）～式（3），利用程序自動(dòng)計(jì)算出其他電動(dòng)輪的目標(biāo)轉(zhuǎn)角。然后松開(kāi)電磁離合器，使每個(gè)電動(dòng)輪按照?qǐng)D2所示的方向繞其豎直軸線旋轉(zhuǎn)。當(dāng)每個(gè)電動(dòng)輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度與各自的目標(biāo)轉(zhuǎn)角相等時(shí)，電動(dòng)輪停止旋轉(zhuǎn)。這樣就可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)底盤的四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向（4WS）運(yùn)動(dòng)。因此電動(dòng)輪轉(zhuǎn)向角度的精密檢測(cè)和準(zhǔn)確控制成為實(shí)現(xiàn)全向電動(dòng)底盤四輪電子差速轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵。

1.2電動(dòng)輪轉(zhuǎn)向角度的檢測(cè)與控制原理

電動(dòng)輪轉(zhuǎn)向角度的檢測(cè)與控制主要由電動(dòng)輪、電磁離合器、旋轉(zhuǎn)編碼器、電機(jī)控制器和中央控制器共同完成，如圖3所示［5］。根據(jù)轉(zhuǎn)向要求，當(dāng)某個(gè)電動(dòng)輪需要轉(zhuǎn)過(guò)一定角度θ時(shí)，通過(guò)觸摸屏輸入該電動(dòng)輪需要轉(zhuǎn)過(guò)的角度，該角度值存入中央控制器的存儲(chǔ)器中。然后松開(kāi)電磁離合器，由中央控制器發(fā)出正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)指令，通過(guò)電機(jī)控制器，使相應(yīng)的電動(dòng)輪繞其豎直軸旋轉(zhuǎn)。電動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，其實(shí)際轉(zhuǎn)過(guò)的角度由角度編碼器實(shí)時(shí)測(cè)量，并反饋給中央控制器。電動(dòng)輪轉(zhuǎn)過(guò)的實(shí)際角度與其目標(biāo)轉(zhuǎn)角θ在中央控制器中自動(dòng)進(jìn)行比較。當(dāng)兩者相等時(shí)，由中央控制器發(fā)出剎車命令，通過(guò)電機(jī)控制器使電動(dòng)輪停止旋轉(zhuǎn)，同時(shí)電磁離合器吸合，使電動(dòng)輪停留在目標(biāo)轉(zhuǎn)角所預(yù)定的位置。這樣就可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)輪轉(zhuǎn)向角度的實(shí)時(shí)測(cè)量和控制。

圖3　電動(dòng)輪轉(zhuǎn)向角度的檢測(cè)與控制原理圖

2　全向電動(dòng)底盤轉(zhuǎn)向角度檢測(cè)與控制系統(tǒng)的主要硬件選型與設(shè)計(jì)

2.1中央控制器的選擇

中央控制器是全向電動(dòng)底盤轉(zhuǎn)向角度檢測(cè)與控制系統(tǒng)的核心。根據(jù)檢測(cè)與控制要求，它應(yīng)具備模擬量控制、數(shù)字量控制、可編程、存儲(chǔ)、計(jì)算等功能，而且能處理絕對(duì)編碼器所輸出的格雷碼。可編程序控制器PLC（Programmable Logic Controller）是一種專門在工業(yè)環(huán)境下使用的控制器，具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)，而且具備上述功能。因此本系統(tǒng)選用西門子S7-226型PLC。西門子CPU 226 DC/DC/繼電器型PLC的模塊接線如圖4所示。

圖4　絕對(duì)編碼器與PLC226的接線

該模塊共有24個(gè)數(shù)字量輸入端子和16個(gè)數(shù)字量輸出端子。其中24個(gè)輸入端子被分成兩組。第一組由I0.0～I(xiàn)0.7、I1.0～I(xiàn)1.4共13個(gè)輸入端子組成；第二組由I1.5～I(xiàn)1.7、I2.0～I(xiàn)2.7共11個(gè)輸入端子組成。M，L+兩個(gè)端子提供DC24V/400mA傳感器電源。16個(gè)數(shù)字量輸出端子分成三組。第一組由Q0.0～Q0.3共4個(gè)輸出端子與公共端1L組成；第二組由Q0.4～Q0.7、Q1.0共5個(gè)輸出端子與公共端2L組成；第三組由Q1.1～Q1.7共7個(gè)輸出端子與公共端3L組成。N、L1端子是主機(jī)供電電源DC24V輸入端。模擬量輸入和輸出功能通過(guò)擴(kuò)展模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2旋轉(zhuǎn)編碼器的選擇

旋轉(zhuǎn)編碼器是一種用來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)裝置的位置、速度和轉(zhuǎn)角的傳感器。光電編碼器是目前應(yīng)用最多的一種旋轉(zhuǎn)編碼器。根據(jù)光電編碼器的工作原理可以將光電編碼器分為絕對(duì)式、增量式和混合式三種。當(dāng)絕對(duì)式編碼器軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，有與位置一一對(duì)應(yīng)的代碼輸出，每個(gè)位置有唯一編碼。從代碼大、小的變更，即可判別正反方向和轉(zhuǎn)軸所處的位置。它有一個(gè)絕對(duì)零位代碼，當(dāng)停電或關(guān)機(jī)后，重新開(kāi)機(jī)測(cè)量時(shí)，仍可準(zhǔn)確地讀出停電或關(guān)機(jī)位置的代碼，并準(zhǔn)確地找到零位代碼。這樣在編碼器旋轉(zhuǎn)一周的范圍內(nèi)，編碼值能夠反映出設(shè)備當(dāng)前的實(shí)際位置［6］。因此本系統(tǒng)選擇絕對(duì)式編碼器。

絕對(duì)式編碼器所輸出的代碼是格雷碼。采用格雷碼可避免多個(gè)碼元的電平同時(shí)變化對(duì)周圍設(shè)備或線路造成較強(qiáng)的脈沖干擾，使檢測(cè)、控制更加準(zhǔn)確、可靠。根據(jù)控制精度要求，本系統(tǒng)選用博辰光電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的BCE42AS6-8-24V-CGG型絕對(duì)編碼器。該編碼器采用8位并行格雷碼輸出，其電氣參數(shù)如表1所示。

表1　電氣參數(shù)

2.3電機(jī)控制器的選擇

電動(dòng)輪的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)通過(guò)交流感應(yīng)電機(jī)和電磁離合器的配合來(lái)實(shí)現(xiàn)，而交流感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)由電機(jī)控制器來(lái)控制。根據(jù)電動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)要求，選用凱利公司KIM4810型交流感應(yīng)電機(jī)控制器。其前面板布置如圖5所示，其中：

B+：電池正極

B-：電池負(fù)極

A：輸出A相，連接電機(jī)U相線

B：輸出B相，連接電機(jī)V相線

C：輸出C相，連接電機(jī)W相線

KIM4810型交流感應(yīng)電機(jī)控制器有3個(gè)開(kāi)關(guān)輸入，分別是前進(jìn)開(kāi)關(guān)輸入，剎車開(kāi)關(guān)輸入和倒車開(kāi)關(guān)輸入。同時(shí)還有3個(gè)模擬輸入，分別是油門踏板模擬信號(hào)輸入，剎車踏板模擬輸入和電機(jī)溫度傳感器模擬信號(hào)輸入。電動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可對(duì)電壓、電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和保護(hù)，并有故障檢測(cè)和保護(hù)功能。

圖5　KIM電機(jī)控制器前面板布置圖

2.4絕對(duì)編碼器與PLC的連接

絕對(duì)編碼器的輸出可分為并行輸出、串行同步輸出、串行異步總線式輸出、轉(zhuǎn)換模擬量輸出等。對(duì)于位數(shù)不高的絕對(duì)編碼器，一般采用并行輸出（若串行輸出，不能與S7-200直接連，應(yīng)有相應(yīng)接口），直接進(jìn)入后續(xù)設(shè)備如PLC或上位機(jī)的I/O接口，直接讀取電平的高低。多少位（碼道）絕對(duì)編碼器就有多少根信號(hào)電纜，以代表20、21……、2n-1，每根電纜代表一位數(shù)據(jù)，以電纜輸出電平的高低代表1或0。BCE42AS6型絕對(duì)編碼器信號(hào)電纜的含義如表2所示。

表2　通訊接口

本控制系統(tǒng)中，絕對(duì)編碼器與PLC的連接采用并行輸出方式，這種方式輸出即時(shí)，連接簡(jiǎn)單。把絕對(duì)編碼器的8位格雷碼輸出線與PLC的8個(gè)輸入端直接相連。BCE42AS6型絕對(duì)編碼器與PLC226的連接見(jiàn)圖5。

3　全向電動(dòng)底盤轉(zhuǎn)向角度檢測(cè)與控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)全向電動(dòng)底盤轉(zhuǎn)向角度的檢測(cè)與控制要求，編制出轉(zhuǎn)向角度檢測(cè)與控制系統(tǒng)的流程如圖6所示。

絕對(duì)式編碼器輸出反映絕對(duì)位置的二進(jìn)制格雷碼。用PLC的輸入模塊讀取到格雷碼后，需要將它轉(zhuǎn)換為普通的二進(jìn)制數(shù)。對(duì)于S7-226，PLC內(nèi)有GBIN指令可用來(lái)解碼為純二進(jìn)制碼。S7-226的"graycode.mwl"指令庫(kù)包括用于字節(jié)、字和雙字格式的編碼和解碼的功能塊。功能塊GRAY_BIN_B、GRAY_BIN_W和GRAY_BIN_DW用于把輸入的格雷碼解碼成字節(jié)、字和雙字類型的二進(jìn)制數(shù)。

將格雷碼轉(zhuǎn)換成純二進(jìn)制數(shù)的梯形圖程序如圖7所示。

圖6　控制系統(tǒng)流程圖

圖7　格雷碼轉(zhuǎn)換成純二進(jìn)制數(shù)的梯形圖

格雷碼轉(zhuǎn)換成純二進(jìn)制數(shù)后，按照常規(guī)方法將其與實(shí)際位置（角度值）相對(duì)應(yīng)，其對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)如下：

這樣絕對(duì)編碼器的當(dāng)前格雷碼值就與電動(dòng)輪的當(dāng)前角度一一對(duì)應(yīng)。當(dāng)前格雷碼值轉(zhuǎn)換后的角度值保存在PLC的存儲(chǔ)器VB101中。轉(zhuǎn)換后的角度值與電動(dòng)輪的目標(biāo)轉(zhuǎn)角比較后，若沒(méi)有達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)角，則繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，直到測(cè)量轉(zhuǎn)角等于目標(biāo)轉(zhuǎn)角為止。

4　轉(zhuǎn)向角度的檢測(cè)精度與響應(yīng)時(shí)間分析

由上所述，全向電動(dòng)底盤轉(zhuǎn)向角度的檢測(cè)和控制主要通過(guò)絕對(duì)編碼器和PLC配合完成。用來(lái)測(cè)量電動(dòng)輪轉(zhuǎn)向角度的絕對(duì)編碼器為8位格雷碼輸出，其測(cè)量范圍為0°～360°，則該編碼器的控制精度為360。/28=1.40625°，能夠滿足全向電動(dòng)底盤轉(zhuǎn)向角度的控制要求（轉(zhuǎn)向控制精度小于1.5°）。轉(zhuǎn)向角度的控制主要由PLC來(lái)完成。西門子S7-226型PLC的布爾指令執(zhí)行速度為22μs/指令。其最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間=輸入延遲時(shí)間+兩個(gè)掃描時(shí)間+輸出延遲時(shí)間。對(duì)于本系統(tǒng)而言，其輸入延遲時(shí)間約為5ms，輸出延遲時(shí)間約為10ms，每個(gè)掃描周期約為80ms，因此最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間約為95ms。所設(shè)計(jì)的全向電動(dòng)底盤主要用于非道路車輛，最高行駛速度為20km/h，轉(zhuǎn)過(guò)90°所用時(shí)間為6s，控制精度小于1.5°。則旋轉(zhuǎn)1.5°所用時(shí)間為100ms（大于PLC最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間）。因此系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間能夠能滿足目標(biāo)轉(zhuǎn)角的控制精度要求。

5　結(jié)論

本文提供了一種利用PLC、絕對(duì)編碼器和電機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)輪轉(zhuǎn)向角度測(cè)量和控制的新方法。絕對(duì)編碼器旋轉(zhuǎn)時(shí)，能夠輸出與位置一一對(duì)應(yīng)的格雷碼，每個(gè)位置都有唯一的編碼。從代碼大小的變更，即可判別旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)軸所處的位置。把絕對(duì)編碼器的信號(hào)電纜與PLC采用并行方式相連接，PLC把接收到的格雷碼轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制數(shù)后，可得到與實(shí)際位置相對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度值，把檢測(cè)到的實(shí)際角度與儲(chǔ)存在PLC中的目標(biāo)轉(zhuǎn)角相比較，根據(jù)比較結(jié)果，由PLC通過(guò)電機(jī)控制器控制交流感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，從而使電動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)到預(yù)定的角度。實(shí)驗(yàn)表明，這種檢測(cè)和控制電動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)角度的方法測(cè)量準(zhǔn)確，控制靈敏，安全可靠，為旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量提供了一種行之有效的新方法。

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Detection and Control of Rotating Angle of Omnidirectional Electric Chassis

ZHU Zhenhua1，ZHENG Xiangkai1，LV Qiongying1，WANG Yifan2
（1.School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130022）

Abstract：Omnidirectional electric chassis has such functions as four wheel independent driving（4WD）and four wheel independent steering（4WS），which is an important developing fields for off-road vehicles. The precise detection and accurate control for the rotating angle is very important for the function of four wheel independent steering（4WS）. A new method of detection and control for rotating angle is introduced. The actual position of electric wheel is measured by absolute encoder，then a kind of gray code is output to PLC by absolute encoder and is transferred to standard binary code in PLC，As a result，the actual rotating angle can be obtained by a formula. According to the result of comparison of actual rotating angle and the target angle of electric wheel，the movement of electric wheel is corresponding controlled by PLC. With the help of electromagnetic clutch，the detection and control for the rotating angle of electric chassis can be realized. Experimental results indicated that this method for measuring and controlling rotation angle is accurate，effective and reliable.

Key words：omnidirectional electric chassis；rotating angle；absolute encoder；detection and control

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-9870（2016）02-0046-05

收稿日期：2015-08-15

基金項(xiàng)目：吉林省科技廳資助項(xiàng)目（20140204064GX）

作者簡(jiǎn)介：朱振華（1970-），男，副教授，E-mail：zhuzhenhua0431@163.com