AGV低壓伺服驅動系統設計

周炎生

摘? ?要：目前，關于AGV伺服驅動控制系統的研究比較少，而AGV驅動系統的高性能是物流高效穩定運行的基礎。文章對AGV驅動控制系統的設計原理進行分析，選擇高效率、高精度的永磁同步電機應用于AGV，針對AGV采用蓄電池供電的特點，選擇低電壓設計方案。首先闡述了低壓伺服驅動系統電機控制策略及電機驅動原理，然后對AGV低壓伺服驅動系統進行了硬件和軟件方面的設計。實驗結果表明該系統能夠高效、穩定地運行。

關鍵詞：低壓伺服驅動;永磁同步電機;AGV

隨著柔性制造系統的廣泛應用和物流自動化運輸系統的快速發展，自動導航車（Automated Guided Vehicle，AGV）在物流市場上占據著越來越重要的地位。目前，絕大部分研究都是關于AGV路徑規劃、AGV多機協作、AGV導航技術等方向，對AGV驅動系統的研究較少。由于永磁同步電機具有高功率密度、高效率、高轉矩控制精度的優點[1]，本研究選擇將永磁同步電機應用于AGV，同時考慮到AGV小車采用蓄電池供電的特點，電壓一般為24 V/48 V，因此采用低電壓設計方案。

1? ? 低壓伺服驅動系統電機控制策略

伺服驅動控制目的是控制永磁同步電機準確、快速地根據指令進行隨動。AGV低壓伺服驅動系統采用TMS320F28377芯片作為主控芯片完成永磁同步電機控制。編碼器用來采集電機的速度，永磁同步電機采用id=0的矢量控制策略，如圖1所示。完成電流內環、速度外環的雙閉環控制[2]，主要由速度環調節器、電流環調節器、轉子位置速度檢測、定子電流檢測、CLARKE變換、PARK變換和反PARK變換、智能功率（Intelligent Power Module，IPM）模塊和電壓空間矢量控制等環節組成[3]。AGV低壓伺服控制系統的基本工作流程如下：根據編碼器的信號，準確檢測電動機的轉子位置，計算轉子的轉速n和電角度θ。速度調節器輸出定子電流的轉矩分量iqref，同時設置定子電流的d軸分量idref=0。根據電流傳感器檢測到的定子電流經過變換得到iq，id，通過兩個電流調節器預測需要的施加的電壓信號Udref，Uqref，經過PARK逆變換得到Uαref，Uβref信號控制空間矢量脈沖寬度調制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM），最后IPM驅動電動機實現id=0的矢量控制。該方法逆變器的頻率固定，只需調節PWM波形的占空比，系統輸出電流品質高、穩定性好。

2? ? AGV低壓伺服驅動控制系統硬件設計

AGV低壓伺服驅動控制系統硬件的整體框架如圖2所示，主要分為控制電路、逆變電路、驅動電路、檢測電路以及制動電路等。

2.1? 逆變電路

逆變電路是伺服驅動系統的核心部件，逆變電路利用SVPWM調制法將直流電壓逆變成同步電機所需要的交流電，從而控制同步電機運行。

2.2? 控制電路

控制電路是以德州儀器（Texas Instruments，TI）公司的TMS320F28377控制芯片為核心、一些特定功能的外圍電路為基礎所組成的對整個系統進行控制的電路。控制電路的主要是用來產生控制逆變器運行的脈沖寬度調制（Pulse width modulation，PWM）波形以及對編碼器信號的采集、電流信號的采樣與處理、控制算法的實現、上位機的通信等工作進行處理。

2.3? 驅動電路

控制電路所發出的控制指令電壓電流不足，不能直接驅動主回路中的各個強電器件，需要驅動電路對控制電路發出的控制指令進行功率放大。

2.4? 檢測電路

檢測電路包括母線電壓檢測電路、電機三相電流檢測電路、電機轉速檢測電路以及溫度檢測電路，其中電機三相電流檢測電路和轉速檢測電路用來實現雙閉環的控制，溫度檢測電路以及電壓檢測電路分別實現系統的過熱保護和過壓保護功能。

2.5? 制動電路

當系統出現過熱、電機母線電壓過壓或者欠壓、功率管過流等故障或者要求緊急制動時，制動電路開始工作，提供能量泄放通道，保證系統正常運行。

3? ? AGV低壓伺服系統軟件設計

本研究采用控制芯片為TMS320F28377，軟件開發環境為代碼調試器（Code Composer Studio，CCS），使用C語言編寫程序。系統軟件架構由主程序和中斷服務程序組成[4]。軟件設計的基本思想如下：主程序一直在循環運行，等待各個子程序如SVPWM模塊、轉速調節模塊、電流調節模塊、坐標變換模塊的中斷，然后進入中斷服務程序進行中斷處理，最后返回主程序。

3.1? 主程序設計

低壓伺服驅動控制系統的主程序的主要功能是完成系統的各個外設以及比例積分（Proportional Integral，PI）控制器的初始化，主程序的流程如圖3所示。系統初始化包括系統控制寄存器初始化、時鐘初始化、鎖相環初始化、看門狗初始化等。外設初始化包括脈沖寬度編碼（Pulse Interval Encoding，PIE）控制寄存器初始化、PIE向量表初始化、PWM單元初始化、正交編碼脈沖電路（Quadrature Encoder Pulse，QEP）單元初始化、模數轉換器（Analog to Digital Converter，ADC）單元初始化[5]。控制參數初始化包括速度計算單元初始化、電流環PI控制器初始化、速度環PI控制器初始化。

3.2? 中斷服務程序設計

中斷服務程序主要包括PWM中斷服務程序和故障中斷服務程序。PWM中斷服務程序用來完成系統的矢量控制，是整個軟件設計的核心，本系統PWM中斷服務程序觸發源采用ePWM周期中斷。PWM中斷服務程序流程如圖4所示，當PWM中斷發生時，數字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）保存現場后響應中斷。利用ADC單元獲得電機相電流、母線電壓數據，在閉環控制之前要獲得電機轉子位置信息，進行電機轉子定位。電機轉子定位完成后，進入速度環、電流環閉環控制，最終完成整個矢量控制算法，退出中斷。

故障中斷服務程序是確保電機安全工作的重要保障，當故障中斷到來時，DSP保存現場后響應中斷。DSP首先封鎖其PWM輸出，封鎖驅動電路輸出，然后開啟制動電路開關，接通制動電路，進行電機制動，退出中斷。

4? ? 實驗

為驗證所設計方法的正確性和可行性，制作好電路板和編寫程序后，對系統進行空載運行試驗和帶載運行試驗。AGV低壓伺服驅動系統的實物如圖5所示，實驗選擇一個編碼器額定轉速為3 000 r/min，額定轉矩為0.7 N·m的增量式永磁同步電機作為被控對象。讓電機從零速啟動運行到額定轉速后，持續運行，觀察電機的轉速波形，然后通過對拖臺施加額定轉矩，觀察電機的速度波形和電流波形。電機啟動轉速波形如圖6所示，電機帶載運行時A相電流波形如圖7所示，可以看出電機響應速度快、運行穩定、相電流正弦性良好，說明AGV低壓伺服控制系統的穩定性好。

5? ? 結語

文章對AGV低壓伺服驅動系統進行了概述，對驅動原理以及電機控制策略進行了分析，并對AGV低壓伺服驅動系統進行了硬件和軟件方面的設計。實驗結果表明，低壓伺服驅動系統的效果顯著，在一定程度上能夠實現速度平穩運行以及精確定位，具有很好的推廣價值。

[參考文獻]

[1]史雄峰，楊光永，陳躍斌.STM32單片機的四驅磁導航AGV控制器設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2018（7）：80-84.

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[3]杜仁慧，秦雅，陶春榮，等.全數字交流伺服驅動器設計[J].雷達與對抗，2019（4）：32-35.

[4]蘭根龍，齊蓉，吳春.永磁同步電動舵機控制系統設計與實現[J].微電機，2014（3）：73-77.

[5]杜川.基于電流預測控制的永磁同步電機矢量控制策略[J].沈陽工業大學學報，2019（6）：616-620.