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        自動導(dǎo)航車驅(qū)動模塊設(shè)計及其控制研究

        2014-09-01 11:56:17熊家新孫喜奎付海明
        機(jī)電信息 2014年21期
        關(guān)鍵詞:頻率特性電樞被控

        熊家新 劉 麗 孫喜奎 付海明

        (1.長春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)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(chǎn)開發(fā)有限公司,吉林 長春 130031)

        自動導(dǎo)航車驅(qū)動模塊設(shè)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(xué)機(jī)電工程學(xué)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(chǎn)開發(fā)有限公司,吉林 長春 130031)

        首先進(jìn)行驅(qū)動模塊硬件的設(shè)計,其次對驅(qū)動模塊控制參數(shù)進(jìn)行分析,最后根據(jù)系統(tǒng)硬件環(huán)節(jié)的參數(shù),確定了驅(qū)動電機(jī)環(huán)節(jié)的控制模型,進(jìn)而初步確定了控制環(huán)節(jié)參數(shù),經(jīng)理論和仿真分析以及實際調(diào)試可知,所確定的參數(shù)具有良好的控制效果。

        AGV;驅(qū)動模塊;PID控制

        0 引言

        AGV(自動導(dǎo)航車)最早應(yīng)用于倉儲業(yè)。AGV驅(qū)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(qū)動模塊的研究具有重要意義。

        1 驅(qū)動模塊硬件的設(shè)計與實現(xiàn)

        1.1 驅(qū)動模塊硬件總體方案

        系統(tǒng)的基本工作原理為:單片機(jī)輸出電機(jī)驅(qū)動用PWM波形給專用驅(qū)動電路,通過改變PWM波的占空比來改變驅(qū)動電路中開關(guān)器件的導(dǎo)通時間,進(jìn)而控制供給電機(jī)的平均電壓,從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)軸端裝有光電編碼器,即光電碼盤,光電碼盤旋轉(zhuǎn)一周,輸出512個脈沖,單片機(jī)通過檢測脈沖輸出情況,計算出電機(jī)的速度,實現(xiàn)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制。

        1.2 減速器的選擇及電機(jī)的確定

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

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

        圖1 機(jī)器人直線運(yùn)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(jīng)相應(yīng)計算得:電機(jī)力矩Mm=64.3 N·m,電機(jī)轉(zhuǎn)速nm=8 479.8 r/min?;谒_發(fā)的AGV對電機(jī)參數(shù)選取較大的余量,最終選擇的電機(jī)參數(shù)如表1所示。

        表1 所選定的電機(jī)參數(shù)一覽表

        2 驅(qū)動模塊控制參數(shù)的確定與分析

        2.1 直流電機(jī)系統(tǒng)動態(tài)模型

        根據(jù)文獻(xiàn)[1]中直流電機(jī)電樞模型,可以得到動力學(xué)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(jī)的阻力矩(N·m);Ja為電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量(kg/m2);m為小車的質(zhì)量(kg);r為車輪半徑(mm);i為減速器減速比,值為33.3。

        依據(jù)以上微分方程組,得到該電機(jī)的動態(tài)方框圖(圖2)。

        圖2 直流電機(jī)動態(tài)方框圖

        其中,J為折算到電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)動慣量,即:

        J=mr2/i2+Ja

        (7)

        微分方程經(jīng)過拉普拉斯變換后可以得到電機(jī)的傳遞函數(shù)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(jī)電時間常數(shù);τe為電氣時間常數(shù)。

        根據(jù)電機(jī)的各個參數(shù)以及小車的質(zhì)量等數(shù)據(jù),可以求得傳遞函數(shù)各參數(shù)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(huán)PID控制

        2.2.1 PID參數(shù)的確定

        轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方框圖如圖3所示(電機(jī)之前還要有一個PWM環(huán)節(jié),但是因為時間常數(shù)小,故可以省略),電機(jī)參數(shù)中τm>10τe時,可以將略去[2]。

        圖3 閉環(huán)PID控制方框圖

        傳遞函數(shù):

        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(huán)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(huán)時不易出現(xiàn)振蕩和發(fā)散的情況,因此PID參數(shù)的選取注意性能的優(yōu)化即可。

        圖4 被控對象的開環(huán)頻率特性圖

        當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時即相應(yīng)的質(zhì)量變?yōu)樵瓉淼囊话霑r,由式(8)和式(9)得到新的機(jī)電時間常數(shù)τm=1.65×10-2s,此時的被控傳遞函數(shù)為:

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

        得到對象(總質(zhì)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(fù)載變化的開環(huán)頻率特性圖

        根據(jù)系統(tǒng)特點,取KP=25、KI=5時,系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為:

        被控對象加入PID調(diào)節(jié)的頻率特性如圖6所示。

        圖6 被控對象加PID調(diào)節(jié)的頻率特性圖

        實際上,被控對象本身的剪切頻率已經(jīng)達(dá)到836 r/s,滿足應(yīng)用要求,而且相角裕度合適,加PID只是為了更好地調(diào)整性能與指標(biāo)。

        2.2.2 程序參數(shù)確定與調(diào)試

        根據(jù)確定的參數(shù)KP和KI的取值,依據(jù)采用物理單位的換算關(guān)系,很容易得到程序中對應(yīng)的參數(shù)值。經(jīng)過調(diào)試可以得到它們的值分別為KP=0.30,KI=0.23。

        3 結(jié)語

        針對AGV驅(qū)動模塊,本文進(jìn)行了包括電機(jī)、減速器的硬件驅(qū)動模塊的設(shè)計,根據(jù)系統(tǒng)硬件環(huán)節(jié)參數(shù),確定了驅(qū)動電機(jī)環(huán)節(jié)的控制模型,進(jìn)而設(shè)計了控制環(huán)節(jié)參數(shù),經(jīng)理論和仿真分析以及實際調(diào)試可知,所確定的參數(shù)具有良好的控制效果,能確保驅(qū)動模塊驅(qū)動下的AGV運(yùn)行平穩(wěn)。

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

        [2]王偉,張晶濤,柴天佑.PID參數(shù)先進(jìn)整定方法綜述[J].自動化學(xué)報,2000(3)

        2014-06-09

        熊家新(1973—),男,云南人,副教授,研究方向:機(jī)電系統(tǒng)控制與技術(shù)。

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