舒志兵，周培，張志遠(yuǎn)

(南京工業(yè)大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，江蘇南京 211816)

自動導(dǎo)引車 (Automated Guided Vehicle，AGV)，科學(xué)解釋是裝配有激光或電磁等多種導(dǎo)引裝置，能沿著特定的路徑工作，且含有安全保護以及各種移載功能的運輸小車。由于人力成本的提高，AGV在工業(yè)、物流業(yè)發(fā)展十分迅速。伴隨著工業(yè)以及物流業(yè)發(fā)展的多樣性，傳統(tǒng)的AGV在一些較為惡劣的環(huán)境下使用會出現(xiàn)編碼器故障等問題，文中所提出的無傳感器矢量控制下自動導(dǎo)引車則是為了解決這個問題。

1 無傳感器矢量控制的介紹

永磁同步電機 (PMSM)工作時，一般需要編碼器發(fā)送信號，但是編碼器的增加意味著電機的軸向增長，相對應(yīng)的成本提高，同時也可能出現(xiàn)一些外界對反饋信號的干擾等問題。當(dāng)PMSM工作于一些特殊環(huán)境例如低溫、振動等時，其編碼器容易出現(xiàn)問題，所以在這些環(huán)境下需要使用無傳感器矢量控制小車，無傳感器控制成為了解決這種情況的選擇之一。從理論上而言，當(dāng)?shù)玫剿欧?qū)動器的輸出電壓和電流值時，可以通過實時計算得出電機的實時轉(zhuǎn)速，從而在避免使用傳感器的情況下能夠使電機較為精確地工作。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)描述

AGV作為一種無人操控的自動化運輸設(shè)備，由于用途的廣泛性和多樣性，從而產(chǎn)生了多種不同的引導(dǎo)方式。引導(dǎo)方式中主要分成兩種:(1)車外固定軌跡引導(dǎo);(2)自由路徑引導(dǎo)。文中所選用的引導(dǎo)方式為車外固定軌跡引導(dǎo)中的電磁引導(dǎo)方式。該種方式導(dǎo)線隱蔽、不易污損、經(jīng)濟耐用、可靠性高，是現(xiàn)如今最為成熟和在各種方面應(yīng)用范圍最廣的引導(dǎo)方式。

圖1簡單地描述了AGV的基本結(jié)構(gòu)。AGV的主動輪為小車的后輪，前輪為從動輪，這樣的設(shè)計能使小車在加速的時候，重心后移，主動輪與地面的最大摩擦力更大，主動輪抓地的能力更強，防止后輪出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象。同時，后輪采用無傳感器矢量控制下的PMSM，用以保證AGV運行的精確性。AGV的驅(qū)動器選用了路斯特公司的CDF驅(qū)動器;AGV的電源包含48、24、5和12 V。AGV車上利用電力電子轉(zhuǎn)換器將電源的48 V轉(zhuǎn)換為5、12和24 V。24 V電源為車體控制器、運動控制器和傳感器供電;其中運動控制器輸出的5、12 V可提供編碼器和地標(biāo)傳感器的電源以及伺服控制電源;48 V電源為總電源，為伺服電機、起重單元等提供電源。

圖1 AGV系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)的運行方式

在該系統(tǒng)中，AGV沿著埋藏于地面下的電磁引導(dǎo)線運行。安裝在小車車底的檢測元件對小車運行軌跡進行修正，通過對小車的兩個主動輪的速度調(diào)節(jié)實現(xiàn)對小車在工作過程中的位置誤差的糾正、小車運行軌跡方向轉(zhuǎn)變等功能。

圖2中顯示的便是AGV在轉(zhuǎn)向時的運動示意圖。圖2中旋轉(zhuǎn)半徑為R;車身寬度為2W;傳感器相對于前車輪的距離為H;在時間Δt里面?zhèn)鞲衅餍D(zhuǎn)的角度為θ;在時間Δt里面內(nèi)前輪旋轉(zhuǎn)的角度為θ1;在時間Δt里面外前輪旋轉(zhuǎn)的角度為θ2;在時間Δt里面內(nèi)前輪旋轉(zhuǎn)的距離為L1;在時間Δt里面外前輪旋轉(zhuǎn)的距離為L2。通過圖2可知:

圖2 AGV轉(zhuǎn)向示意圖

當(dāng)時間Δt足夠小，可以默認(rèn)在Δt時間內(nèi)兩個輪子為勻速運動:

4 滑模觀測器的運用

滑模控制的思想:根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)與預(yù)想狀態(tài)的偏差，進行有目的的變化，從而使系統(tǒng)按照預(yù)定狀態(tài)運動。

通過對電機建立靜止坐標(biāo)系αβ(忽略掉渦流和磁滯損耗)，可以得到定子電壓方程為:

通過公式 (1)轉(zhuǎn)變方程將定子電流當(dāng)作狀態(tài)變量，則可以得到方程:

在常用的滑模觀測器中使用的開關(guān)函數(shù)為sigmoid函數(shù)，但是由于在過渡階段時存在不連續(xù)點，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)抖動現(xiàn)象。為了使系統(tǒng)能夠更加平穩(wěn)地過渡，過渡階段選取了sin函數(shù)，用以避免不連續(xù)點以及導(dǎo)數(shù)突變的現(xiàn)象出現(xiàn)。所以，此系統(tǒng)的滑模觀測器為:

滑模觀測器的電流方程為:

式中:is為電流估計值;為電流實際值;Rs與Ls分別為定子繞組的電阻和電感;Es為電機工作的反電動勢;k則是滑模觀測器增益 (常量)。令=is－，即為電流誤差值。同時，反電動勢Es轉(zhuǎn)換到坐標(biāo)系αβ中可以得到公式:

PMSM的轉(zhuǎn)子位置通過反電動勢得到，由于時間較短，所以認(rèn)為ω不變。同時由于使用了滑模觀測器函數(shù)，使得一些變量產(chǎn)生了高次的干擾波，所以選擇了切比雪夫濾波器濾去干擾。同時由于低通濾波器導(dǎo)致反電動勢的相位滯后，所以對角度θ補償Δθ，得到實際角度θ*:

圖3即為伺服驅(qū)動的無傳感器工作圖。

圖3 滑模觀測器的結(jié)構(gòu)圖

5 仿真結(jié)果

在不考慮低速抖動的理想情況下，通過仿真軟件對提出的控制算法進行仿真，得到電機由初始速度0到1 600 r/min的速度波形和轉(zhuǎn)矩輸出波形，見圖4—5。

圖4 電機啟動的速度波形

圖5 電機的輸出轉(zhuǎn)矩波形

6 實驗結(jié)果及總結(jié)

首先通過驅(qū)動器對電機施加一個電壓，此時電機的內(nèi)部雖然有電流，但是電機的速度為0，這是為了對電機進行自整定，轉(zhuǎn)子并不會轉(zhuǎn)動。然后當(dāng)自整定結(jié)束后，由停止?fàn)顟B(tài)進行加速然后進行勻速運動，最后停止運行?？梢酝ㄟ^示波器監(jiān)測給定速度 (曲線1)、實際速度 (曲線2)和q軸電流 (曲線3)。

圖6 AGV運行過程圖

從圖6中可以看出:在PMSM初始工作階段，向PMSM輸入一定電流，但是該階段速度仍然保持為0;當(dāng)PMSM開始轉(zhuǎn)動時，初始階段仍然是通過開環(huán)模式為PMSM加載較大電壓使PMSM工作;當(dāng)PMSM真正進入無傳感器工作狀態(tài)，電流則會迅速減小;由于PMSM上連接了較大的負(fù)載，導(dǎo)致電流會產(chǎn)生一定的波動;當(dāng)電機減速到低速階段，則在此進入開環(huán)模式。從圖6中可以看出:雖然PMSM缺少了編碼器，但是AGV仍然能夠順利地工作，可知該方案是可行的。

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