張鐵民， 張衡超， 陳 輝， 梁 莉

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院 廣州,510642) (2.國(guó)家生豬種業(yè)工程技術(shù)研究中心 廣州,510642 )

引 言

電動(dòng)輪式移動(dòng)平臺(tái)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，電動(dòng)輪式移動(dòng)平臺(tái)不但可以在生產(chǎn)過(guò)程中減輕勞動(dòng)力，提高生產(chǎn)效率，而且采用電池作為動(dòng)力電源，具有少污染等環(huán)保特性，防止農(nóng)藥、化肥等對(duì)人體的傷害[1-2]。以電動(dòng)輪式移動(dòng)平臺(tái)為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的作業(yè)機(jī)器 ，是替代人類從事高強(qiáng)度體力勞動(dòng)和代替人做一些具有危害性工作的最佳選擇。由于其污染小、效率高且智能化程度高等優(yōu)點(diǎn)，必將成為未來(lái)工農(nóng)業(yè)裝備發(fā)展的重點(diǎn)方向。

陳亮等[3]以永磁無(wú)刷直流電機(jī)為控制對(duì)象，提出了一種基于平均速度的雙電機(jī)協(xié)調(diào)控制策略，但僅研究低速雙電機(jī)的控制，不夠全面。張京等[4]研究了農(nóng)用輪式機(jī)器人，采用四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，具有更好的復(fù)雜路況適應(yīng)能力，但缺少電流、轉(zhuǎn)速的反饋，控制不夠精準(zhǔn)。文獻(xiàn)[5-8]為輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)動(dòng)力總成試驗(yàn)臺(tái)，利用該平臺(tái)對(duì)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的性能和整車控制策略測(cè)試，但其測(cè)試對(duì)象比較局限，只能測(cè)量輪轂電機(jī)[9-12]。

筆者在自主研制的電動(dòng)輪移動(dòng)平臺(tái)基礎(chǔ)上，對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行研究，優(yōu)化其硬件電路，采用雙閉環(huán)控制對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了優(yōu)化，并在測(cè)功機(jī)平臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證其穩(wěn)定性。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 速度、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

速度、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖1[2]，速度調(diào)節(jié)器作為控制系統(tǒng)的主要調(diào)節(jié)器，使輸出速度能快速的跟隨給定速度的變化，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，抑制速度波動(dòng)，對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。電流調(diào)節(jié)器作為控制內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，使電流及時(shí)跟隨速度環(huán)的輸出而變化，對(duì)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)過(guò)載堵轉(zhuǎn)時(shí)，電流環(huán)能夠限制電樞電流的最大值，起自動(dòng)保護(hù)作用，當(dāng)故障消失后，控制系統(tǒng)能立即自動(dòng)恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 無(wú)刷直流電機(jī)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Double closed-loop control structure of brushless DC motor

1.2 模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模糊自適應(yīng)PID的設(shè)計(jì)過(guò)程主要分為模糊化、模糊推理和模糊規(guī)則及反模糊化3個(gè)步驟。

結(jié)合本研究可得出ΔKP，ΔKI，ΔKD的模糊控制規(guī)則分別表1所示。其中：負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)和正大(PB)分別對(duì)應(yīng)7，6，5，4，3，2，1。；e為誤差量，ec為誤差變化量。

表1 ΔKP，ΔKI，ΔKD模糊控制規(guī)則表

選用重心法進(jìn)行反模糊化

(1)

其中:uB(y)為模糊輸出集合。

經(jīng)過(guò)反模糊計(jì)算后，利用Matlab可以得出ΔKP,ΔKI，ΔKD的模糊控制查詢表，最后得到模糊PID控制中3個(gè)新整定的參數(shù)，如式(2)所示。

(2)

其中：KP0，KI0，KD0為PID控制器的初始值；KP，KI，KD為PID控制器的新的參數(shù)。

KP0，KI0，KD0的初始值分別為0.004，0.077和0.002，其量化因子分別為2 000，100和3 000，由此可得模糊自適應(yīng)PID參數(shù)表達(dá)式為

(3)

1.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件部分主要包括無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、速度檢測(cè)電路和電流檢測(cè)電路?？刂破鞑捎肧TM32F103ZET6作為主控制器，負(fù)責(zé)輸出控制指令以及采集反饋信號(hào)并分析處理。系統(tǒng)硬件電路構(gòu)成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成Fig.2 System hardware structure

驅(qū)動(dòng)電路采用IR2136構(gòu)成， 如圖3所示。IR2136為全橋驅(qū)動(dòng)芯片，通過(guò)IR2136可以控制Q1～Q66個(gè)MOS管的導(dǎo)通與關(guān)斷來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，并且其內(nèi)置死區(qū)控制，防止上下橋臂MOS管同時(shí)導(dǎo)通造成電路的燒毀。圖4和圖5分別為電流和速度檢測(cè)電路，圖5中+S 3.3 V為控制器控制電源。

圖3 IR2136驅(qū)動(dòng)電路Fig.3 IR2136 drive circuit

圖4 電流檢測(cè)電路Fig.4 Current detection circuit

圖5 速度檢測(cè)電路Fig.5 Speed detection circuit

2 穩(wěn)定性試驗(yàn)與分析

系統(tǒng)由Stm32控制板發(fā)送指令給無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板控制直流無(wú)刷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，直流無(wú)刷電機(jī)通過(guò)外嚙合齒輪以及萬(wàn)向聯(lián)軸器與測(cè)功機(jī)聯(lián)接，如圖6所示[2]，直流無(wú)刷電機(jī)運(yùn)行的扭矩、轉(zhuǎn)速均直接在屏幕上顯示，通過(guò)驅(qū)動(dòng)直流加載電機(jī)模擬無(wú)刷直流電機(jī)的各種負(fù)載。

圖6 測(cè)功機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)Fig.6 Dynamometer experimental platform

將啟動(dòng)轉(zhuǎn)速設(shè)定在100 r/min，測(cè)試系統(tǒng)在不同負(fù)載下的啟動(dòng)可靠性。圖7為系統(tǒng)在2.5 N·m負(fù)載下的速度曲線，圖8為系統(tǒng)在8.5 N·m負(fù)載下的速度曲線。由圖可以看出，在2.5 N·m負(fù)載下，上升時(shí)間為170 ms，穩(wěn)定時(shí)間約為1.7 s，穩(wěn)定后轉(zhuǎn)速維持在100 r/min；在8.5 N·m負(fù)載下，上升時(shí)間為880 ms，穩(wěn)定時(shí)間約為4 s，穩(wěn)定后轉(zhuǎn)速維持在100 r/min。

圖7 2.5 N·m啟動(dòng)速度曲線Fig.7 2.5 N·m start speed curve

圖8 8.5 N·m啟動(dòng)速度曲線Fig.8 8.5 N·m start speed curve

圖9 速度響應(yīng)Fig.9 Speed response

圖10 模糊自適應(yīng)PID速度響應(yīng)Fig.10 Fuzzy adaptive PID speed response

圖9和圖10分別為沒(méi)有采用模糊自適應(yīng)PID算法和采用了模糊自適應(yīng)PID控制算法下的速度響應(yīng)，其中兩圖中的位置1表示突然增加2.4 N·m負(fù)載加載瞬間。圖9中速度由101降低到84而后逐漸穩(wěn)定到100 r/min，圖10中速度由101降低到79而后逐漸穩(wěn)定到103 r/min。位置2表示突然減輕負(fù)載，圖9中速度由101增加到115而后逐漸穩(wěn)定到99 r/min，圖10中速度由101增加到118而后逐漸穩(wěn)定到101 r/min。可以看出兩者曲線變化近似一致，圖10中速度更好地跟隨了負(fù)載變化，且能穩(wěn)定在恒定速度。

圖11，12分別為沒(méi)有采用模糊自適應(yīng)PID算法和采用了模糊自適應(yīng)PID算法的電流響應(yīng)，兩圖中的位置1表示啟動(dòng)電流，圖11中啟動(dòng)電流約為8 A，圖12中啟動(dòng)電流約為1 A,可以看出，采用了模糊自適應(yīng)PID的雙閉環(huán)控制算法較好地控制了啟動(dòng)電流。兩圖中的位置2表示突然增加負(fù)載，位置3表示突然減輕負(fù)載到空載。可以看出，相對(duì)于圖11，12對(duì)于負(fù)載的變化較明顯，電流(轉(zhuǎn)矩)能較好地跟隨負(fù)載變化，并且能較好地穩(wěn)定在相應(yīng)的數(shù)值上。

圖11 電流響應(yīng)Fig.11 Current response

圖12 模糊PID電流響應(yīng)Fig.12 Fuzzy PID current response

將系統(tǒng)分別在較低速和較高速情況下通過(guò)直流加載電機(jī)施加負(fù)載進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)電壓均為48 V。將轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在100 r/min，對(duì)系統(tǒng)施加負(fù)載多次測(cè)得數(shù)據(jù)，隨機(jī)選取兩組數(shù)據(jù)(1#和2#)，如表2所示。

表2 100 r/min加載試驗(yàn)1

將轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在300 r/min，對(duì)系統(tǒng)施加負(fù)載，試驗(yàn)電壓均為48 V,測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，隨機(jī)選擇兩組數(shù)據(jù)，記為1#和2#，如表3所示。試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在100和300 r/min轉(zhuǎn)速下施加負(fù)載，轉(zhuǎn)速相對(duì)穩(wěn)定，系統(tǒng)帶負(fù)載能力較好。將100以及300 r/min的兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，結(jié)果分別如圖13，14所示，可以看出系統(tǒng)一致性良好。

表3 300 r/min加載試驗(yàn)1

圖13 100 r/min數(shù)據(jù)擬合曲線Fig.13 100 r/min data fitting curve

圖14 300 r/min數(shù)據(jù)擬合曲線Fig.14 300 r/min data fitting curve

將轉(zhuǎn)速維持在300 r/min，突加最大負(fù)載，進(jìn)行多次試驗(yàn)，測(cè)試電壓均為48 V，測(cè)試系統(tǒng)過(guò)流保護(hù)能力，結(jié)果如表4所示。由結(jié)果看出，設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)在施加負(fù)載過(guò)程中，由于過(guò)載觸發(fā)了過(guò)流保護(hù)電路，電機(jī)轉(zhuǎn)速明顯下降，有效保護(hù)系統(tǒng)。對(duì)被測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度為0 r/min，堵轉(zhuǎn)最大轉(zhuǎn)矩為28 N·m，系統(tǒng)正常運(yùn)行，未出現(xiàn)故障。

表4 300 r/min 過(guò)流保護(hù)試驗(yàn)

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者研究了電動(dòng)輪式小車用輪轂電機(jī)控制系統(tǒng)的負(fù)載驅(qū)動(dòng)特性，并對(duì)其進(jìn)行了可靠性試驗(yàn)，從硬件和軟件兩方面對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)、調(diào)試和試驗(yàn)，改善無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的性能。系統(tǒng)在不同負(fù)載下啟動(dòng)性能良好，啟動(dòng)電流為1 A，在不同負(fù)載下維持穩(wěn)定速度運(yùn)行，當(dāng)過(guò)載導(dǎo)致電流過(guò)大時(shí)，觸發(fā)保護(hù)電路有效保護(hù)系統(tǒng)，堵轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)最大轉(zhuǎn)矩為28 N·m，堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)后系統(tǒng)未出現(xiàn)異常。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)帶負(fù)載能力良好，穩(wěn)定性高，安全可靠。