[摘要]為了提高三維穿梭車的控制精度，減小控制誤差，獲得更好的伺服性能，通過對多軸同步控制策略進行研究，利用Matlab搭建伺服電機基于PI調(diào)節(jié)的雙閉環(huán)矢量控制模型和基于虛擬主軸結構的同步控制模型，并利用CoDeSys平臺搭建基于虛擬主軸控制模型的實驗環(huán)境，對比仿真與實驗的結果，研究驗證基于虛擬主軸同步控制模型在三維穿梭車控制系統(tǒng)中的適用性。研究表明，采用基于PI調(diào)節(jié)的虛擬主軸同步控制模型后，穿梭車各軸到達穩(wěn)態(tài)的時間在0.05s，超調(diào)量不超過2%，同步誤差調(diào)節(jié)時間不超過0.5s，具有實時性好同步性高抗干擾性強的控制效果，可以應用于三維穿梭車非線性多耦合的控制系統(tǒng)。

[關鍵詞]三維穿梭車;多軸同步;虛擬主軸

[中圖分類號]TH692.3

[文獻標識碼]A

[文章編號]1005-152X（2022）02-0119-05

[收稿日期]2021-11-02

[作者簡介]倪昊（1997-），男，安徽六安人，碩士研究生，研究方向：自動化控制。

0引言

隨著智能智控技術的快速發(fā)展，物流倉儲模式已發(fā)展到智能化倉儲階段，大量基于自動化和人工智能技術的無人倉儲車投入到了物流倉儲系統(tǒng)中[1]。目前，已有許多學者針對無人倉儲車做了大量研究，并提出了多種倉儲效率較高的有軌穿梭車[2-4]。但是，由于這些穿梭車都是在一維巷道或者二維平面軌道上運行，所以對穿梭車控制系統(tǒng)的研究也都只局限于4軸的同步控制[5-7]。為了更大程度地發(fā)揮穿梭車本身的運動能力，進一步提高倉儲效率，本文提出一種具有更高智能化和自動化的新型三維立體倉庫穿梭車，其結構和工作方式如圖1所示。

這種新型的穿梭車不僅可以在頂層或底層貨架上實現(xiàn)平面運動，還可以通過車輪上的齒輪和貨架上的齒條嚙合實現(xiàn)在垂直巷道上的爬升運動。為了實現(xiàn)這種自動化程度更高的穿梭車系統(tǒng)，就需要對多軸同步控制策略進行研究，從而實現(xiàn)8個電機的同步控制。

現(xiàn)以三維穿梭車的控制系統(tǒng)為研究對象，結合現(xiàn)有的多軸同步控制策略理論，利用Matlab自底向上搭建穿梭車多軸控制仿真模型，并利用CoDeSys平臺搭建穿梭車實驗控制系統(tǒng)，對比兩種環(huán)境在典型測試輸入下的結果，旨在研究出一種適用于三維穿梭車多軸同步控制系統(tǒng)的控制模型。

1伺服電機建模

1.1建模參數(shù)確定

永磁同步電機結構簡單、體積小、功率因數(shù)高，所以穿梭車控制系統(tǒng)選用其作為底層執(zhí)行機構。根據(jù)選型計算選用步科某型號伺服電機，其電機參數(shù)見表1。

1.2電機仿真模型搭建

根據(jù)電機參數(shù)，在建模假設下[8]，通過矢量控制技術進行坐標變換[9]，在Matlab中進行模型搭建，得出伺服電機基于PI調(diào)節(jié)的雙閉環(huán)矢量控制模型，其仿真模型結構如圖2所示。

圖2中所建立的仿真模型采用了PI調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)電機電流和轉速，其電流環(huán)PI控制器參數(shù)可通過下面公式來整定[10]。

其中：Kpd-d軸電流環(huán)比例增益;Kid-d軸電流環(huán)積分增益;

Ld-d軸相電感;

Kpd-q軸電流環(huán)比例增益;

Kid-q軸電流環(huán)積分增益;

Lq-q軸相電感;

Rs-相電阻;

α-電流環(huán)帶寬;

τe-電時間常數(shù)。

由于電機繞組對稱且電機相電阻是線電阻的一半，所以d軸和q軸計算出的PI參數(shù)是一樣的。根據(jù)電機參數(shù)計算出電流環(huán)參數(shù)Kpd（Kpq）、Kid（Kiq）分別為1.03和499.32。對于轉速環(huán)PI調(diào)節(jié)器，其參數(shù)滿足以下公式。

其中：Kpw-轉速環(huán)比例增益;

Kiw-轉速環(huán)積分增益;

β-轉速環(huán)期望的頻帶帶寬;

φf-轉子磁場的等效磁鏈;

J-轉子轉動慣量;

pn-極數(shù)。

根據(jù)電機參數(shù)計算得出轉速環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)Kpw、Kiw分別為0.0973和30.55。

2多軸同步控制策略

2.1控制策略性能分析

目前，電機同步控制方式一般可分為：非耦合控制方式和耦合式控制方式兩種。基于多電機非耦合的控制方式主要包括并行控制、主從同步控制;基于多電機耦合的控制方式可分為虛擬主軸控制、交叉耦合控制、偏差耦合控制[11]。但是，現(xiàn)存已有的同步控制策略多數(shù)是針對控制軸為2軸或3軸的情況下提出來的，在控制軸大于3軸的控制系統(tǒng)中往往難以使用。為了研究適用于三維穿梭車控制系統(tǒng)的多軸同步控制策略，對各個控制策略進行研究，分析各控制策略的控制性能及優(yōu)缺點，見表2[12]。由表2中數(shù)據(jù)可以看出，并行同步控制和主從同步控制雖然可以應用于多個控制軸的控制系統(tǒng)，但是在受到干擾信號時，同步性能極差。交叉耦合控制和偏差耦合控制雖然對外界干擾有較強的抵抗能力，但是其算法復雜，在用于電機數(shù)大于3軸的控制系統(tǒng)時，在線計算量極大，會造成系統(tǒng)紊亂，導致同步性能變差。對于虛擬主軸同步控制策略下的控制系統(tǒng)，由于各從軸直接與主軸進行耦合，主從軸間相互影響，所以從軸對主軸的跟隨誤差小，超調(diào)量也較小，同時具有抗干擾能力，在受到干擾時仍能保持各軸間的同步。對于虛擬主軸控制對干擾作出的反應是以犧牲目標轉速來換取軸間同步的問題，可在虛主軸上引入閉環(huán)PI控制器，實時根據(jù)檢測到的實際轉速來調(diào)節(jié)目標轉速信號量的輸入。因此，初步采用基于PI控制的虛擬主軸同步控制模型進行三維穿梭車控制系統(tǒng)的搭建。

2.2虛擬主軸控制仿真模型搭建

虛擬主軸同步控制模型是根據(jù)機械式主軸控制演化來的，其結構如圖3所示[13]。

根據(jù)其結構原理圖可知，虛軸作為主軸對作為從軸的實軸進行控制，同時從軸經(jīng)過反饋將自身狀態(tài)傳遞給主軸形成耦合環(huán)。結合表1的電機參數(shù)，并對圖2中的電機模型進行簡化封裝，在虛軸上引入PI控制器，搭建8電機虛擬主軸同步控制模型，如圖4所示。

從仿真模型可以看出，虛軸位于控制系統(tǒng)的最頂層，直接接收整個系統(tǒng)的信號輸入。其余實軸的輸入信號來自虛軸的輸出信號，并將自身輸出信號經(jīng)過處理反饋給虛軸。

3穿梭車控制系統(tǒng)搭建

3.1硬件系統(tǒng)建立

三維穿梭車控制系統(tǒng)是一個非線性、多耦合、高精度的復雜控制系統(tǒng)，所以需要選用合適的控制器對控制過程中的信號進行精確地在線計算。為了能實現(xiàn)高速處理信息數(shù)據(jù)的需求，選用基于CoDeSys（Controlled Development System）平臺開發(fā)的匯川AC801控制器（PLC）作為多軸控制系統(tǒng)的主控部分。PLC和伺服系統(tǒng)通過EtherCAT通訊進行交互，搭建硬件系統(tǒng)如圖5所示。

3.2實驗控制系統(tǒng)建立

三維穿梭車的實驗系統(tǒng)建立在CoDeSys軟件平臺下，根據(jù)硬件系統(tǒng)搭建組態(tài)網(wǎng)絡，利用ST和CFC語言將虛擬主軸同步模型進行實現(xiàn)。虛軸和實軸的運動控制程序如圖6和圖7所示。

從控制程序中可以看出，虛軸和實軸都通過MC_Power和SMC_FollowVelocity模塊進行使能驅動。虛軸輸入信號為整個系統(tǒng)的輸入信號，并通過PID_FIXCYCLE模塊進行PID調(diào)節(jié)，并將輸出速度信號傳遞給實軸。

4結果分析

在利用Matlab搭建的仿真模型中，設置輸入為單位階躍信號，仿真時間設置為0.15s，在0.075s施加擾動脈沖。在實驗系統(tǒng)中，施加相同的階躍輸入信號，實驗時間設定為15s，并在7.5s施加擾動脈沖。其中，擾動脈沖直接施加在位于穿梭車對稱軸一側的4臺電機上（電機1、2、3、8），另一側的4臺電機（電機4、5、6、7）和虛軸不受干擾直接作用影響，如圖8所示。

其仿真和實驗結果如圖9和圖10所示。

對比仿真和實驗結果可以得出，基于虛擬主軸控制模型搭建的穿梭車控制系統(tǒng)在跟隨輸入信號時幾乎不產(chǎn)生超調(diào)，超調(diào)量不超過2%，且信號跟隨迅速，進入穩(wěn)態(tài)只需0.05s。另外，在受到外界干擾時，由于各實軸和虛軸相互耦合，其中4個受干擾直接作用的實軸會將擾動信號傳遞給虛軸，并且虛軸會對這些擾動信號做出均值處理，然后減小自身轉速來適配干擾產(chǎn)生的作用。同時，虛軸會將處理后的輸出信號作用于另外4個未受干擾的實軸，未受干擾的實軸也會降低轉速來適配這種影響，以此來達到一定的同步性。通過各軸轉速曲線數(shù)據(jù)計算出受干擾軸和未受干擾軸之間的轉速差，其仿真和實驗結果如圖11和圖12所示。

從圖11和圖12所示的結果可以看出，由于慣性造成的滯后性，只會在受到干擾的瞬間產(chǎn)生較大的轉速差，但經(jīng)過虛擬主軸控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，會在不到0.5s的時間內(nèi)消除這種誤差以達到同步。

5結語

對于三維穿梭車這種新型RGV控制系統(tǒng)的建立，經(jīng)過分析比較不同結構控制模型的優(yōu)缺點，確立了使用基于PI控制的虛擬主軸同步控制模型。研究表明，利用基于PI控制的虛擬主軸同步控制模型搭建的三維穿梭車控制系統(tǒng)，在控制性能中表現(xiàn)出很好的跟蹤性和極小超調(diào)的平緩性，同時在面對外界干擾時表現(xiàn)出良好的抗干擾能力，能迅速調(diào)節(jié)擾動造成的誤差來達到同步。該研究成果為這種需要多軸同步控制的三維穿梭車復雜控制系統(tǒng)的建立提供了一定的思路和研究方法。

[參考文獻]

[1]宋詩一.智能制造背景下智能倉儲系統(tǒng)探究[J].電子制作，2020（18）：84-86.

[2]張賀龍.往復式穿梭車控制系統(tǒng)研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2016.

[3]陳光明，李祥森，駱敏舟，等.四向穿梭車的結構設計與分析[J].現(xiàn)代制造技術與裝備，2021，57（4）：1-3.

[4]王璐瑤，馬文凱，吳耀華.基于Robot輸送的多層穿梭車倉儲系統(tǒng)設計與性能分析[J].機械設計，2020，37（4）：10-15.

[5]張毓蘭.面向成品糧倉的四向穿梭車結構設計與控制系統(tǒng)研究[D].鄭州：河南工業(yè)大學，2020.

[6]陳芳.密集存儲系統(tǒng)中穿梭車的控制系統(tǒng)研究及其應用[D].北京：機械科學研究總院，2019.

[7]戴警.智能穿梭車結構及其伺服控制系統(tǒng)的設計優(yōu)化[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2018.

[8]黃文軍.多伺服電機協(xié)同控制關鍵技術研究[D].上海：東華大學，2017.

[9]蔣毅.多永磁電機傳動系統(tǒng)的同步控制策略研究[D].杭州：浙江大學，2014.

[10]袁雷.現(xiàn)代永磁同步電機控制原理及MATLAB仿真[M].北京：北京航空航天大學出版社，2016.

[11]秦悅.多軸耦合系統(tǒng)同步控制方法研究[D].長春：長春工業(yè)大學，2018.

[12]葉宇豪，彭飛，黃允凱.多電機同步運動控制技術綜述[J].電工技術學報，2021，36（14）：2922-2935.

[13]季明逸，游有鵬.基于虛擬主軸法的同步控制策略研究[J].機電一體化，2012，18（8）：36-41.