電動輪式移動小車驅(qū)動控制系統(tǒng)的研究

電動輪式移動小車驅(qū)動控制系統(tǒng)的研究

張鐵民，黃漢，黃鵬煥，電動汽車維修性能[j]農(nóng)業(yè)工程報告，2014年（19）：11-18。0需合理的軌跡跟蹤控制設(shè)置與模型電動輪式移動小車在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中用途廣泛,可用于運輸各種產(chǎn)品、搭載工具,減輕人的體力勞動,提高生產(chǎn)效率。輪式移動小車控制硬件系統(tǒng)目前主要采用AVR單片機、數(shù)字信號處理器(digitalsignalprocessor,DSP)和嵌入式微處理器(advancedriscmachines,ARM)等微控制芯片或上位機作為主控制器進(jìn)行電路設(shè)計,對于輪式移動小車的軌跡跟蹤控制則根據(jù)實際小車的運動學(xué)方程進(jìn)行設(shè)計。在實際負(fù)載變化和路況不同的情況下,還要考慮小車的動力學(xué)特性,合理的轉(zhuǎn)矩分配能增強小車的運行可靠性。在農(nóng)業(yè)應(yīng)用上,羅錫文等研制了農(nóng)用智能移動作業(yè)小車的模型,小車使用2個600W無刷直流電動機分別為2個前輪提供動力,模型采用兩輪驅(qū)動,前輪差速轉(zhuǎn)向;王友權(quán)等研制了自主導(dǎo)航和全方位轉(zhuǎn)向的農(nóng)用機器人,機器人采用四輪轉(zhuǎn)向,四輪驅(qū)動,電機使用直流有刷電機。巴西圣保羅大學(xué)研發(fā)的四輪獨立驅(qū)動,兩前輪獨立轉(zhuǎn)向,后輪固定的移動機器人用于農(nóng)田信息的采集,其驅(qū)動電機選用的是直流減速電機。目前用于電動輪式移動小車的電機控制器多采用上位機或微控制器,底層電機的驅(qū)動采用通用的電機驅(qū)動器。但是其電機多采用直流有刷電機,增加了機械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性;并且四輪小車若僅采用兩輪驅(qū)動,則現(xiàn)有的電機驅(qū)動器加上位機的控制難以與負(fù)載或環(huán)境變化相適應(yīng),也難以模塊化與進(jìn)一步的產(chǎn)品化。因此,本文設(shè)計了一種直接用于電動輪式移動小車的驅(qū)動控制系統(tǒng),該系統(tǒng)包含多電機控制器、無刷直流電機與有刷直流電機的驅(qū)動器,并且小車采用4個輪轂無刷直流電機作為驅(qū)動輪,不需經(jīng)過齒輪傳動環(huán)節(jié),直接承受由負(fù)載產(chǎn)生的阻力。1助推控制系統(tǒng)設(shè)計本文所設(shè)計的移動小車將來要用在農(nóng)業(yè)運輸或者蔬果收獲等各種農(nóng)務(wù)作業(yè),車架要在田間有較好的通過性能。這不但要求車架的寬度不能太大,而且也要求車架離地面高度不能過低,而且為了便于較高農(nóng)作物通過,車架中間留取較高、較寬的通道。因此所設(shè)計的移動小車車身高度為1.2m,左右輪間隔為0.9m,軸距為1.3m。小車使用了電壓為48V、容量為80Ah的鉛酸電池作為供電電源,車架與電池總質(zhì)量為150kg,額外額定載質(zhì)量250kg。小車限速20km/h,并且要求能在水泥路面、干泥土路面、斜坡和草地上穩(wěn)定可靠運行。本文研究的驅(qū)動控制系統(tǒng)包含主控制器STM32、直流電機驅(qū)動器和無刷直流電機驅(qū)動器,如圖1所示,該系統(tǒng)實現(xiàn)了驅(qū)動輪電子差速、轉(zhuǎn)矩分配和左右側(cè)轉(zhuǎn)向差角。根據(jù)上位機或手控板傳輸?shù)乃俣刃盘?轉(zhuǎn)向信號以及各種控制信號,通過主控制芯片STM32F103RCT6進(jìn)行解算,控制4臺無刷直流電機的速度、2臺直流電機的轉(zhuǎn)角,使得小車能實現(xiàn)行駛、轉(zhuǎn)向、平移、自轉(zhuǎn)和制動。1.1主控制芯片stm32f103rct6采用4臺48V,500W無刷直流輪轂電機作為驅(qū)動輪。根據(jù)輸入的速度信號,通過主控制芯片STM32F103RCT6進(jìn)行解算得出4個驅(qū)動輪各自的給定速度,進(jìn)而對4臺無刷直流輪轂電機進(jìn)行控制,如圖2所示。1.2pid控制算法轉(zhuǎn)向直流電機通過同步帶帶動蝸輪蝸桿減速器,從而驅(qū)動車輪繞著與輪胎接觸面的垂直軸轉(zhuǎn)動,如圖3所示。車輪采用比例積分微分(proportionintegrationdifferentiation,PID)控制算法控制轉(zhuǎn)向直流電機的轉(zhuǎn)角,由于蝸桿蝸輪具有自鎖作用,相當(dāng)于PID算法中的積分項,所以在PID算法中不再引入積分項。若轉(zhuǎn)向角的實際值接近設(shè)定值,突遇阻力,經(jīng)PID運算后的值不足以克服這個阻力,由于機械傳動的積分作用,輸出的轉(zhuǎn)向角則無法達(dá)到設(shè)定值,為此,當(dāng)檢測到實際角度值和設(shè)定角度值不一致且脈沖寬度調(diào)制(pulsewidthmodulation,PWM)占空比不為100%時,程序自動累加PWM的占空比值,以克服阻力,消除轉(zhuǎn)向角的靜態(tài)誤差。2移動車輛管理計劃2.1阿克曼轉(zhuǎn)向機構(gòu)的使用小車左轉(zhuǎn)時,采集的轉(zhuǎn)向信號轉(zhuǎn)換成左側(cè)輪子的左轉(zhuǎn)角度,采集的速度信號設(shè)定為左側(cè)輪子的速度;小車右轉(zhuǎn)時,采集的轉(zhuǎn)向信號轉(zhuǎn)換成右側(cè)輪子的右轉(zhuǎn)角度,采集的速度信號設(shè)定為右側(cè)輪子的速度。根據(jù)小車的運動方程,解算出另一側(cè)輪子的角度與速度信號。由于同側(cè)的前后電動輪的轉(zhuǎn)向機構(gòu)通過傳動軸連接,同側(cè)前后輪子的轉(zhuǎn)向角大小相同,轉(zhuǎn)向相反,故同側(cè)前后電動輪的速度相等。根據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向原理,得出以下方程:式中:l為左右輪的間隔,為0.9m;n為小車的軸距,為1.3m;θ為左輪的轉(zhuǎn)角,(°);?為右輪的轉(zhuǎn)角,(°);u為右輪轉(zhuǎn)速,r/min;v為左輪轉(zhuǎn)速,r/min。由于式(1)、式(2)中包含了三角函數(shù),在STM32控制器里直接進(jìn)行運算會占用較長時間,為此,對式(1)、式(2)分別進(jìn)行多項式擬合,得到式(3)、式(4)。當(dāng)一側(cè)的角度確定后,代入擬合后的方程,得出另一側(cè)的角度值,再經(jīng)平移與伸展得出另一側(cè)與角度傳感器對應(yīng)的角度設(shè)定值。式中:x為小車一側(cè)的角度值;y為小車另一側(cè)的角度值;1x為輸入的角度值設(shè)定值;1y為解算后的角度值設(shè)定值。2.2速度閉環(huán)控制由于對驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接測量,實現(xiàn)起來較為復(fù)雜,速度控制的本質(zhì)是控制轉(zhuǎn)矩,因為轉(zhuǎn)速是驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的綜合作用后的直接結(jié)果,外界的干擾(如路面情況,遇到障礙物等)導(dǎo)致驅(qū)動電機速度的變化,控制器對每個輪子的速度進(jìn)行檢測,可獲知每個輪子負(fù)載的變化情況,控制器根據(jù)采集的速度信息對各個驅(qū)動電機的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié),從而對每個驅(qū)動電機進(jìn)行轉(zhuǎn)矩分配控制,最終使每個驅(qū)動輪的速度維持在給定值。故在本系統(tǒng)中,對4個無刷直流輪轂電機進(jìn)行速度閉環(huán)控制。采用非交叉耦合控制算法,依次對4臺電機進(jìn)行調(diào)節(jié),電機調(diào)節(jié)程序不斷循環(huán),由于小車有較大的慣性,程序循環(huán)1次所用時間遠(yuǎn)小于小車的時間常數(shù),從實際效果上看,4臺無刷直流電機能夠同步運轉(zhuǎn)。2.3電機啟動時的預(yù)啟動力由于電動輪受到的最大靜摩擦力比滾動摩擦力大,所以啟動時的電動輪負(fù)載轉(zhuǎn)矩要比啟動后的負(fù)載轉(zhuǎn)矩要大。對于輪轂型直驅(qū)電機而言,因不經(jīng)過減速環(huán)節(jié),電機在負(fù)載較大時較難啟動。因此,在電機啟動時,需要在主控制器中編寫電機啟動算法,即可施加額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)的預(yù)啟動力矩,當(dāng)檢測到上一時刻電機速度為0且當(dāng)前時刻輸入速度不為0,則執(zhí)行啟動程序,否則不執(zhí)行。預(yù)啟動力矩可根據(jù)實際需要靈活調(diào)整啟動大小,在需要平滑啟動,或者防止啟動電流過大情況下可調(diào)小預(yù)啟動力矩。3無刷直流電機功率控制裝置的電路設(shè)計3.1h-dm-l-oh控制器采用單片機ATMEGA48PA控制換相,ATMEGA48PA通過串口以中斷方式接收來自主控制器STM32的占空比信號,H-PWM-L-ON調(diào)制,以利于給驅(qū)動芯片中的自舉電容充電。采用雙光耦HCPL2631將ATMEGA48PA單片機與動力電源隔離。3.2熔絲和驅(qū)動電路三相逆變電路的一相電路如圖4所示。本文選用的無刷電機功率為500W,額定電壓為48V,額定電流為12A,啟動電流為額定電流的2倍,同時還應(yīng)留有2倍至3倍的余量,開關(guān)管額定電流不能小于70A,因此本文選擇功率場效應(yīng)管FQA140N10,其電壓等級為100V,額定電流為140A。為了保護(hù)功率場效應(yīng)管,減少在開關(guān)過程中場效應(yīng)管承受的電壓應(yīng)力,在開關(guān)管兩端并聯(lián)電容0.01μF,電壓等級為1kV;并且在無刷直流電機相線對地并聯(lián)浪涌吸收器(壓敏電阻)14D680,在直流電源側(cè)并聯(lián)瞬態(tài)抑制二極管P6KE68,其功率為600W,電壓為68V。在主回路采用了熔絲保護(hù)后級電路。熔絲分為慢熔熔絲和快熔熔絲,2種熔絲在電流達(dá)到額定的100%時,最小熔斷時間為4h,在電流達(dá)到額定的135%時,最大熔斷時間為1h,區(qū)別在于當(dāng)電流達(dá)到額定的200%時,快熔熔斷時間最大為5s,而慢熔熔斷時間為5~120s。最終經(jīng)調(diào)試選擇10A快熔玻璃管熔絲。選擇保險的同時要選擇保險管座,在選擇時要考慮保險的發(fā)熱量,因為保險的原理是靠通過保險的電流的發(fā)熱量來熔斷保險,從而對電路進(jìn)行保護(hù)的,在保險的額定電流以下,電流越大,發(fā)熱越大,因此,保險管座應(yīng)能承受保險的發(fā)熱量而不至燒熔,在這里需要選擇耐溫80℃的保險管座。驅(qū)動電路采用半橋驅(qū)動芯片IR2113驅(qū)動場效應(yīng)管FQA140N10,IR2113的高端輸出級開關(guān)管耐壓為600V,輸出電流可達(dá)2A,有輸出信號關(guān)斷功能(IR2113芯片邏輯電平關(guān)閉SD引腳),在發(fā)生過流時迅速關(guān)斷開關(guān)管驅(qū)動信號,保護(hù)開關(guān)管與電機。采用22μF的自舉電容驅(qū)動高端場效應(yīng)管FQA140N10。由于IR2113的SD信號具有鎖存功能,當(dāng)其為高電平時(有可能保護(hù)電路觸發(fā),也有可能啟動時脈沖干擾觸發(fā)),要到下一周期PWM才能恢復(fù)正常輸出,將導(dǎo)致電機啟動不可靠,故將下橋改為PWM,同時要兼顧給自舉電容足夠的充電時間,所以占空比設(shè)為98%,但此占空比一直不變,調(diào)制方式本質(zhì)上仍為H-PWM-L-ON。當(dāng)電機運轉(zhuǎn)異常時(如堵轉(zhuǎn)等),在驅(qū)動芯片IR2113的下橋臂驅(qū)動電路中,下橋臂開關(guān)管會出現(xiàn)燒毀的情況。其原因為在出現(xiàn)電機堵轉(zhuǎn)時,相電壓變化率很大,通過漏極與門極間的寄生電容使電機儲存的能量涌進(jìn)驅(qū)動電路。為此,對IR2113驅(qū)動電路進(jìn)行改進(jìn),把電路中的穩(wěn)壓管換成瞬態(tài)抑制二極管TVS管,吸收瞬時大電壓,以求達(dá)到更好的保護(hù)效果。3.3開關(guān)信號失能電流保護(hù)電路采用運放LM358搭建成差分運算放大器,其中電流采樣電阻采用2個直徑為1mm,長度為10cm的康銅絲并聯(lián),并聯(lián)后電阻值為0.03?。當(dāng)電流超過門限值時,運算放大器輸出的信號會觸發(fā)IR2113的SD功能,即開關(guān)信號失能。若設(shè)定值繼續(xù)加大或負(fù)載增加,由于算法的作用,使PWM信號變?yōu)?00%,由于IR2113的鎖存功能,電機會減速至0。3.4加工后的雙向因果關(guān)系無刷直流電機的速度檢測是利用了電機內(nèi)部霍爾傳感器輸出的脈沖信號,無需額外增加光電編碼器,一路霍爾頻率與轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。三路霍爾信號分別通過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器HCF4098變窄后再經(jīng)三輸入與非門芯片74LS10疊加,如圖5所示,疊加后提高測量精度。霍爾傳感器的頻率信號通過頻壓轉(zhuǎn)換芯片LM2917轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓信號送至主控制器(STM32)。4試驗結(jié)果4.1電機轉(zhuǎn)速測試結(jié)果在測功機上對輪轂電機進(jìn)行性能試驗,用示波器記錄輪轂電機的速度曲線如圖6所示。其中橫坐標(biāo)表示時間,縱坐標(biāo)表示速度經(jīng)過測速電路轉(zhuǎn)換成的電壓信號。圖6a表示測功機模擬加載為5.1N·m時的速度響應(yīng)曲線,圖6b表示測功機模擬加載為9.5N·m時的速度響應(yīng)曲線?？梢钥闯?在2~3s內(nèi)無刷直流驅(qū)動控制系統(tǒng)能控制電機的轉(zhuǎn)速盡快地穩(wěn)定在預(yù)設(shè)值,有良好的動態(tài)性能。在測功機上對輪轂電機進(jìn)行模擬加載試驗,表2為在不同加載轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速值,從表2中看出轉(zhuǎn)矩從3.2N·m變化至12.1N·m,轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定在240r/min。試驗證實了設(shè)計的驅(qū)動控制系統(tǒng)能很好地對無刷直流電機的速度進(jìn)行閉環(huán)控制,最大程度減小靜態(tài)誤差,有良好的靜態(tài)性能。4.2傳動齒輪效率計算表3為不同輸入功率點的電壓、電流、輸入功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、輸出功率和效率,其中輪轂電機的傳動齒輪效率按85%折算。從表3可以看出,電機在各個功率點均能穩(wěn)定工作,輸出功率為471.1W左右時,效率最高達(dá)86.7%。4.3驅(qū)動電路的保護(hù)參照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)可靠性試驗方法》進(jìn)行無刷直流電機的可靠性試驗。1)由于電機啟動時需要較大的啟動轉(zhuǎn)矩和較短的啟動時間,為了驗證所設(shè)計的啟動算法是否可靠,對電機進(jìn)行頻繁啟動,循環(huán)啟動800次,均能順利啟動,沒有發(fā)現(xiàn)啟動失效的現(xiàn)象。2)屏蔽保護(hù)回路,讓電機堵轉(zhuǎn),在這種情況下,改進(jìn)后的電力場效應(yīng)管驅(qū)動電路無故障,而沒加保護(hù)的驅(qū)動電路在這種情況下芯片燒毀,證實驅(qū)動電路的保護(hù)是有必要的而且是有效的。3)對電機加載至13A,保護(hù)電路能對驅(qū)動電路進(jìn)行可靠保護(hù),電機停轉(zhuǎn)后能重新啟動,重復(fù)性好。4)對電機進(jìn)行堵轉(zhuǎn)試驗,堵轉(zhuǎn)前電機速度為0,堵轉(zhuǎn)最大轉(zhuǎn)矩為28N·m,在發(fā)生堵轉(zhuǎn)的情況下保護(hù)驅(qū)動電路,使電流不超過電流限定值,堵轉(zhuǎn)試驗結(jié)束后電機正常運轉(zhuǎn)。5)在電機工作電壓48V、電流10.5A、轉(zhuǎn)矩10.5N·m、轉(zhuǎn)速345r/min的情況下,電機軸輸出功率為450W(齒輪傳動效率按85%折算)。為了驗證所設(shè)計的驅(qū)動硬件系統(tǒng)能否長時間的工作,以及隨著工作時間的變化,系統(tǒng)能否正常的工作,對本課題開發(fā)的無刷直流電機驅(qū)動控制系統(tǒng)進(jìn)行耐久試驗400h,環(huán)境溫度為11℃,開關(guān)管的平均溫度為42.5℃,溫升(術(shù)語:電子電氣設(shè)備中的各個部件高出環(huán)境的溫度)為31.5℃,輪轂電機表面溫度為25℃,溫升為14℃,試驗過程中電機驅(qū)動控制系統(tǒng)及電機無故障,試驗結(jié)束后電機驅(qū)動控制系統(tǒng)及電機能重新正常工作。4.4試驗驗證結(jié)果為了驗證轉(zhuǎn)向控制的準(zhǔn)確性,對一側(cè)轉(zhuǎn)向電機進(jìn)行測量,如表4所示。實際值由角度傳感器測量得出,從表4看出,實際值與設(shè)定值最大誤差為23mV,當(dāng)設(shè)定電壓為1.841V時,輪子處于右偏3.9°。通過試驗調(diào)試,當(dāng)輪子處于直走位置時,測量出設(shè)定值為1.834V,實際值為1.792V。測量結(jié)果表明轉(zhuǎn)向電機角度控制準(zhǔn)確。4.5內(nèi)外側(cè)車輪轉(zhuǎn)速比例對小車進(jìn)行原地轉(zhuǎn)彎試驗,在試驗中,4個輪子分別染上顏料,讓小車自轉(zhuǎn)一周,形成小車電動輪內(nèi)圓和外圓的運動軌跡。從圖7a中可看出,前后輪走過的軌跡基本一致。其中,內(nèi)側(cè)和外側(cè)輪子的轉(zhuǎn)角分別為35.4°和16.9°,轉(zhuǎn)速分別為26.5和52.9r/min。以內(nèi)側(cè)輪子轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速為基準(zhǔn),測量得出兩圓圓心基本重合,內(nèi)圓和外圓直徑分別為198和360cm。根據(jù)內(nèi)外圓的周長比例,理論上內(nèi)外側(cè)輪子的轉(zhuǎn)速比例應(yīng)為0.55,實際的內(nèi)外側(cè)輪子轉(zhuǎn)速比例為0.50。試驗表明,通過測量小車在原地轉(zhuǎn)彎時的輪子軌跡,驗證了左右側(cè)輪子轉(zhuǎn)角差和轉(zhuǎn)速差滿足實際的要求,以及阿克曼方程參數(shù)的準(zhǔn)確性,證明小車轉(zhuǎn)向驅(qū)動控制系統(tǒng)具有較好的自轉(zhuǎn)功能和可靠性。4.6試驗系統(tǒng)及仿真根據(jù)小車結(jié)構(gòu)的參數(shù)以及驅(qū)動電機的功率(單個輪轂電機為500W)計算得出:小車在負(fù)載250kg情況下,理論的最大的爬坡度為8.2°。在小車空載情況下進(jìn)行爬坡試驗,坡度為8°,驅(qū)動電機總電流為22~26A,如圖7b所示。小車在草地上行駛?cè)鐖D7c所示。試驗過程中,小車速度設(shè)定值不變,驅(qū)動輪能自動加大輸出轉(zhuǎn)矩,從而在草地上正常運行。試驗證明小車在坡地和草地上時,小車依據(jù)速度設(shè)定值穩(wěn)定運行,工作電流在最大限流值以下,每個輪子均可克服不同的外部擾動或阻力,即當(dāng)每個輪子在遭遇到不同的路面情況時,能維持設(shè)定的速度,并且當(dāng)某一個輪子處于離地狀態(tài)時,其余輪子仍能進(jìn)行有效的驅(qū)動,由此驗證了對4個輪子獨立實施的速度閉環(huán)驅(qū)動控制是有效的。4.7運行載荷及運行情況小車在4~6km/h速度在水泥路面帶載荷勻速行駛,測得電流平均值與載荷量的關(guān)系如圖8所示。小車使用的鉛酸電池容量為80Ah,在空載情況下在水泥路面低速勻速(4~6km/h)運行時,電流約為5~7A,小車在空載時能連續(xù)運行8~10h。試驗中對小車載重為250kg,測得低速勻速運行時總電流為18~2