電動輪式畜禽巡檢車負載驅動試驗及分析*

張鐵民， 張衡超， 陳 輝， 梁 莉

(1.華南農業大學工程學院 廣州,510642) (2.國家生豬種業工程技術研究中心 廣州,510642 )

引 言

電動輪式移動平臺在工業、農業生產過程中的應用越來越廣泛，電動輪式移動平臺不但可以在生產過程中減輕勞動力，提高生產效率，而且采用電池作為動力電源，具有少污染等環保特性，防止農藥、化肥等對人體的傷害[1-2]。以電動輪式移動平臺為基礎，開發應用于工農業等領域的作業機器 ，是替代人類從事高強度體力勞動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點，必將成為未來工農業裝備發展的重點方向。

陳亮等[3]以永磁無刷直流電機為控制對象，提出了一種基于平均速度的雙電機協調控制策略，但僅研究低速雙電機的控制，不夠全面。張京等[4]研究了農用輪式機器人，采用四輪獨立轉向驅動控制系統，具有更好的復雜路況適應能力，但缺少電流、轉速的反饋，控制不夠精準。文獻[5-8]為輪轂電機驅動的電動汽車設計動力總成試驗臺，利用該平臺對輪轂電機驅動電動汽車的性能和整車控制策略測試，但其測試對象比較局限，只能測量輪轂電機[9-12]。

筆者在自主研制的電動輪移動平臺基礎上，對其穩定性進行研究，優化其硬件電路，采用雙閉環控制對電機轉速轉矩進行了優化，并在測功機平臺上進行試驗驗證其穩定性。

1 控制系統設計

1.1 速度、電流雙閉環控制系統設計

速度、電流雙閉環控制系統如圖1[2]，速度調節器作為控制系統的主要調節器，使輸出速度能快速的跟隨給定速度的變化，可以減小穩態誤差，抑制速度波動，對負載變化起抗擾作用。電流調節器作為控制內環的調節器，使電流及時跟隨速度環的輸出而變化，對電壓的波動起及時抗擾的作用。當電機出現過載堵轉時，電流環能夠限制電樞電流的最大值，起自動保護作用，當故障消失后，控制系統能立即自動恢復正常運行狀態。

圖1 無刷直流電機的雙閉環控制結構圖Fig.1 Double closed-loop control structure of brushless DC motor

1.2 模糊自適應PID控制系統設計

模糊自適應PID的設計過程主要分為模糊化、模糊推理和模糊規則及反模糊化3個步驟。

結合本研究可得出ΔKP，ΔKI，ΔKD的模糊控制規則分別表1所示。其中：負大(NB)、負中(NM)、負小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)和正大(PB)分別對應7，6，5，4，3，2，1。；e為誤差量，ec為誤差變化量。

表1 ΔKP，ΔKI，ΔKD模糊控制規則表

選用重心法進行反模糊化

(1)

其中:uB(y)為模糊輸出集合。

經過反模糊計算后，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個新整定的參數，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。

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PID參數表達式為

(3)

1.3 系統硬件設計

無刷直流電機驅動控制系統硬件部分主要包括無刷直流電機驅動電路、速度檢測電路和電流檢測電路。控制器采用STM32F103ZET6作為主控制器，負責輸出控制指令以及采集反饋信號并分析處理。系統硬件電路構成如圖2所示。

圖2 系統硬件構成Fig.2 System hardware structure

驅動電路采用IR2136構成， 如圖3所示。IR2136為全橋驅動芯片，通過IR2136可以控制Q1～Q66個MOS管的導通與關斷來驅動電機運轉，并且其內置死區控制，防止上下橋臂MOS管同時導通造成電路的燒毀。圖4和圖5分別為電流和速度檢測電路，圖5中+S 3.3 V為控制器控制電源。

圖3 IR2136驅動電路Fig.3 IR2136 drive circuit

圖4 電流檢測電路Fig.4 Current detection circuit

圖5 速度檢測電路Fig.5 Speed detection circuit

2 穩定性試驗與分析

系統由Stm32控制板發送指令給無刷直流電機驅動電路板控制直流無刷電機運轉，直流無刷電機通過外嚙合齒輪以及萬向聯軸器與測功機聯接，如圖6所示[2]，直流無刷電機運行的扭矩、轉速均直接在屏幕上顯示，通過驅動直流加載電機模擬無刷直流電機的各種負載。

圖6 測功機試驗平臺Fig.6 Dynamometer experimental platform

將啟動轉速設定在100 r/min，測試系統在不同負載下的啟動可靠性。圖7為系統在2.5 N·m負載下的速度曲線，圖8為系統在8.5 N·m負載下的速度曲線。由圖可以看出，在2.5 N·m負載下，上升時間為170 ms，穩定時間約為1.7 s，穩定后轉速維持在100 r/min；在8.5 N·m負載下，上升時間為880 ms，穩定時間約為4 s，穩定后轉速維持在100 r/min。

圖7 2.5 N·m啟動速度曲線Fig.7 2.5 N·m start speed curve

圖8 8.5 N·m啟動速度曲線Fig.8 8.5 N·m start speed curve

圖9 速度響應Fig.9 Speed response

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

圖9和圖10分別為沒有采用模糊自適應PID算法和采用了模糊自適應PID控制算法下的速度響應，其中兩圖中的位置1表示突然增加2.4 N·m負載加載瞬間。圖9中速度由101降低到84而后逐漸穩定到100 r/min，圖10中速度由101降低到79而后逐漸穩定到103 r/min。位置2表示突然減輕負載，圖9中速度由101增加到115而后逐漸穩定到99 r/min，圖10中速度由101增加到118而后逐漸穩定到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載變化，且能穩定在恒定速度。

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

圖11 電流響應Fig.11 Current response

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

將系統分別在較低速和較高速情況下通過直流加載電機施加負載進行試驗，試驗電壓均為48 V。將轉速穩定在100 r/min，對系統施加負載多次測得數據，隨機選取兩組數據(1#和2#)，如表2所示。

表2 100 r/min加載試驗1

將轉速穩定在300 r/min，對系統施加負載，試驗電壓均為48 V,測得試驗數據，隨機選擇兩組數據，記為1#和2#，如表3所示。試驗結果可以看出，在100和300 r/min轉速下施加負載，轉速相對穩定，系統帶負載能力較好。將100以及300 r/min的兩組數據進行線性擬合，結果分別如圖13，14所示，可以看出系統一致性良好。

表3 300 r/min加載試驗1

圖13 100 r/min數據擬合曲線Fig.13 100 r/min data fitting curve

圖14 300 r/min數據擬合曲線Fig.14 300 r/min data fitting curve

將轉速維持在300 r/min，突加最大負載，進行多次試驗，測試電壓均為48 V，測試系統過流保護能力，結果如表4所示。由結果看出，設計的雙閉環控制系統在施加負載過程中，由于過載觸發了過流保護電路，電機轉速明顯下降，有效保護系統。對被測系統進行堵轉試驗，電機運轉速度為0 r/min，堵轉最大轉矩為28 N·m，系統正常運行，未出現故障。

表4 300 r/min 過流保護試驗

3 結束語

筆者研究了電動輪式小車用輪轂電機控制系統的負載驅動特性，并對其進行了可靠性試驗，從硬件和軟件兩方面對無刷直流電機的控制器進行設計、調試和試驗，改善無刷直流電機運轉時的性能。系統在不同負載下啟動性能良好，啟動電流為1 A，在不同負載下維持穩定速度運行，當過載導致電流過大時，觸發保護電路有效保護系統，堵轉運行時最大轉矩為28 N·m，堵轉試驗后系統未出現異常。結果表明，設計的無刷電機驅動控制系統帶負載能力良好，穩定性高，安全可靠。