AGV低壓伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周炎生

摘? ?要：目前，關(guān)于AGV伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究比較少，而AGV驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高性能是物流高效穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。文章對(duì)AGV驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理進(jìn)行分析，選擇高效率、高精度的永磁同步電機(jī)應(yīng)用于AGV，針對(duì)AGV采用蓄電池供電的特點(diǎn)，選擇低電壓設(shè)計(jì)方案。首先闡述了低壓伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)控制策略及電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理，然后對(duì)AGV低壓伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了硬件和軟件方面的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠高效、穩(wěn)定地運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：低壓伺服驅(qū)動(dòng);永磁同步電機(jī);AGV

隨著柔性制造系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和物流自動(dòng)化運(yùn)輸系統(tǒng)的快速發(fā)展，自動(dòng)導(dǎo)航車（Automated Guided Vehicle，AGV）在物流市場(chǎng)上占據(jù)著越來(lái)越重要的地位。目前，絕大部分研究都是關(guān)于AGV路徑規(guī)劃、AGV多機(jī)協(xié)作、AGV導(dǎo)航技術(shù)等方向，對(duì)AGV驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究較少。由于永磁同步電機(jī)具有高功率密度、高效率、高轉(zhuǎn)矩控制精度的優(yōu)點(diǎn)[1]，本研究選擇將永磁同步電機(jī)應(yīng)用于AGV，同時(shí)考慮到AGV小車采用蓄電池供電的特點(diǎn)，電壓一般為24 V/48 V，因此采用低電壓設(shè)計(jì)方案。

1? ? 低壓伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)控制策略

伺服驅(qū)動(dòng)控制目的是控制永磁同步電機(jī)準(zhǔn)確、快速地根據(jù)指令進(jìn)行隨動(dòng)。AGV低壓伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用TMS320F28377芯片作為主控芯片完成永磁同步電機(jī)控制。編碼器用來(lái)采集電機(jī)的速度，永磁同步電機(jī)采用id=0的矢量控制策略，如圖1所示。完成電流內(nèi)環(huán)、速度外環(huán)的雙閉環(huán)控制[2]，主要由速度環(huán)調(diào)節(jié)器、電流環(huán)調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)子位置速度檢測(cè)、定子電流檢測(cè)、CLARKE變換、PARK變換和反PARK變換、智能功率（Intelligent Power Module，IPM）模塊和電壓空間矢量控制等環(huán)節(jié)組成[3]。AGV低壓伺服控制系統(tǒng)的基本工作流程如下：根據(jù)編碼器的信號(hào)，準(zhǔn)確檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，計(jì)算轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n和電角度θ。速度調(diào)節(jié)器輸出定子電流的轉(zhuǎn)矩分量iqref，同時(shí)設(shè)置定子電流的d軸分量idref=0。根據(jù)電流傳感器檢測(cè)到的定子電流經(jīng)過(guò)變換得到iq，id，通過(guò)兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器預(yù)測(cè)需要的施加的電壓信號(hào)Udref，Uqref，經(jīng)過(guò)PARK逆變換得到Uαref，Uβref信號(hào)控制空間矢量脈沖寬度調(diào)制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM），最后IPM驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)id=0的矢量控制。該方法逆變器的頻率固定，只需調(diào)節(jié)PWM波形的占空比，系統(tǒng)輸出電流品質(zhì)高、穩(wěn)定性好。

2? ? AGV低壓伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

AGV低壓伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件的整體框架如圖2所示，主要分為控制電路、逆變電路、驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路以及制動(dòng)電路等。

2.1? 逆變電路

逆變電路是伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，逆變電路利用SVPWM調(diào)制法將直流電壓逆變成同步電機(jī)所需要的交流電，從而控制同步電機(jī)運(yùn)行。

2.2? 控制電路

控制電路是以德州儀器（Texas Instruments，TI）公司的TMS320F28377控制芯片為核心、一些特定功能的外圍電路為基礎(chǔ)所組成的對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制的電路。控制電路的主要是用來(lái)產(chǎn)生控制逆變器運(yùn)行的脈沖寬度調(diào)制（Pulse width modulation，PWM）波形以及對(duì)編碼器信號(hào)的采集、電流信號(hào)的采樣與處理、控制算法的實(shí)現(xiàn)、上位機(jī)的通信等工作進(jìn)行處理。

2.3? 驅(qū)動(dòng)電路

控制電路所發(fā)出的控制指令電壓電流不足，不能直接驅(qū)動(dòng)主回路中的各個(gè)強(qiáng)電器件，需要驅(qū)動(dòng)電路對(duì)控制電路發(fā)出的控制指令進(jìn)行功率放大。

2.4? 檢測(cè)電路

檢測(cè)電路包括母線電壓檢測(cè)電路、電機(jī)三相電流檢測(cè)電路、電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路以及溫度檢測(cè)電路，其中電機(jī)三相電流檢測(cè)電路和轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路用來(lái)實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)的控制，溫度檢測(cè)電路以及電壓檢測(cè)電路分別實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的過(guò)熱保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)功能。

2.5? 制動(dòng)電路

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)熱、電機(jī)母線電壓過(guò)壓或者欠壓、功率管過(guò)流等故障或者要求緊急制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)電路開始工作，提供能量泄放通道，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

3? ? AGV低壓伺服系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本研究采用控制芯片為TMS320F28377，軟件開發(fā)環(huán)境為代碼調(diào)試器（Code Composer Studio，CCS），使用C語(yǔ)言編寫程序。系統(tǒng)軟件架構(gòu)由主程序和中斷服務(wù)程序組成[4]。軟件設(shè)計(jì)的基本思想如下：主程序一直在循環(huán)運(yùn)行，等待各個(gè)子程序如SVPWM模塊、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊、電流調(diào)節(jié)模塊、坐標(biāo)變換模塊的中斷，然后進(jìn)入中斷服務(wù)程序進(jìn)行中斷處理，最后返回主程序。

3.1? 主程序設(shè)計(jì)

低壓伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的主程序的主要功能是完成系統(tǒng)的各個(gè)外設(shè)以及比例積分（Proportional Integral，PI）控制器的初始化，主程序的流程如圖3所示。系統(tǒng)初始化包括系統(tǒng)控制寄存器初始化、時(shí)鐘初始化、鎖相環(huán)初始化、看門狗初始化等。外設(shè)初始化包括脈沖寬度編碼（Pulse Interval Encoding，PIE）控制寄存器初始化、PIE向量表初始化、PWM單元初始化、正交編碼脈沖電路（Quadrature Encoder Pulse，QEP）單元初始化、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）單元初始化[5]。控制參數(shù)初始化包括速度計(jì)算單元初始化、電流環(huán)PI控制器初始化、速度環(huán)PI控制器初始化。

3.2? 中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)

中斷服務(wù)程序主要包括PWM中斷服務(wù)程序和故障中斷服務(wù)程序。PWM中斷服務(wù)程序用來(lái)完成系統(tǒng)的矢量控制，是整個(gè)軟件設(shè)計(jì)的核心，本系統(tǒng)PWM中斷服務(wù)程序觸發(fā)源采用ePWM周期中斷。PWM中斷服務(wù)程序流程如圖4所示，當(dāng)PWM中斷發(fā)生時(shí)，數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor，DSP）保存現(xiàn)場(chǎng)后響應(yīng)中斷。利用ADC單元獲得電機(jī)相電流、母線電壓數(shù)據(jù)，在閉環(huán)控制之前要獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息，進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)子定位。電機(jī)轉(zhuǎn)子定位完成后，進(jìn)入速度環(huán)、電流環(huán)閉環(huán)控制，最終完成整個(gè)矢量控制算法，退出中斷。

故障中斷服務(wù)程序是確保電機(jī)安全工作的重要保障，當(dāng)故障中斷到來(lái)時(shí)，DSP保存現(xiàn)場(chǎng)后響應(yīng)中斷。DSP首先封鎖其PWM輸出，封鎖驅(qū)動(dòng)電路輸出，然后開啟制動(dòng)電路開關(guān)，接通制動(dòng)電路，進(jìn)行電機(jī)制動(dòng)，退出中斷。

4? ? 實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)方法的正確性和可行性，制作好電路板和編寫程序后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行空載運(yùn)行試驗(yàn)和帶載運(yùn)行試驗(yàn)。AGV低壓伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)物如圖5所示，實(shí)驗(yàn)選擇一個(gè)編碼器額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩為0.7 N·m的增量式永磁同步電機(jī)作為被控對(duì)象。讓電機(jī)從零速啟動(dòng)運(yùn)行到額定轉(zhuǎn)速后，持續(xù)運(yùn)行，觀察電機(jī)的轉(zhuǎn)速波形，然后通過(guò)對(duì)拖臺(tái)施加額定轉(zhuǎn)矩，觀察電機(jī)的速度波形和電流波形。電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速波形如圖6所示，電機(jī)帶載運(yùn)行時(shí)A相電流波形如圖7所示，可以看出電機(jī)響應(yīng)速度快、運(yùn)行穩(wěn)定、相電流正弦性良好，說(shuō)明AGV低壓伺服控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性好。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

文章對(duì)AGV低壓伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了概述，對(duì)驅(qū)動(dòng)原理以及電機(jī)控制策略進(jìn)行了分析，并對(duì)AGV低壓伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了硬件和軟件方面的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，低壓伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效果顯著，在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)速度平穩(wěn)運(yùn)行以及精確定位，具有很好的推廣價(jià)值。

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