三維穿梭車多軸同步控制策略

[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調節的雙閉環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中的適用性。研究表明，采用基于PI調節的虛擬主軸同步控制模型后，穿梭車各軸到達穩態的時間在0.05s，超調量不超過2%，同步誤差調節時間不超過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。

[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展，物流倉儲模式已發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在垂直巷道上的爬升運動。為了實現這種自動化程度更高的穿梭車系統，就需要對多軸同步控制策略進行研究，從而實現8個電機的同步控制。

現以三維穿梭車的控制系統為研究對象，結合現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，對比兩種環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的控制模型。

1伺服電機建模

1.1建模參數確定

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

1.2電機仿真模型搭建

根據電機參數，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調節的雙閉環矢量控制模型，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調節器來調節電機電流和轉速，其電流環PI控制器參數可通過下面公式來整定[10]。

其中：Kpd-d軸電流環比例增益;Kid-d軸電流環積分增益;

Ld-d軸相電感;

Kpd-q軸電流環比例增益;

Kid-q軸電流環積分增益;

Lq-q軸相電感;

Rs-相電阻;

α-電流環帶寬;

τe-電時間常數。

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參數是一樣的。根據電機參數計算出電流環參數Kpd（Kpq）、Kid（Kiq）分別為1.03和499.32。對于轉速環PI調節器，其參數滿足以下公式。

其中：Kpw-轉速環比例增益;

Kiw-轉速環積分增益;

β-轉速環期望的頻帶帶寬;

φf-轉子磁場的等效磁鏈;

J-轉子轉動慣量;

pn-極數。

根據電機參數計算得出轉速環PI調節器參數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，現存已有的同步控制策略多數是針對控制軸為2軸或3軸的情況下提出來的，在控制軸大于3軸的控制系統中往往難以使用。為了研究適用于三維穿梭車控制系統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缺點，見表2[12]。由表2中數據可以看出，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，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，在用于電機數大于3軸的控制系統時，在線計算量極大，會造成系統紊亂，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，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PI控制器，實時根據檢測到的實際轉速來調節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機械式主軸控制演化來的，其結構如圖3所示[13]。

根據其結構原理圖可知，虛軸作為主軸對作為從軸的實軸進行控制，同時從軸經過反饋將自身狀態傳遞給主軸形成耦合環。結合表1的電機參數，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，虛軸位于控制系統的最頂層，直接接收整個系統的信號輸入。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過處理反饋給虛軸。

3穿梭車控制系統搭建

3.1硬件系統建立

三維穿梭車控制系統是一個非線性、多耦合、高精度的復雜控制系統，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。為了能實現高速處理信息數據的需求，選用基于CoDeSys（Controlled Development System）平臺開發的匯川AC801控制器（PLC）作為多軸控制系統的主控部分。PLC和伺服系統通過EtherCAT通訊進行交互，搭建硬件系統如圖5所示。

3.2實驗控制系統建立

三維穿梭車的實驗系統建立在CoDeSys軟件平臺下，根據硬件系統搭建組態網絡，利用ST和CFC語言將虛擬主軸同步模型進行實現。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的輸入信號，并通過PID_FIXCYCLE模塊進行PID調節，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在跟隨輸入信號時幾乎不產生超調，超調量不超過2%，且信號跟隨迅速，進入穩態只需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據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生較大的轉速差，但經過虛擬主軸控制系統的調節，會在不到0.5s的時間內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控制系統的建立，經過分析比較不同結構控制模型的優缺點，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，在控制性能中表現出很好的跟蹤性和極小超調的平緩性，同時在面對外界干擾時表現出良好的抗干擾能力，能迅速調節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的建立提供了一定的思路和研究方法。

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