全向電動底盤轉(zhuǎn)向角度的檢測與控制

朱振華，鄭祥凱，呂瓊瑩，王一凡

（1.長春理工大學(xué)　機(jī)電工程學(xué)院，長春　130022；2.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春　130033）

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全向電動底盤轉(zhuǎn)向角度的檢測與控制

朱振華1，鄭祥凱1，呂瓊瑩1，王一凡2

（1.長春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長春130022；2.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春130033）

摘要：全向電動底盤可實(shí)現(xiàn)四輪獨(dú)立驅(qū)動（4WD）和四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向（4WS），是未來非道路車輛發(fā)展的重要方向。電動輪轉(zhuǎn)向角度的精密檢測和準(zhǔn)確控制對于全向電動底盤四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向（4WS）功能的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。介紹了一種檢測和控制電動輪旋轉(zhuǎn)角度的新方法。采用絕對編碼器檢測電動輪的實(shí)際位置，由中央控制器PLC接收絕對編碼器輸入的格雷碼并轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制數(shù)，經(jīng)計(jì)算得到電動輪的實(shí)際轉(zhuǎn)角。通過與電動輪的目標(biāo)轉(zhuǎn)角相比較，由PLC根據(jù)比較結(jié)果控制電動輪的運(yùn)動，再通過電磁離合器的配合，實(shí)現(xiàn)電動底盤轉(zhuǎn)向角度的檢測與控制。實(shí)驗(yàn)表明，這種檢測和控制電動輪旋轉(zhuǎn)角度的方法測量準(zhǔn)確，控制靈敏，安全可靠，為旋轉(zhuǎn)角度的測量和控制提供了一種行之有效的新方法。

關(guān)鍵詞：全向電動底盤；轉(zhuǎn)向角度；絕對編碼器；檢測與控制

非道路車輛也稱非道路行走式機(jī)械，如裝載機(jī)、挖掘機(jī)、叉車等。為了適應(yīng)機(jī)動車輛節(jié)能、清潔、環(huán)保等方面的要求，開發(fā)了一種可用于非道路車輛的全向電動底盤，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。全向電動底盤由四個電動輪分別驅(qū)動，可實(shí)現(xiàn)四輪獨(dú)立驅(qū)動（4WD）和四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向（4WS）。由于具有更多的可控自由度，使電動底盤能夠?qū)崿F(xiàn)比傳統(tǒng)車輛更優(yōu)的機(jī)動性、操縱穩(wěn)定性和主動安全性，是未來非道路車輛發(fā)展的重要方向［1，2］。電動輪轉(zhuǎn)向角度的精密檢測和準(zhǔn)確控制對于全向電動底盤四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向（4WS）功能的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。

圖1　全向電動底盤總體結(jié)構(gòu)

1　全向電動底盤轉(zhuǎn)向角度的檢測與控制原理

1.1全向電動底盤四輪轉(zhuǎn)向控制策略

全向電動底盤四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由電動輪、電磁離合器和控制系統(tǒng)組成。對于低速運(yùn)動的全向電動底盤來說，采用四輪異相轉(zhuǎn)向模式，即前后輪轉(zhuǎn)向方向相反，可大大減小轉(zhuǎn)彎半徑，增加全向電動底盤運(yùn)動的靈活性［3］。圖2所示為全向電動底盤異相轉(zhuǎn)向模式示意圖。其中L為前后軸的軸距，W為內(nèi)外側(cè)車輪的輪距，a和b分別為前軸和后軸到車輛質(zhì)心的距離，R1～R4分別為各個車輪繞旋轉(zhuǎn)中心O的轉(zhuǎn)向半徑，RQ為質(zhì)心Q繞旋轉(zhuǎn)中心O的轉(zhuǎn)向半徑，RIN為旋轉(zhuǎn)中心O到兩內(nèi)側(cè)車輪中心連線的距離，R為旋轉(zhuǎn)中心O到車輛左右對稱線的垂直的距離，ROUT為旋轉(zhuǎn)中心O到兩外側(cè)車輪中心連線的距離，α1～α4分別四個轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角，δ1和δ2分別為前軸和后軸中點(diǎn)處的轉(zhuǎn)角，δ為車輛質(zhì)心處的轉(zhuǎn)角［4］。

圖2　全向電動底盤異相轉(zhuǎn)向模式示意圖

以全向電動底盤左轉(zhuǎn)向?yàn)槔?，?dāng)左前輪的轉(zhuǎn)角α1已知時，由瞬心定理可求出其他車輪的轉(zhuǎn)角，稱為目標(biāo)轉(zhuǎn)角。

當(dāng)需要左轉(zhuǎn)向時，向中央控制器輸入左前輪需要轉(zhuǎn)過的角度（α1），根據(jù)式（1）～式（3），利用程序自動計(jì)算出其他電動輪的目標(biāo)轉(zhuǎn)角。然后松開電磁離合器，使每個電動輪按照圖2所示的方向繞其豎直軸線旋轉(zhuǎn)。當(dāng)每個電動輪轉(zhuǎn)過的角度與各自的目標(biāo)轉(zhuǎn)角相等時，電動輪停止旋轉(zhuǎn)。這樣就可以實(shí)現(xiàn)電動底盤的四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向（4WS）運(yùn)動。因此電動輪轉(zhuǎn)向角度的精密檢測和準(zhǔn)確控制成為實(shí)現(xiàn)全向電動底盤四輪電子差速轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵。

1.2電動輪轉(zhuǎn)向角度的檢測與控制原理

電動輪轉(zhuǎn)向角度的檢測與控制主要由電動輪、電磁離合器、旋轉(zhuǎn)編碼器、電機(jī)控制器和中央控制器共同完成，如圖3所示［5］。根據(jù)轉(zhuǎn)向要求，當(dāng)某個電動輪需要轉(zhuǎn)過一定角度θ時，通過觸摸屏輸入該電動輪需要轉(zhuǎn)過的角度，該角度值存入中央控制器的存儲器中。然后松開電磁離合器，由中央控制器發(fā)出正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)指令，通過電機(jī)控制器，使相應(yīng)的電動輪繞其豎直軸旋轉(zhuǎn)。電動輪旋轉(zhuǎn)過程中，其實(shí)際轉(zhuǎn)過的角度由角度編碼器實(shí)時測量，并反饋給中央控制器。電動輪轉(zhuǎn)過的實(shí)際角度與其目標(biāo)轉(zhuǎn)角θ在中央控制器中自動進(jìn)行比較。當(dāng)兩者相等時，由中央控制器發(fā)出剎車命令，通過電機(jī)控制器使電動輪停止旋轉(zhuǎn)，同時電磁離合器吸合，使電動輪停留在目標(biāo)轉(zhuǎn)角所預(yù)定的位置。這樣就可以實(shí)現(xiàn)電動輪轉(zhuǎn)向角度的實(shí)時測量和控制。

圖3　電動輪轉(zhuǎn)向角度的檢測與控制原理圖

2　全向電動底盤轉(zhuǎn)向角度檢測與控制系統(tǒng)的主要硬件選型與設(shè)計(jì)

2.1中央控制器的選擇

中央控制器是全向電動底盤轉(zhuǎn)向角度檢測與控制系統(tǒng)的核心。根據(jù)檢測與控制要求，它應(yīng)具備模擬量控制、數(shù)字量控制、可編程、存儲、計(jì)算等功能，而且能處理絕對編碼器所輸出的格雷碼?？删幊绦蚩刂破鱌LC（Programmable Logic Controller）是一種專門在工業(yè)環(huán)境下使用的控制器，具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)，而且具備上述功能。因此本系統(tǒng)選用西門子S7-226型PLC。西門子CPU 226 DC/DC/繼電器型PLC的模塊接線如圖4所示。

圖4　絕對編碼器與PLC226的接線

該模塊共有24個數(shù)字量輸入端子和16個數(shù)字量輸出端子。其中24個輸入端子被分成兩組。第一組由I0.0～I(xiàn)0.7、I1.0～I(xiàn)1.4共13個輸入端子組成；第二組由I1.5～I(xiàn)1.7、I2.0～I(xiàn)2.7共11個輸入端子組成。M，L+兩個端子提供DC24V/400mA傳感器電源。16個數(shù)字量輸出端子分成三組。第一組由Q0.0～Q0.3共4個輸出端子與公共端1L組成；第二組由Q0.4～Q0.7、Q1.0共5個輸出端子與公共端2L組成；第三組由Q1.1～Q1.7共7個輸出端子與公共端3L組成。N、L1端子是主機(jī)供電電源DC24V輸入端。模擬量輸入和輸出功能通過擴(kuò)展模塊來實(shí)現(xiàn)。

2.2旋轉(zhuǎn)編碼器的選擇

旋轉(zhuǎn)編碼器是一種用來測量旋轉(zhuǎn)裝置的位置、速度和轉(zhuǎn)角的傳感器。光電編碼器是目前應(yīng)用最多的一種旋轉(zhuǎn)編碼器。根據(jù)光電編碼器的工作原理可以將光電編碼器分為絕對式、增量式和混合式三種。當(dāng)絕對式編碼器軸旋轉(zhuǎn)時，有與位置一一對應(yīng)的代碼輸出，每個位置有唯一編碼。從代碼大、小的變更，即可判別正反方向和轉(zhuǎn)軸所處的位置。它有一個絕對零位代碼，當(dāng)停電或關(guān)機(jī)后，重新開機(jī)測量時，仍可準(zhǔn)確地讀出停電或關(guān)機(jī)位置的代碼，并準(zhǔn)確地找到零位代碼。這樣在編碼器旋轉(zhuǎn)一周的范圍內(nèi)，編碼值能夠反映出設(shè)備當(dāng)前的實(shí)際位置［6］。因此本系統(tǒng)選擇絕對式編碼器。

絕對式編碼器所輸出的代碼是格雷碼。采用格雷碼可避免多個碼元的電平同時變化對周圍設(shè)備或線路造成較強(qiáng)的脈沖干擾，使檢測、控制更加準(zhǔn)確、可靠。根據(jù)控制精度要求，本系統(tǒng)選用博辰光電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的BCE42AS6-8-24V-CGG型絕對編碼器。該編碼器采用8位并行格雷碼輸出，其電氣參數(shù)如表1所示。

表1　電氣參數(shù)

2.3電機(jī)控制器的選擇

電動輪的轉(zhuǎn)向運(yùn)動通過交流感應(yīng)電機(jī)和電磁離合器的配合來實(shí)現(xiàn)，而交流感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)動由電機(jī)控制器來控制。根據(jù)電動輪的運(yùn)動要求，選用凱利公司KIM4810型交流感應(yīng)電機(jī)控制器。其前面板布置如圖5所示，其中：

B+：電池正極

B-：電池負(fù)極

A：輸出A相，連接電機(jī)U相線

B：輸出B相，連接電機(jī)V相線

C：輸出C相，連接電機(jī)W相線

KIM4810型交流感應(yīng)電機(jī)控制器有3個開關(guān)輸入，分別是前進(jìn)開關(guān)輸入，剎車開關(guān)輸入和倒車開關(guān)輸入。同時還有3個模擬輸入，分別是油門踏板模擬信號輸入，剎車踏板模擬輸入和電機(jī)溫度傳感器模擬信號輸入。電動輪運(yùn)動過程中可對電壓、電流進(jìn)行實(shí)時檢測和保護(hù)，并有故障檢測和保護(hù)功能。

圖5　KIM電機(jī)控制器前面板布置圖

2.4絕對編碼器與PLC的連接

絕對編碼器的輸出可分為并行輸出、串行同步輸出、串行異步總線式輸出、轉(zhuǎn)換模擬量輸出等。對于位數(shù)不高的絕對編碼器，一般采用并行輸出（若串行輸出，不能與S7-200直接連，應(yīng)有相應(yīng)接口），直接進(jìn)入后續(xù)設(shè)備如PLC或上位機(jī)的I/O接口，直接讀取電平的高低。多少位（碼道）絕對編碼器就有多少根信號電纜，以代表20、21……、2n-1，每根電纜代表一位數(shù)據(jù)，以電纜輸出電平的高低代表1或0。BCE42AS6型絕對編碼器信號電纜的含義如表2所示。

表2　通訊接口

本控制系統(tǒng)中，絕對編碼器與PLC的連接采用并行輸出方式，這種方式輸出即時，連接簡單。把絕對編碼器的8位格雷碼輸出線與PLC的8個輸入端直接相連。BCE42AS6型絕對編碼器與PLC226的連接見圖5。

3　全向電動底盤轉(zhuǎn)向角度檢測與控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)全向電動底盤轉(zhuǎn)向角度的檢測與控制要求，編制出轉(zhuǎn)向角度檢測與控制系統(tǒng)的流程如圖6所示。

絕對式編碼器輸出反映絕對位置的二進(jìn)制格雷碼。用PLC的輸入模塊讀取到格雷碼后，需要將它轉(zhuǎn)換為普通的二進(jìn)制數(shù)。對于S7-226，PLC內(nèi)有GBIN指令可用來解碼為純二進(jìn)制碼。S7-226的"graycode.mwl"指令庫包括用于字節(jié)、字和雙字格式的編碼和解碼的功能塊。功能塊GRAY_BIN_B、GRAY_BIN_W和GRAY_BIN_DW用于把輸入的格雷碼解碼成字節(jié)、字和雙字類型的二進(jìn)制數(shù)。

將格雷碼轉(zhuǎn)換成純二進(jìn)制數(shù)的梯形圖程序如圖7所示。

圖6　控制系統(tǒng)流程圖

圖7　格雷碼轉(zhuǎn)換成純二進(jìn)制數(shù)的梯形圖

格雷碼轉(zhuǎn)換成純二進(jìn)制數(shù)后，按照常規(guī)方法將其與實(shí)際位置（角度值）相對應(yīng)，其對應(yīng)關(guān)系見如下：

這樣絕對編碼器的當(dāng)前格雷碼值就與電動輪的當(dāng)前角度一一對應(yīng)。當(dāng)前格雷碼值轉(zhuǎn)換后的角度值保存在PLC的存儲器VB101中。轉(zhuǎn)換后的角度值與電動輪的目標(biāo)轉(zhuǎn)角比較后，若沒有達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)角，則繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，直到測量轉(zhuǎn)角等于目標(biāo)轉(zhuǎn)角為止。

4　轉(zhuǎn)向角度的檢測精度與響應(yīng)時間分析

由上所述，全向電動底盤轉(zhuǎn)向角度的檢測和控制主要通過絕對編碼器和PLC配合完成。用來測量電動輪轉(zhuǎn)向角度的絕對編碼器為8位格雷碼輸出，其測量范圍為0°～360°，則該編碼器的控制精度為360。/28=1.40625°，能夠滿足全向電動底盤轉(zhuǎn)向角度的控制要求（轉(zhuǎn)向控制精度小于1.5°）。轉(zhuǎn)向角度的控制主要由PLC來完成。西門子S7-226型PLC的布爾指令執(zhí)行速度為22μs/指令。其最長響應(yīng)時間=輸入延遲時間+兩個掃描時間+輸出延遲時間。對于本系統(tǒng)而言，其輸入延遲時間約為5ms，輸出延遲時間約為10ms，每個掃描周期約為80ms，因此最長響應(yīng)時間約為95ms。所設(shè)計(jì)的全向電動底盤主要用于非道路車輛，最高行駛速度為20km/h，轉(zhuǎn)過90°所用時間為6s，控制精度小于1.5°。則旋轉(zhuǎn)1.5°所用時間為100ms（大于PLC最長響應(yīng)時間）。因此系統(tǒng)的響應(yīng)時間能夠能滿足目標(biāo)轉(zhuǎn)角的控制精度要求。

5　結(jié)論

本文提供了一種利用PLC、絕對編碼器和電機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)電動輪轉(zhuǎn)向角度測量和控制的新方法。絕對編碼器旋轉(zhuǎn)時，能夠輸出與位置一一對應(yīng)的格雷碼，每個位置都有唯一的編碼。從代碼大小的變更，即可判別旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)軸所處的位置。把絕對編碼器的信號電纜與PLC采用并行方式相連接，PLC把接收到的格雷碼轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制數(shù)后，可得到與實(shí)際位置相對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度值，把檢測到的實(shí)際角度與儲存在PLC中的目標(biāo)轉(zhuǎn)角相比較，根據(jù)比較結(jié)果，由PLC通過電機(jī)控制器控制交流感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)動，從而使電動輪旋轉(zhuǎn)到預(yù)定的角度。實(shí)驗(yàn)表明，這種檢測和控制電動輪旋轉(zhuǎn)角度的方法測量準(zhǔn)確，控制靈敏，安全可靠，為旋轉(zhuǎn)角度的測量提供了一種行之有效的新方法。

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Detection and Control of Rotating Angle of Omnidirectional Electric Chassis

ZHU Zhenhua1，ZHENG Xiangkai1，LV Qiongying1，WANG Yifan2
（1.School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130022）

Abstract：Omnidirectional electric chassis has such functions as four wheel independent driving（4WD）and four wheel independent steering（4WS），which is an important developing fields for off-road vehicles. The precise detection and accurate control for the rotating angle is very important for the function of four wheel independent steering（4WS）. A new method of detection and control for rotating angle is introduced. The actual position of electric wheel is measured by absolute encoder，then a kind of gray code is output to PLC by absolute encoder and is transferred to standard binary code in PLC，As a result，the actual rotating angle can be obtained by a formula. According to the result of comparison of actual rotating angle and the target angle of electric wheel，the movement of electric wheel is corresponding controlled by PLC. With the help of electromagnetic clutch，the detection and control for the rotating angle of electric chassis can be realized. Experimental results indicated that this method for measuring and controlling rotation angle is accurate，effective and reliable.

Key words：omnidirectional electric chassis；rotating angle；absolute encoder；detection and control

中圖分類號：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-9870（2016）02-0046-05

收稿日期：2015-08-15

基金項(xiàng)目：吉林省科技廳資助項(xiàng)目（20140204064GX）

作者簡介：朱振華（1970-），男，副教授，E-mail：zhuzhenhua0431@163.com