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(duì)多軸同步控制策略進(jìn)行研究，利用Matlab搭建伺服電機(jī)基于PI調(diào)節(jié)的雙閉環(huán)矢量控制模型和基于虛擬主軸結(jié)構(gòu)的同步控制模型，并利用CoDeSys平臺(tái)搭建基于虛擬主軸控制模型的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對(duì)比仿真與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，研究驗(yàn)證基于虛擬主軸同步控制模型在三維穿梭車控制系統(tǒng)中的適用性。研究表明，采用基于PI調(diào)節(jié)的虛擬主軸同步控制模型后，穿梭車各軸到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間在0.05s，超調(diào)量不超過2%，同步誤差調(diào)節(jié)時(shí)間不超過0.5s，具有實(shí)時(shí)性好同步性高抗干擾性強(qiáng)的控制效果，可以應(yīng)用于三維穿梭車非線性多耦合的控制系統(tǒng)。

[關(guān)鍵詞]三維穿梭車;多軸同步;虛擬主軸

[中圖分類號(hào)]TH692.3

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1005-152X（2022）02-0119-05

[收稿日期]2021-11-02

[作者簡(jiǎn)介]倪昊（1997-），男，安徽六安人，碩士研究生，研究方向：自動(dòng)化控制。

0引言

隨著智能智控技術(shù)的快速發(fā)展，物流倉(cāng)儲(chǔ)模式已發(fā)展到智能化倉(cāng)儲(chǔ)階段，大量基于自動(dòng)化和人工智能技術(shù)的無(wú)人倉(cāng)儲(chǔ)車投入到了物流倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中[1]。目前，已有許多學(xué)者針對(duì)無(wú)人倉(cāng)儲(chǔ)車做了大量研究，并提出了多種倉(cāng)儲(chǔ)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(yùn)行，所以對(duì)穿梭車控制系統(tǒng)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(fā)揮穿梭車本身的運(yùn)動(dòng)能力，進(jìn)一步提高倉(cāng)儲(chǔ)效率，本文提出一種具有更高智能化和自動(dòng)化的新型三維立體倉(cāng)庫(kù)穿梭車，其結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)，還可以通過車輪上的齒輪和貨架上的齒條嚙合實(shí)現(xiàn)在垂直巷道上的爬升運(yùn)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)這種自動(dòng)化程度更高的穿梭車系統(tǒng)，就需要對(duì)多軸同步控制策略進(jìn)行研究，從而實(shí)現(xiàn)8個(gè)電機(jī)的同步控制。

現(xiàn)以三維穿梭車的控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，結(jié)合現(xiàn)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(tái)搭建穿梭車實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)，對(duì)比兩種環(huán)境在典型測(cè)試輸入下的結(jié)果，旨在研究出一種適用于三維穿梭車多軸同步控制系統(tǒng)的控制模型。

1伺服電機(jī)建模

1.1建模參數(shù)確定

永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功率因數(shù)高，所以穿梭車控制系統(tǒng)選用其作為底層執(zhí)行機(jī)構(gòu)。根據(jù)選型計(jì)算選用步科某型號(hào)伺服電機(jī)，其電機(jī)參數(shù)見表1。

1.2電機(jī)仿真模型搭建

根據(jù)電機(jī)參數(shù)，在建模假設(shè)下[8]，通過矢量控制技術(shù)進(jìn)行坐標(biāo)變換[9]，在Matlab中進(jìn)行模型搭建，得出伺服電機(jī)基于PI調(diào)節(jié)的雙閉環(huán)矢量控制模型，其仿真模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中所建立的仿真模型采用了PI調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)電機(jī)電流和轉(zhuǎn)速，其電流環(huán)PI控制器參數(shù)可通過下面公式來整定[10]。

其中：Kpd-d軸電流環(huán)比例增益;Kid-d軸電流環(huán)積分增益;

Ld-d軸相電感;

Kpd-q軸電流環(huán)比例增益;

Kid-q軸電流環(huán)積分增益;

Lq-q軸相電感;

Rs-相電阻;

α-電流環(huán)帶寬;

τe-電時(shí)間常數(shù)。

由于電機(jī)繞組對(duì)稱且電機(jī)相電阻是線電阻的一半，所以d軸和q軸計(jì)算出的PI參數(shù)是一樣的。根據(jù)電機(jī)參數(shù)計(jì)算出電流環(huán)參數(shù)Kpd（Kpq）、Kid（Kiq）分別為1.03和499.32。對(duì)于轉(zhuǎn)速環(huán)PI調(diào)節(jié)器，其參數(shù)滿足以下公式。

其中：Kpw-轉(zhuǎn)速環(huán)比例增益;

Kiw-轉(zhuǎn)速環(huán)積分增益;

β-轉(zhuǎn)速環(huán)期望的頻帶帶寬;

φf-轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的等效磁鏈;

J-轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;

pn-極數(shù)。

根據(jù)電機(jī)參數(shù)計(jì)算得出轉(zhuǎn)速環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)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(jī)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?；诙嚯姍C(jī)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(jī)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(xiàn)存已有的同步控制策略多數(shù)是針對(duì)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(tǒng)中往往難以使用。為了研究適用于三維穿梭車控制系統(tǒng)的多軸同步控制策略，對(duì)各個(gè)控制策略進(jìn)行研究，分析各控制策略的控制性能及優(yōu)缺點(diǎn)，見表2[12]。由表2中數(shù)據(jù)可以看出，并行同步控制和主從同步控制雖然可以應(yīng)用于多個(gè)控制軸的控制系統(tǒng)，但是在受到干擾信號(hào)時(shí)，同步性能極差。交叉耦合控制和偏差耦合控制雖然對(duì)外界干擾有較強(qiáng)的抵抗能力，但是其算法復(fù)雜，在用于電機(jī)數(shù)大于3軸的控制系統(tǒng)時(shí)，在線計(jì)算量極大，會(huì)造成系統(tǒng)紊亂，導(dǎo)致同步性能變差。對(duì)于虛擬主軸同步控制策略下的控制系統(tǒng)，由于各從軸直接與主軸進(jìn)行耦合，主從軸間相互影響，所以從軸對(duì)主軸的跟隨誤差小，超調(diào)量也較小，同時(shí)具有抗干擾能力，在受到干擾時(shí)仍能保持各軸間的同步。對(duì)于虛擬主軸控制對(duì)干擾作出的反應(yīng)是以犧牲目標(biāo)轉(zhuǎn)速來?yè)Q取軸間同步的問題，可在虛主軸上引入閉環(huán)PI控制器，實(shí)時(shí)根據(jù)檢測(cè)到的實(shí)際轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)目標(biāo)轉(zhuǎn)速信號(hào)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(jìn)行三維穿梭車控制系統(tǒng)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(jù)機(jī)械式主軸控制演化來的，其結(jié)構(gòu)如圖3所示[13]。

根據(jù)其結(jié)構(gòu)原理圖可知，虛軸作為主軸對(duì)作為從軸的實(shí)軸進(jìn)行控制，同時(shí)從軸經(jīng)過反饋將自身狀態(tài)傳遞給主軸形成耦合環(huán)。結(jié)合表1的電機(jī)參數(shù)，并對(duì)圖2中的電機(jī)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化封裝，在虛軸上引入PI控制器，搭建8電機(jī)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(tǒng)的最頂層，直接接收整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)輸入。其余實(shí)軸的輸入信號(hào)來自虛軸的輸出信號(hào)，并將自身輸出信號(hào)經(jīng)過處理反饋給虛軸。

3穿梭車控制系統(tǒng)搭建

3.1硬件系統(tǒng)建立

三維穿梭車控制系統(tǒng)是一個(gè)非線性、多耦合、高精度的復(fù)雜控制系統(tǒng)，所以需要選用合適的控制器對(duì)控制過程中的信號(hào)進(jìn)行精確地在線計(jì)算。為了能實(shí)現(xiàn)高速處理信息數(shù)據(jù)的需求，選用基于CoDeSys（Controlled Development System）平臺(tái)開發(fā)的匯川AC801控制器（PLC）作為多軸控制系統(tǒng)的主控部分。PLC和伺服系統(tǒng)通過EtherCAT通訊進(jìn)行交互，搭建硬件系統(tǒng)如圖5所示。

3.2實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)建立

三維穿梭車的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建立在CoDeSys軟件平臺(tái)下，根據(jù)硬件系統(tǒng)搭建組態(tài)網(wǎng)絡(luò)，利用ST和CFC語(yǔ)言將虛擬主軸同步模型進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。虛軸和實(shí)軸的運(yùn)動(dòng)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(shí)軸都通過MC_Power和SMC_FollowVelocity模塊進(jìn)行使能驅(qū)動(dòng)。虛軸輸入信號(hào)為整個(gè)系統(tǒng)的輸入信號(hào)，并通過PID_FIXCYCLE模塊進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，并將輸出速度信號(hào)傳遞給實(shí)軸。

4結(jié)果分析

在利用Matlab搭建的仿真模型中，設(shè)置輸入為單位階躍信號(hào)，仿真時(shí)間設(shè)置為0.15s，在0.075s施加擾動(dòng)脈沖。在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，施加相同的階躍輸入信號(hào)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間設(shè)定為15s，并在7.5s施加擾動(dòng)脈沖。其中，擾動(dòng)脈沖直接施加在位于穿梭車對(duì)稱軸一側(cè)的4臺(tái)電機(jī)上（電機(jī)1、2、3、8），另一側(cè)的4臺(tái)電機(jī)（電機(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9和圖10所示。

對(duì)比仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)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(tǒng)在跟隨輸入信號(hào)時(shí)幾乎不產(chǎn)生超調(diào)，超調(diào)量不超過2%，且信號(hào)跟隨迅速，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)只需0.05s。另外，在受到外界干擾時(shí)，由于各實(shí)軸和虛軸相互耦合，其中4個(gè)受干擾直接作用的實(shí)軸會(huì)將擾動(dòng)信號(hào)傳遞給虛軸，并且虛軸會(huì)對(duì)這些擾動(dòng)信號(hào)做出均值處理，然后減小自身轉(zhuǎn)速來適配干擾產(chǎn)生的作用。同時(shí)，虛軸會(huì)將處理后的輸出信號(hào)作用于另外4個(gè)未受干擾的實(shí)軸，未受干擾的實(shí)軸也會(huì)降低轉(zhuǎn)速來適配這種影響，以此來達(dá)到一定的同步性。通過各軸轉(zhuǎn)速曲線數(shù)據(jù)計(jì)算出受干擾軸和未受干擾軸之間的轉(zhuǎn)速差，其仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11和圖12所示。

從圖11和圖12所示的結(jié)果可以看出，由于慣性造成的滯后性，只會(huì)在受到干擾的瞬間產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)速差，但經(jīng)過虛擬主軸控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，會(huì)在不到0.5s的時(shí)間內(nèi)消除這種誤差以達(dá)到同步。

5結(jié)語(yǔ)

對(duì)于三維穿梭車這種新型RGV控制系統(tǒng)的建立，經(jīng)過分析比較不同結(jié)構(gòu)控制模型的優(yōu)缺點(diǎn)，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(tǒng)，在控制性能中表現(xiàn)出很好的跟蹤性和極小超調(diào)的平緩性，同時(shí)在面對(duì)外界干擾時(shí)表現(xiàn)出良好的抗干擾能力，能迅速調(diào)節(jié)擾動(dòng)造成的誤差來達(dá)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(fù)雜控制系統(tǒng)的建立提供了一定的思路和研究方法。

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