四轴驱动电动小车多电机定位协调控制系统

摘要

四轴驱动电动小车多电机定位协调控制系统，比较器、速度控制器、驱动器、伺服电机、位移传感器、速度估计器和偏差补偿器等构成了控制系统的速度控制内环，位移比较器、位移控制器、等构成了位置控制外环，相对于传统的多电机协调控制系统，本发明提供的控制系统结构简单，控制有效，对控制量检测装置的要求较低，成本低，易于实现，使用方便，能够保证在拖动轮打滑或存在干扰等情况下对电动小车运行参数的检测和运动状态的控制，并能够同时实现四轴电动小车的精确定位和速度协调控制。

说明书

技术领域

本发明涉及自动控制系统，尤其是涉及用于码头集装箱转运的四轴驱动电动小车多电机定位协调控制系统。

背景技术

随着世界经贸的不断发展，集装箱港口吞吐量急剧增加，新一代的智能化集装箱装卸技术得到了快速发展。新型高效自动化集装箱码头装卸机械系统由岸桥起重机、立体分配系统、场桥起重机以及智能集卡等集装箱运输设备构成。岸桥系统和场桥系统之间的立体分配系统直接决定了自动化码头的运行效率，成为新型高效智能型自动化码头装卸系统的核心。

高速轨道式四轴驱动电动小车是立体分配系统中重要的集装箱转运设备，它的控制系统由滑触线供电，电动小车有八只独立车轮，由四台三相异步电机分别驱动。立体轨道输送系统不仅要求各组高速电动小车相互之间的高精度定位，而且要求它们的泊位点相对于岸桥和场桥而言也必须保证高精度定位，同时克服车轮与轨道的滑动摩擦和各种干扰，这就要求针对不同的工况(环境情况、接收指令时与定位点的距离以及高速小车所载运的集装箱等情况)提供相应的制动力，保证电动小车在每个要求的泊位点高精度定位。现有的多电机协调控制方案大都针对多电机速度的协调控制，都不能很好地解决多电机的速度和位置同时协调控制的问题。

发明内容

为了解决四轴驱动电动小车多电机的速度和位置同时协调控制的问题，本发明提供一种四轴驱动电动小车多电机定位协调控制系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，

四轴驱动电动小车多电机定位协调控制系统，包括比较器、速度控制器、驱动器、伺服电机、位移传感器、速度估计器、位移比较器、偏差补偿器和位移控制器，其特征在于，所述控制系统包括前部系统和后部系统，

前部系统中，比较器111、速度控制器112、驱动器113、伺服电机114、位移传感器115、位移比较器131、偏差补偿器132顺次连接成闭合环路，位移传感器115通过速度估计器116分别连接至速度控制器112和偏差补偿器132；比较器121、速度控制器122、驱动器123、伺服电机124、位移传感器125、位移比较器131、偏差补偿器132顺次连接成闭合环路，位移传感器125通过速度估计器126分别连接至速度控制器122和偏差补偿器132；

后部系统中，比较器211、速度控制器212、驱动器213、伺服电机214、位移传感器215、位移比较器231、偏差补偿器232顺次连接成闭合环路，位移传感器215通过速度估计器216分别连接至速度控制器212和偏差补偿器232；比较器221、速度控制器222、驱动器223、伺服电机224、位移传感器225、位移比较器231、偏差补偿器232顺次连接成闭合环路，位移传感器225通过速度估计器226分别连接至速度控制器222和偏差补偿器232；

前部系统和后部系统之间，位移比较器131和位移比较器231分别连接至位移比较器400，位移比较器400通过位移控制器300分别接连接至比较器111、比较器121、比较器211和比较器221。

上述主要部件的具体情况如下，

比较器：是一个运算单元，其功能是对若干输入信号进行类型转换(比如D/A(数字/模拟)变换)和标度变换，然后进行数值运算，得到一个输出信号，供给控制器或驱动器使用。比较器的输入信号主要有给定信号、现场检测信号和补偿器输出信号等。比较器由一个单片机系统(也可以是一个PLC(可编程逻辑控制器)单元)来实现，由D/A或A/D器件、隔离器件、单片机或片上系统、存储单元、I/O(输入/输出)总线单元和电源系统组成，属于弱电电路，它一般安装在电动小车控制器上。

位移控制器/速度控制器/偏差补偿器：是一种数字运算单元，其功能是可以运行各种不同的控制算法，比如普通PID(比例微分积分)算法、模糊自整定PID算法、单神经元PID控制等，可设置调整控制参数，然后将运算结果，即控制量，输出到比较器/驱动器上。位移控制器/速度控制器/偏差补偿器由一个单片机系统(或片上单元或PLC模块或工控机)实现，其核心是CPU(中央处理器)部件，实现控制数字运算功能。本发明中的位移控制器、速度控制器和偏差补偿器其控制算法和控制参数均不同，控制算法和控制参数需要根据现场情况设计和整定。在电路结构上，位移控制器/速度控制器/偏差补偿器一般由CPU单元、存储单元(ROM(只读内存)和RAM(随机存取存储器))、I/O接口、逻辑器件、时钟单元、电源等构成，形成了一种复合双闭环控制结构，这是本控制系统的核心部件之一。位移控制器/速度控制器/偏差补偿器安装在电动小车的控制箱中。在本发明中，位移控制器/速度控制器/偏差补偿器可以灵活选择各种现有的控制方法，本发明不作具体限定。

速度估计器116、126、216、226：是一种数值运算单元，其功能是对位移传感器115、125、215、225传来的前/后轮电机组的位移量信号p_i(i＝1，...，4)进行滤波、标度变换，然后进行微分运算，从而得到电机的角速度信号ω_i(i＝1，...，4)。速度估计器可以使用现有的各种微分算法，比如，一种简单的情况，若位移检测信息p_i(i＝1，...，4)没有扰动且经过光滑处理，则电机转速其中k_i(i＝1，...，4)是一个常数，此外，速度估计器的功能也可采用各种微分器来实现。速度估计器硬件上由CPU、RAM/ROM、I/O接口芯片、A/D转换模块等组成。速度估计器安装在电动小车控制器上，实时计算电动小车各电机的速度信息。

驱动器113、123、213、223：根据四轴驱动电动小车驱动电机的不同，可以选择不同的驱动器。对于目前比较流行的感应式电机，电动小车驱动器一般采用交流变频器。驱动器安装在电动小车底盘上。

位移传感器：是一种模拟量检测器件，可以采用码盘或感应同步器等装置实现，它安装在双吊具桥吊小车运行机构的特定位置。

本发明的有益效果是，相对于传统的多电机协调控制系统，本发明提供的控制系统结构简单，控制有效，对控制量检测装置的要求较低，成本低，易于实现，使用方便，能够保证在拖动轮打滑或存在干扰等情况下对电动小车运行参数的检测和运动状态的控制，并能够同时实现四轴电动小车的精确定位和速度协调控制。

附图说明

图1是四轴驱动电动小车多电机定位协调控制系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

四轴电动小车控制系统的速度控制闭环采用了两个综合偏差补偿器，完成对速度控制环的速度控制量进行补偿，实现速度协调控制。位置控制外环由位移比较器、位移控制器构成。图1为四轴驱动电动小车定位协调控制系统组成结构图。其中，比较器、速度控制器、驱动器、伺服电机、位移传感器、速度估计器和偏差补偿器等构成了控制系统的速度控制内环，位移比较器、位移控制器、等构成了位置控制外环。

其具体控制过程如下，

由于小车前后部控制系统的结构和功能相似，仅以前部控制过程为例来说明。小车位置控制给定信号p_d由立体分配系统根据现场集装箱装卸任务由集装箱计划调度系统等提供。首先位移比较器400接收到电动小车的位移控制指令p_d，给出电动小车运行的目标位置，在第一个采样周期内，该指令经过位移控制器300的处理得到内环速度控制给定信号u_p，u_p经过比较器111、121后被发送到速度控制器112、122，速度控制器112、122经过控制运算得到速度控制信号和并将其传送给驱动器113、123，进而驱动电动小车首部伺服电机114、124的运行，使电动小车发生速度和位移的变化；在第二个控制周期内，伺服电机114、124的位移传感器115、125检测到两个电机轴的实际位移p_i(i＝1、2)，传送到位移比较器131，位移比较器131将得到的小车前部双电机的位移偏差信息Δp_F＝p₁-p₂传送到偏差补偿器132；同时将位移反馈信息p_F＝(p₁+p₂)/2发送到位移比较器400，与小车位移控制指令p_d进行比较，得到新的小车位移控制信号p_r＝p_d-p_f，并将p_r发送到位移控制器300，位移控制器300经过位移控制算法的计算得到新的小车速度给定信号u_p，并将u_p传送到小车前/后部双轴速度控制闭环中，进行新的速度控制。另外，新的电机位移信号p_i(i＝1、2)也将被传送到速度估计器116、126，速度估计器116、126经过计算得到小车前部双电机的实际速度ω₁和ω₂，将其传送到偏差补偿器132。偏差补偿器132对输入的电机速度(偏差)信息和位移偏差信息按照一定的补偿算法进行综合计算，得到小车前部双电机的速度补偿控制信号c_F1和c_F2，分别传送到比较器111、121中，比较器对输入的速度补偿信号和新的速度给定信号进行比较计算，得到新的速度控制信号(其中，i＝1、2)，经过速度控制器112、122控制算法的计算得到新的小车速度内环协调控制信号和控制驱动器113、123，完成当前控制周期的电机控制。小车后部双轴速度控制的过程与此相同。上述控制过程周而复始，使得电动小车多电机速度偏差得到补偿，位置偏差得到纠正，最终使得电动小车四个电机的速度控制保持同步协调，小车位移得到精确控制，从而实现四轴驱动电动小车的精确定位和多电机协调控制。

四轴驱动电动小车控制系统的控制策略是当电动小车远离目标位置时，电动小车内环速度控制优先，保证电动小车的多电机驱动系统具有较高的运行速度和协调控制；当电动小车接近目标停泊位置时，电动小车多电机位移控制优先，保证电动小车的有效制动和精确定位。这种优先控制逻辑可以通过程序适时地调整各控制器、比较器和偏差补偿器等的参数来实现。当前后部双电机发生打滑等情况时，电机速度反馈和位置反馈信息被传送到偏差补偿器132、232，偏差补偿器132、232经过补偿运算得到补偿控制量c_Fi和c_Bi，进而传送给速度控制器，可以消除多电机运行的不协调，并纠正多电机之间位移的差异，实现精确定位控制。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。