基于电机双闭环策略的矿用巡检机器人控制技术_吴倩.pdf

第42卷第03期2023年03月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.03Mar.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.03.0510前言企业在进行煤炭生产时，需及时对作业设备状态进行监测，确保其运行过程的安全性和稳定性。目前，机械设备的状态监测主要采用现场人工巡检方式，但受工作环境以及人员素质的制约，存在巡检强度较大、成本较高、效率较低等不足，无法满足当前智能矿山生产的需求。近些年，部分研究者利用机器人巡检来代替传统的人工巡检和自动化监控，巡检效率得以改善。由于巡检机器人电机的转速和电流仍以传统PID方式控制为主，无法同时满足响应速度和超调量的要求，导致其实际使用效果并不理想。因此，通过分析巡检机器人直流无刷电机工作原理，运用双闭环控制策略对驱动电机的电流和速度进行控制，解决传统控制方式所存在的问题，在满足参数超调量的基础上，提升系统的响应速度，保证巡检机器人运行的稳定性和可靠性。1巡检机器人驱动电机工作原理矿用巡检机器人无刷直流驱动电机主要由本体、霍尔传感器和开关电路等部分所构成，一般采用2极三相星型结构。电机定子电枢的三相绕组两两对称，任一时刻只对2相绕组导通，第3相悬空失电。各相绕组持续导通角度为120，每60换相1次，换相期间电流大小与方向保持一致。最终形成跳变磁场驱动转子作旋转运动。巡检机器人驱动电机结构如图1所示。当无刷直流电机接通电后，电机的定子磁通与转子磁通交感产生转矩，驱动转子绕轴心旋转。霍尔传感器负责测定电机转子磁极位置并将其转换为电信号，使开关电路输出相应的逻辑信号，从而控制定*国家自然科学基金面上项目（52072343）基于电机双闭环策略的矿用巡检机器人控制技术*吴倩1，翟冬1，董世建2，李洁静1（1.沧州职业技术学院，河北 沧州061001；2.中国矿业大学，江苏 徐州221116）摘要：采用传统PID方式对矿用巡检机器人驱动电机进行控制时，存在响应速度慢、超调量较高等不足。通过分析驱动电机的工作原理，以巡检机器人无刷直流驱动电机为研究的方向，利用双闭环策略对驱动电机的电流和速度进行控制，并运用MATLAB/Simulink构建了控制模型对驱动电机的各项运行参数进行仿真。结果表明：对模型施加设定的转速时，双闭环控制系统的响应速度较快，静态误差小，可靠性良好。施加负载转矩时，速度环的调节用时较短，仅需0.02 s即可达到动态平衡，且超调量较低，满足驱动电机控制要求，能够进一步提升了巡检机器人运行的稳定性。关键词：巡检机器人；无刷直流驱动电机；双闭环控制中图分类号：TP242文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）03 253 03Control Technology of Mining Patrol Robot Based on Double ClosedLoop Strategy of MotorWU Qian1，ZHAI Dong1，DONG Shijian2，LI Jiejing1（1.Cangzhou Technical College,Cangzhou 061001,China；2.China University of Mining and Technology,Xuzhou221116,China）Abstract:When the traditional PID method is used to control the drive motor of the mining patrolrobot,there are some shortcomings such as slow response and high overshoot.By analyzing the workingprinciple of the drive motor and taking the brushless direct current motor(BLDCM)of the patrol robotas the research direction,the current and speed of the drive motor are controlled by the double closed-loop strategy,and the control model is built with MATLAB/Simulink to simulate the operation parametersof the drive motor.The results show that when a set speed is applied to the model,the double closed-loop control system has faster response speed,smaller static error and good reliability.When applyingload torque,the adjusting time of speed ring is shorter,only 0.02 s is needed to achieve dynamicbalance,and the overshoot is low,which meets the requirements of motor control and further improvesthe stability of the patrol robot.Key words:patrol robot；BLDCM；double closed loop control253子各相绕组按一定的顺序导通，使相电流根据转子位置的不同而不断发生变化。因此，无刷直流电机能够提供更大的电磁转矩，具备较强的过载能力和连续调速能力，转速特性和动态响应时间特性等方面表现良好。图1巡检机器人驱动电机结构图1.霍尔传感器2.开关电路3.电机本体2机器人驱动电机双闭环控制方法为了确保无刷直流电机的实际运行效果，采用比例-微分（PI）双闭环策略实现电流和速度的反馈调节，避免电流过分超调，缩短调节时间，使被控量得到更好的控制效果。基于双闭环策略的巡检机器人驱动电机控制框架如图2所示。图2驱动电机双闭环控制框架双闭环控制策略中的控制外环为速度环，控制内环为电流环，分别采用ASR和ACR调节器进行控制。速度环用来抑制负载干扰并消除驱动电机运行速度上的偏差，保证机器人以稳定的速度进行巡检；电流环负责调整电流的大小、抑制电压波动，避免爬坡、过障等条件下转速调节过程可能引发的饱和现象。在外环与内环的反馈通路中，分别设计有电流反馈滤波器和转速反馈滤波器，用来抑制干扰信号，并对信号进行滤波。电流反馈滤波器的传递函数：Wfi（s）=aTais+1（1）转速反馈滤波器的传递函数：Wfn（s）=bTans+1（2）式中s复频率；a，b电流和转速的反馈系数；Tai，Tan电流和转速的滤波时间常数。由于ASR，ACR调节器均采用比例-微分的方式进行调节，则两者的传递函数：WASR（s）=K1p1s+1p1s（3）WACR（s）=K2p2s+1p2s（4）式中K1，K2电流PI调节器和转速PI调节器的比例增益；p1，p2电流PI调节器和转速PI调节器的超前时间常数。3仿真实验3.1仿真模型与参数设置由于地形高差的不同，巡检机器人的运行状态大致可分为上坡和下坡，不同运行状态下驱动电机的负载也略有差异。上坡过程，机器人负载变大，驱动电机阻力力矩变大；下坡过程中，负载变小，阻力力矩也会相应的降低。根据无刷直流驱动电机运行的原理，结合双闭环控制方案，利用MATLAB/Simulink构建了仿真模型对基于双闭环策略的机器人驱动电机进行实验，从而完成变负载条件下电机电流、转速以及转矩的动态变化情况作出分析，以验证文中方法的有效性与可行性。其中，电流调节模块结构分别如图3所示。图3电流调节模块图驱动电机仿真参数：极对数4额定电压/V24额定功率/W50阻尼系数1.510-3转动惯量/kgm28.210-43.2仿真分析为了验证基于双闭环控制的驱动电机的静态和动态性能，设定驱动电机为空载启动，转速320 r/min，仿真时间为0.5 s，并在0.1 s时施加4 Nm的负载来第42卷第03期基于电机双闭环策略的矿用巡检机器人控制技术吴倩，等Vol.42 No.03W1W2U1U2V1V2123+ES49ENS-+-+-给定的速度速度反馈滤波器电流反馈滤波器转速调节器ASRPWM变换器电流调节器ACR霍尔传感器无刷直流电机逆变器+-1参考电流示波器电流控制器210.1-K-1输出电流限幅模块Product模块s1+信号放大器Constant模块交换模块Constant模块信号放大器积分模块254模拟机器人实际运行过程的负载变化。所获取的电机绕组电流与反电动势波形图分别如图4、图5所示。图4电机绕组电流波形图图5电机绕组反电动势波形图由图4可知，初始阶段的电机绕组电流的波动较为强烈，但由于电流限幅环的作用，在0.015 s后趋于平稳。施加负载的瞬间，绕组电流波动较大，经0.07 s的调节趋于稳定，且超调量较低，表明控制系统具备良好的调节能力。图5可以看出绕组反电动势波形的周期性变化曲线与实际情况较为一致，仿真结果满足要求，能够为巡检机器人驱动电机的其他仿真参数变化提供保证。电机转速的仿真波形和电磁转矩波形分别如图6、图7所示。图6电机转速的仿真波形图图7电机电磁转矩波形图由图6可知，当对仿真模型施加320 r/min的转速时，驱动电机的转速逐渐增加，并在达到设定转速后保持平稳运行，说明双闭环控制系统的响应速度较快，静态误差小，稳定性良好。施加4 Nm的负载转矩时，驱动电机的转速发生变化，但通过速度环的自主调节，速度在0.02 s后达到动态平衡。由于电机负载发生变化，导致稳定后的转速稍低于设定转速值，与实际情况运行相同。由图7可知，电机转矩波形能够直观反映出转矩的动态变化，波形脉动冲击变化较小，系统调整控制速度快，抗干扰能力强。4结语矿用巡检机器人行进过程因坡度的影响会导致的速度和负载发生变化，采用传统控制方式时，无法满足系统响应速度和超调量的要求。以巡检机器人无刷直流驱动电机为研究的方向，利用双闭环控制策略对电机进行控制，利用MATLAB/Simulink构建了电流和速度的双闭环控制模型，对电机的电流、转速以及电磁转矩进行仿真分析。结果表明：在驱动电机负载突变的条件下，速度和转矩达到稳定状态过程所用时间较短，电机绕组电流与电动势的波动范围较小。因此，基于电机双闭环策略的机器人控制方法具备动态响应速度快和抗干扰能力，调整用时短，稳态性能良好，能够进一步提升巡检机器人运动的稳定性。参考文献：1李实求,郝帅,马旭,等.无刷直流电机双闭环模糊自适应控制方法研究J.电气传动,2012,42(7):61-63.2李珍国,周生海,王江浩,等.无刷直流电动机双闭环调速系统的转矩脉动抑制研究J.电工技术学报,2015,30(15):156-163.3阮晓钢,刘桐.一种球形轮机器人双闭环非线性PID控制方法J.中国科技论文,2018,13(20):2301-2308，2322.4靖文,王影星.不同驱动方式对无刷直流电机性能的研究J.电气传动,2019,49(5):3-6，24.5杨威,郝润科,高峰.无刷直流电机换相转矩脉动抑制的研究J.上海理工大学学报,2017,39(5):467-472.6王成军,王智慧,金力,等.双臂型井下巡检机器人动力学分析J.煤炭技术,2021,40(11):181-185.7姜文彪,吴坚.直流电机双闭环PI控制技术研究J.机床与液压,2012,40(11):21-24.8马晓爽,石征锦.基于Simulink的无刷直流电机双闭环调速系统仿真研究J.制造业自动化,2016,38(7):82-88.9周红梅.矿用永磁无刷直流电机控制技术研究J.煤炭技术,2014,33(10):225-227.作者简介：吴倩（1987-），女，回