【正文】 輪23 工控機(jī)及電瓶2 光電傳感器24 碰撞開關(guān)41 條形碼掃描器25 升降及叉手部分6 啟動停止信號接收南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 13TERMINAL SERVER 與自動導(dǎo)引車通過串口通訊，通過 CORBA 協(xié)議，發(fā)送控制指令執(zhí)行（自圖 自動導(dǎo)引車總體控制框圖動運(yùn)行狀態(tài)） ；另一方面，也可以通過自動導(dǎo)引車控制模塊的界面，由人工控制單步執(zhí)行（手動運(yùn)行狀態(tài)） ，將FMS中的工件（毛坯）按照規(guī)定指令裝卸和搬運(yùn)。 本章小結(jié)本章結(jié)合自動導(dǎo)引車的工作運(yùn)行環(huán)境，介紹了其系統(tǒng)工作原理，機(jī)構(gòu)分布、總體控制方案和軟件設(shè)計方案。16 路光電傳感器（前）16 路光電傳感器（后）采集轉(zhuǎn)換電路采集轉(zhuǎn)換電路 I/O 轉(zhuǎn)換基板PCI數(shù)據(jù)采集卡PCI 數(shù)據(jù)采集卡1工控 機(jī)隔離、驅(qū)動叉手電機(jī)1條形碼讀取裝置PCI 數(shù)據(jù)采集卡1各種傳感器PCI 數(shù)據(jù)采集卡隔離、驅(qū)動小車電機(jī)PWMPWM基于 FMS 的自動導(dǎo)引車控制器設(shè)計與實(shí)現(xiàn)14第三章 自動導(dǎo)引車控制器硬件設(shè)計與開發(fā) 引言如果說自動導(dǎo)引車機(jī)械部分像人的軀體的話，那么控制系統(tǒng)部分則相當(dāng)于人的大腦，是自動導(dǎo)引車的核心部分，控制系統(tǒng)的優(yōu)劣直接決定著整個自動導(dǎo)引車的性能?；谧詣訉?dǎo)引車的工業(yè)運(yùn)行環(huán)境，在硬件選擇時，應(yīng)考慮以下主要因素：首先，硬件的可靠性要求較高；此外，還應(yīng)合理確定傳感器的性能，以滿足自動導(dǎo)引車功能的要求。如圖 所示，本課題所設(shè)計的控制系統(tǒng)由前后四個碰撞開關(guān)、前后兩組光電傳感器、前后兩個條形碼掃描、前后兩個導(dǎo)向輪、左右兩個驅(qū)動輪及電器控制盒、電瓶等組成。自動導(dǎo)引車電氣控制部分主要由嵌入式工控機(jī)作為中央控制器， 4 只碰撞開關(guān)及兩個條形碼掃描器將輸入信號通過數(shù)據(jù)采集卡輸入工控機(jī)內(nèi)存，確定自動導(dǎo)引車啟停位置，并在一旦受到碰撞時得到保護(hù)；自動導(dǎo)引車通過前后兩組光電圖 自動導(dǎo)引車電氣控制框圖傳感器識別地上預(yù)先鋪設(shè)的 30mm 寬的白條作為小車運(yùn)行軌跡，進(jìn)行差動調(diào)速，使小車沿條無線網(wǎng)卡2 臺 76W24V直流電機(jī)電機(jī)驅(qū)動外部存儲器工控機(jī)無線通訊PCI 總線IO 擴(kuò)展2 個條形碼掃描器4 只碰撞傳感器（保護(hù)）2 組光電傳感器(前后尋跡)啟停信號自動導(dǎo)引車操作部分南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 15形碼軌道運(yùn)行。當(dāng)小車運(yùn)行到所要求工位附近時，自動減速行駛，并且糾正運(yùn)行方向偏差，當(dāng)小車的傳感器接收到停止信號時，小車停止移動。工控機(jī)將信號輸出給機(jī)械手可升降電機(jī)及叉手前后移動電機(jī)，控制信號可使自動導(dǎo)引車升降，并可使叉手前后動作。工控機(jī)由上位機(jī)通過無線網(wǎng)卡通訊。 控制器相關(guān)硬件設(shè)計與開發(fā)自動導(dǎo)引車嵌入式工控機(jī)及其上位機(jī)都安裝有用于分布式控制系統(tǒng)的 CORBA 軟件，兩者都作了 IDL 接口定義，通過編程自動導(dǎo)引車能實(shí)時接受上位機(jī)管理系統(tǒng)給出的路徑運(yùn)行指令及叉手動作指令，經(jīng)車載機(jī)軟件處理后可直接變?yōu)樽詣訉?dǎo)引車的執(zhí)行指令。車載機(jī)的嵌入式工控機(jī)通過無線路由器和無線網(wǎng)卡組成一個無線局域網(wǎng)，使上位機(jī)發(fā)送的任務(wù)信息、行走路徑等數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送到車載計算機(jī)，根據(jù)自動導(dǎo)引車運(yùn)行的實(shí)際需求，自動導(dǎo)引車控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思路，主要包括：自動導(dǎo)引車行走模塊、循跡模塊、電源模塊、插槽板模塊、安全保護(hù)模塊、移載模塊等，下面就幾個關(guān)鍵的模塊進(jìn)行說明。 自動導(dǎo)引車行走模塊自動導(dǎo)引車行走模塊主要由移動（行走）機(jī)構(gòu)、行走電機(jī)及行走電機(jī)驅(qū)動模塊等部分組成，是控制自動導(dǎo)引車正常移動的裝置。其運(yùn)行指令由計算機(jī)或人工控制器發(fā)出，運(yùn)行速度、方向、制動的調(diào)節(jié)分別由計算機(jī)控制。為了能控制車輪的轉(zhuǎn)速，可以采取 PWM 調(diào)速法，即由軟件輸出一系列頻率固定的方波，再通過功率放大來驅(qū)動電機(jī)，通過編程改變輸出方波的占空比，就可以改變加到電機(jī)上的平均電壓，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。考慮到小車必須能夠前進(jìn)、倒退、停止，并能靈活轉(zhuǎn)向，在左右兩輪各裝一臺電機(jī)分別驅(qū)動，通過左右輪兩個電機(jī)轉(zhuǎn)速的配合就可以實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、倒退、轉(zhuǎn)彎等功能。1. 移動（行走）機(jī)構(gòu)自動導(dǎo)引車在地面上的移動方式通常有三種，步行式、履帶式和車輪式。步行移動方式模仿人類或動物的行走機(jī)理，用腿腳走路，對環(huán)境的適應(yīng)性好，智能程度相對也比較高，但步行移動方式在機(jī)構(gòu)和控制上是非常復(fù)雜的；履帶式移動機(jī)構(gòu)是一種類似于坦克的移動機(jī)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是著地面積比車輪式大，著地壓強(qiáng)小，與地面摩擦力大，對地面要求低，可在有一定坑洼的路面上行走；履帶式在轉(zhuǎn)彎時也是依靠兩側(cè)履帶的速度差來實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)彎不如車輪式靈活，并且轉(zhuǎn)彎時會使履帶與路面產(chǎn)生相對橫向滑動，加大自動導(dǎo)引車車體的能耗或?qū)Φ孛娈a(chǎn)生一定損壞，相對車輪式來講，履帶式的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜一些，重量也比車輪式的要重。車輪移動機(jī)構(gòu)是最常用的一種移動機(jī)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是能高速穩(wěn)定地移動，機(jī)構(gòu)和控制都比較簡單；但它也有一定的限制：對地面的要求較高，只適用于平整的硬質(zhì)路面。因?yàn)楸菊n題所設(shè)計的自動導(dǎo)引車工基于 FMS 的自動導(dǎo)引車控制器設(shè)計與實(shí)現(xiàn)16作現(xiàn)場是無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院工業(yè)中心的數(shù)控車間，地面較為潔凈，所以采用車輪式移動機(jī)構(gòu)就可以滿足要求 [29]。車輪式自動導(dǎo)引車在移動過程中需要根據(jù)傳感器采集傳輸過來的信號，自動調(diào)整移動方向。通常根據(jù)調(diào)整方向的原理不同可將車輪式移動機(jī)構(gòu)分為兩大類：舵機(jī)調(diào)整式和差速調(diào)整式。舵機(jī)調(diào)整式移動機(jī)構(gòu)通常為3輪結(jié)構(gòu)，由1個中心前輪和2個后輪成三角形布置。，一般這種結(jié)構(gòu)將操舵機(jī)構(gòu)和驅(qū)動機(jī)構(gòu)都集中在前輪上，2個后輪只起支撐從動作用，該結(jié)構(gòu)形式在高速循線前進(jìn)時有一最小轉(zhuǎn)彎半徑的限制，理論上可繞2個后輪連線的中點(diǎn)自轉(zhuǎn)，但這樣在循線時通常會偏出預(yù)定軌道，一般循線前進(jìn)時前輪偏轉(zhuǎn)角度以不大于45176。為宜，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。但這種結(jié)構(gòu)運(yùn)行時比較平穩(wěn)，側(cè)向定位精度較高。：這種移動機(jī)構(gòu)通常為4輪結(jié)構(gòu)，中間為兩個獨(dú)立驅(qū)動輪，前后各一萬向從動輪，成菱形布置。差速調(diào)整式結(jié)構(gòu)的前后輪為萬向腳輪，左右兩輪為獨(dú)立驅(qū)動輪，與舵機(jī)調(diào)整式相比，其自轉(zhuǎn)中心與車體中心重合，通過兩驅(qū)動輪的速度差來調(diào)整移動方向，當(dāng)兩驅(qū)動輪以相同速度相反方向轉(zhuǎn)動時，車體能繞自身中心實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)，而且可以實(shí)現(xiàn)循線前進(jìn)或循線后退，因此，它的靈活性好，自動導(dǎo)引車通常都采用這種結(jié)構(gòu)形式。但它的缺點(diǎn)是前后萬向輪有時不能同時著地支撐，在高速啟動和剎車時車體會產(chǎn)生后仰和前沖，為了克服這種缺點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)盡量將車體的重心配置在兩個驅(qū)動輪連線的近旁，減少慣性的影響，前后萬向輪采用彈性聯(lián)接方式，采用兩輪差速進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制或按曲線運(yùn)動行駛，其曲線運(yùn)動半徑或轉(zhuǎn)動方向可通過控制兩車輪的速度差ΔV 或旋轉(zhuǎn)方向的不同來實(shí)現(xiàn)。兩輪的轉(zhuǎn)動方向相同，當(dāng)vr vl 時，車輛左轉(zhuǎn)；當(dāng) vr vl 時，車輛右轉(zhuǎn)。兩輪的轉(zhuǎn)動方向相反，當(dāng)vr rl 時，車輛左轉(zhuǎn)；當(dāng)vr vl 時，車輛右轉(zhuǎn)；當(dāng)vr = vl 時，可實(shí)現(xiàn)車輛原地轉(zhuǎn)向。圖 舵機(jī)調(diào)整式 圖 差速調(diào)整式2. 電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動根據(jù)自動導(dǎo)引車的車體自重及載重，確定行走驅(qū)動電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)、執(zhí)行電機(jī)的功率；如有液壓系統(tǒng)，還應(yīng)確定液壓電機(jī)功率。從提高運(yùn)動精度出發(fā)，自動導(dǎo)引車行走驅(qū)動電機(jī)應(yīng)使用直流伺服電機(jī)為主，但是，由于一整套直流伺服電機(jī)單元（含電機(jī)、減速器、編碼器和控制12 33241南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 17驅(qū)動器）價格昂貴，無法大量使用。為了使系統(tǒng)能夠節(jié)省成本，便于安裝和控制，本課題研制的自動導(dǎo)引車行走驅(qū)動電機(jī)選用直流減速電機(jī)來取代直流伺服電機(jī)和減速機(jī)的組合，同時，驅(qū)動輪和電機(jī)通過傳動鏈條和齒輪聯(lián)接，而不直接相聯(lián)，自動導(dǎo)引車行走依靠2只70ZYT002J4000 52 r/min (速比 1：75)的直流減速電機(jī)驅(qū)動，該電機(jī)的額定輸出功率和最大轉(zhuǎn)速能夠滿足系統(tǒng)的需求，而電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速全部由軟件控制，輸入控制信號包括有方向（DIRECTION ）、制動（BRAKE ）和速度（PWM控制）等要素。直流電動機(jī)由磁極、電樞、電刷及換向片組成，具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑，方便，調(diào)整范圍廣，過載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)，能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求。為了使直流電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，需要通過換向器和電刷不斷地改變電樞繞組中電流的方向。直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法有勵磁控制法和電樞電壓控制法，絕大多數(shù)直流電動機(jī)通過脈寬調(diào)制（PWM）來控制電動機(jī)電樞電壓實(shí)現(xiàn)調(diào)速。在PWM調(diào)速時，占空比a 是一個重要參數(shù)，改變占空比的值主要有三種方法：定寬調(diào)頻法、調(diào)寬調(diào)頻法、定頻調(diào)寬法，但由于定寬調(diào)頻法和調(diào)寬調(diào)頻法在調(diào)速時改變了控制脈寬的周期（或頻率），當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)固有頻率接近時，將會引起振蕩，因此目前在直流電動機(jī)的控制中主要使用定頻調(diào)寬法，規(guī)則為：如果小車相對于導(dǎo)引線沒有偏移，那么它應(yīng)該直行（即左右輪轉(zhuǎn)速差為零）；如果小車相對于導(dǎo)引線左偏，那么它應(yīng)該向右轉(zhuǎn)（即左右輪轉(zhuǎn)速差為負(fù)?。蝗绻≤囅鄬τ趯?dǎo)引線向嚴(yán)重左偏，那么它應(yīng)該向右轉(zhuǎn)的幅度大一些（即左右輪轉(zhuǎn)速差為負(fù)大）；如果小車相對于導(dǎo)引線右偏，那么它應(yīng)該向左轉(zhuǎn)（即左右輪轉(zhuǎn)速差為正?。?；如果小車相對于導(dǎo)引線嚴(yán)重右偏，那么它應(yīng)該向向左轉(zhuǎn)的幅度大一些（即左右輪轉(zhuǎn)速差為正大）。這部分功能通過用MFC進(jìn)行程序開發(fā)，采用 VISua1C++語言來進(jìn)行軟件系統(tǒng)設(shè)計來實(shí)現(xiàn)。左行走電機(jī)：LPWM 脈沖：P3A0，方向：P3A2=0 ，正轉(zhuǎn)，P3A2=1，反轉(zhuǎn)；右行走電機(jī)：RPWM 脈沖：P3A1，方向： P3A3=0，正轉(zhuǎn)，P3A3=1 ，反轉(zhuǎn)。雖然使用分立元件搭建電機(jī)驅(qū)動電路造價低廉，在大規(guī)模生產(chǎn)中使用廣泛。但考慮到分立元件 H 橋電路工作性能不夠穩(wěn)定，較易出現(xiàn)硬件故障，而且組裝成本也很高，所以左右電機(jī)驅(qū)動使用 IR2110 作為前置驅(qū)動，IR2110 是美國 IR 公司生產(chǎn)的高壓、高速 PMOSFET 和 IGBT的理想驅(qū)動器。該芯片采用 HVIC 和閂鎖抗干擾制造工藝，集成 DIP、SOIC 封裝。其主要特性包括：懸浮通道電源采用自舉電路，電壓最高可達(dá) 500V；功率器件柵極驅(qū)動電壓范圍10V～20V；輸出電流峰值為 2A；邏輯電源范圍 5V～20V，而且邏輯電源地和功率地之間允許+5V 的偏移量；帶有下拉電阻的 COMS 施密特輸入端，可以方便地與 LSTTL 和 CMOS 電平匹配；獨(dú)立的低端和高端輸入通道，具有欠電壓同時鎖定兩通道功能；兩通道的匹配延時為10ns；開關(guān)通斷延時小，分別為 120ns 和 90ns；工作頻率達(dá) 500kHz。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括邏輯輸入、電平轉(zhuǎn)換及輸出保護(hù)等。IR2110 內(nèi)部功能由三部分組成：邏輯輸入；電平平移及輸基于 FMS 的自動導(dǎo)引車控制器設(shè)計與實(shí)現(xiàn)18出保護(hù)。如上述 IR2110 的特點(diǎn)，可以為裝置的設(shè)計帶來許多方便。尤其是高端懸浮自舉電源的設(shè)計，可以大大減少驅(qū)動電源的數(shù)目，即一組電源即可實(shí)現(xiàn)對上下端的控制。如圖 所示，各引出端分別是：1 端（LO）是低端通道輸出；2 端（COM）是公共端；3 端（Vss）是低端固定電源電壓；5 端（Us ）是高端浮置電源偏移電壓；6 端（UB）是高端浮置電源電壓；7 端（HO）是高端輸出；9 端（VDD）是邏輯電路電源電壓；10 端（HIN） 、11 端（SD） 、12 端（LIN ）均是邏輯輸入； 13 端（Vss）是邏輯電路地電位端外加電源電壓，其值可以為 5V；4 端、8 端、 14 端均為空端。圖 IR2110 內(nèi)部結(jié)構(gòu)LO 1COM2VCC3NC 4Vs5 Vb6HO 7NC 8VDD9HIN10SD11 LIN12VSS13NC 14U1IR2110LPWM+12V VCCFET160N06LIN2C1 FET260N06LIN2LO 1COM2VCC3NC 4Vs5 Vb6HO 7NC 8VDD9HIN10SD11 LIN12VSS13NC 14U2IR2110RPWM+12V VCCFET360N06RIN2FET460N06RIN2南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 19圖 左、右行走電機(jī)驅(qū)動電路 來自于軟件的 PWM 調(diào)制信號送到 IR2110 專用集成驅(qū)動電路輸入端 HIN1 輸入，另一路輸入電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制信號，在 IR2110 的輸出端 HO 得到相位相同的驅(qū)動信號，進(jìn)而驅(qū)動 MOSFET 功率管，加至場效應(yīng)管 FET60N06 的柵極，驅(qū)動電機(jī)，調(diào)節(jié)