【正文】 輪23 工控機及電瓶2 光電傳感器24 碰撞開關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碩士學位論文 13TERMINAL SERVER 與自動導引車通過串口通訊，通過 CORBA 協(xié)議，發(fā)送控制指令執(zhí)行（自圖 自動導引車總體控制框圖動運行狀態(tài)） ；另一方面，也可以通過自動導引車控制模塊的界面，由人工控制單步執(zhí)行（手動運行狀態(tài)） ，將FMS中的工件（毛坯）按照規(guī)定指令裝卸和搬運。 本章小結本章結合自動導引車的工作運行環(huán)境，介紹了其系統(tǒng)工作原理，機構分布、總體控制方案和軟件設計方案。16 路光電傳感器（前）16 路光電傳感器（后）采集轉換電路采集轉換電路 I/O 轉換基板PCI數(shù)據(jù)采集卡PCI 數(shù)據(jù)采集卡1工控 機隔離、驅動叉手電機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、驅動小車電機PWMPWM基于 FMS 的自動導引車控制器設計與實現(xiàn)14第三章 自動導引車控制器硬件設計與開發(fā) 引言如果說自動導引車機械部分像人的軀體的話，那么控制系統(tǒng)部分則相當于人的大腦，是自動導引車的核心部分，控制系統(tǒng)的優(yōu)劣直接決定著整個自動導引車的性能?；谧詣訉б嚨墓I(yè)運行環(huán)境，在硬件選擇時，應考慮以下主要因素：首先，硬件的可靠性要求較高；此外，還應合理確定傳感器的性能，以滿足自動導引車功能的要求。如圖 所示，本課題所設計的控制系統(tǒng)由前后四個碰撞開關、前后兩組光電傳感器、前后兩個條形碼掃描、前后兩個導向輪、左右兩個驅動輪及電器控制盒、電瓶等組成。自動導引車電氣控制部分主要由嵌入式工控機作為中央控制器， 4 只碰撞開關及兩個條形碼掃描器將輸入信號通過數(shù)據(jù)采集卡輸入工控機內(nèi)存，確定自動導引車啟停位置，并在一旦受到碰撞時得到保護；自動導引車通過前后兩組光電圖 自動導引車電氣控制框圖傳感器識別地上預先鋪設的 30mm 寬的白條作為小車運行軌跡，進行差動調速，使小車沿條無線網(wǎng)卡2 臺 76W24V直流電機電機驅動外部存儲器工控機無線通訊PCI 總線IO 擴展2 個條形碼掃描器4 只碰撞傳感器（保護）2 組光電傳感器(前后尋跡)啟停信號自動導引車操作部分南京航空航天大學碩士學位論文 15形碼軌道運行。當小車運行到所要求工位附近時，自動減速行駛，并且糾正運行方向偏差，當小車的傳感器接收到停止信號時，小車停止移動。工控機將信號輸出給機械手可升降電機及叉手前后移動電機，控制信號可使自動導引車升降，并可使叉手前后動作。工控機由上位機通過無線網(wǎng)卡通訊。 控制器相關硬件設計與開發(fā)自動導引車嵌入式工控機及其上位機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，通過編程自動導引車能實時接受上位機管理系統(tǒng)給出的路徑運行指令及叉手動作指令，經(jīng)車載機軟件處理后可直接變?yōu)樽詣訉б嚨膱?zhí)行指令。車載機的嵌入式工控機通過無線路由器和無線網(wǎng)卡組成一個無線局域網(wǎng)，使上位機發(fā)送的任務信息、行走路徑等數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳送到車載計算機，根據(jù)自動導引車運行的實際需求，自動導引車控制系統(tǒng)采用模塊化設計思路，主要包括：自動導引車行走模塊、循跡模塊、電源模塊、插槽板模塊、安全保護模塊、移載模塊等，下面就幾個關鍵的模塊進行說明。 自動導引車行走模塊自動導引車行走模塊主要由移動（行走）機構、行走電機及行走電機驅動模塊等部分組成，是控制自動導引車正常移動的裝置。其運行指令由計算機或人工控制器發(fā)出，運行速度、方向、制動的調節(jié)分別由計算機控制。為了能控制車輪的轉速，可以采取 PWM 調速法，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動電機，通過編程改變輸出方波的占空比，就可以改變加到電機上的平均電壓，從而改變電機的轉速?？紤]到小車必須能夠前進、倒退、停止，并能靈活轉向，在左右兩輪各裝一臺電機分別驅動，通過左右輪兩個電機轉速的配合就可以實現(xiàn)小車的前進、倒退、轉彎等功能。1. 移動（行走）機構自動導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理，用腿腳走路，對環(huán)境的適應性好，智能程度相對也比較高，但步行移動方式在機構和控制上是非常復雜的；履帶式移動機構是一種類似于坦克的移動機構，其優(yōu)點是著地面積比車輪式大，著地壓強小，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；履帶式在轉彎時也是依靠兩側履帶的速度差來實現(xiàn)，缺點是轉彎不如車輪式靈活，并且轉彎時會使履帶與路面產(chǎn)生相對橫向滑動，加大自動導引車車體的能耗或對地面產(chǎn)生一定損壞，相對車輪式來講，履帶式的結構較復雜一些，重量也比車輪式的要重。車輪移動機構是最常用的一種移動機構，優(yōu)點是能高速穩(wěn)定地移動，機構和控制都比較簡單；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路面。因為本課題所設計的自動導引車工基于 FMS 的自動導引車控制器設計與實現(xiàn)16作現(xiàn)場是無錫職業(yè)技術學院工業(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構就可以滿足要求 [29]。車輪式自動導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，自動調整移動方向。通常根據(jù)調整方向的原理不同可將車輪式移動機構分為兩大類：舵機調整式和差速調整式。舵機調整式移動機構通常為3輪結構，由1個中心前輪和2個后輪成三角形布置。，一般這種結構將操舵機構和驅動機構都集中在前輪上，2個后輪只起支撐從動作用，該結構形式在高速循線前進時有一最小轉彎半徑的限制，理論上可繞2個后輪連線的中點自轉，但這樣在循線時通常會偏出預定軌道，一般循線前進時前輪偏轉角度以不大于45176。為宜，結構比較復雜。但這種結構運行時比較平穩(wěn)，側向定位精度較高。：這種移動機構通常為4輪結構，中間為兩個獨立驅動輪，前后各一萬向從動輪，成菱形布置。差速調整式結構的前后輪為萬向腳輪，左右兩輪為獨立驅動輪，與舵機調整式相比，其自轉中心與車體中心重合，通過兩驅動輪的速度差來調整移動方向，當兩驅動輪以相同速度相反方向轉動時，車體能繞自身中心實現(xiàn)自轉，而且可以實現(xiàn)循線前進或循線后退，因此，它的靈活性好，自動導引車通常都采用這種結構形式。但它的缺點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，應當盡量將車體的重心配置在兩個驅動輪連線的近旁，減少慣性的影響，前后萬向輪采用彈性聯(lián)接方式，采用兩輪差速進行轉向控制或按曲線運動行駛，其曲線運動半徑或轉動方向可通過控制兩車輪的速度差ΔV 或旋轉方向的不同來實現(xiàn)。兩輪的轉動方向相同，當vr vl 時，車輛左轉；當 vr vl 時，車輛右轉。兩輪的轉動方向相反，當vr rl 時，車輛左轉；當vr vl 時，車輛右轉；當vr = vl 時，可實現(xiàn)車輛原地轉向。圖 舵機調整式 圖 差速調整式2. 電機及電機驅動根據(jù)自動導引車的車體自重及載重，確定行走驅動電機、轉向電機、執(zhí)行電機的功率；如有液壓系統(tǒng)，還應確定液壓電機功率。從提高運動精度出發(fā)，自動導引車行走驅動電機應使用直流伺服電機為主，但是，由于一整套直流伺服電機單元（含電機、減速器、編碼器和控制12 33241南京航空航天大學碩士學位論文 17驅動器）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引車行走驅動電機選用直流減速電機來取代直流伺服電機和減速機的組合，同時，驅動輪和電機通過傳動鏈條和齒輪聯(lián)接，而不直接相聯(lián)，自動導引車行走依靠2只70ZYT002J4000 52 r/min (速比 1：75)的直流減速電機驅動，該電機的額定輸出功率和最大轉速能夠滿足系統(tǒng)的需求，而電機的旋轉方向和轉速全部由軟件控制，輸入控制信號包括有方向（DIRECTION ）、制動（BRAKE ）和速度（PWM控制）等要素。直流電動機由磁極、電樞、電刷及換向片組成，具有優(yōu)良的調速特性，調速平滑，方便，調整范圍廣，過載能力強，能承受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁的快速啟動、制動和反轉，能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求。為了使直流電動機旋轉，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。直流電動機的轉速控制方法有勵磁控制法和電樞電壓控制法，絕大多數(shù)直流電動機通過脈寬調制（PWM）來控制電動機電樞電壓實現(xiàn)調速。在PWM調速時，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：定寬調頻法、調寬調頻法、定頻調寬法，但由于定寬調頻法和調寬調頻法在調速時改變了控制脈寬的周期（或頻率），當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的控制中主要使用定頻調寬法，規(guī)則為：如果小車相對于導引線沒有偏移，那么它應該直行（即左右輪轉速差為零）；如果小車相對于導引線左偏，那么它應該向右轉（即左右輪轉速差為負?。?；如果小車相對于導引線向嚴重左偏，那么它應該向右轉的幅度大一些（即左右輪轉速差為負大）；如果小車相對于導引線右偏，那么它應該向左轉（即左右輪轉速差為正?。?；如果小車相對于導引線嚴重右偏，那么它應該向向左轉的幅度大一些（即左右輪轉速差為正大）。這部分功能通過用MFC進行程序開發(fā)，采用 VISua1C++語言來進行軟件系統(tǒng)設計來實現(xiàn)。左行走電機：LPWM 脈沖：P3A0，方向：P3A2=0 ，正轉，P3A2=1，反轉；右行走電機：RPWM 脈沖：P3A1，方向： P3A3=0，正轉，P3A3=1 ，反轉。雖然使用分立元件搭建電機驅動電路造價低廉，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，所以左右電機驅動使用 IR2110 作為前置驅動，IR2110 是美國 IR 公司生產(chǎn)的高壓、高速 PMOSFET 和 IGBT的理想驅動器。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 500V；功率器件柵極驅動電壓范圍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；開關通斷延時小，分別為 120ns 和 90ns；工作頻率達 500kHz。其內(nèi)部結構主要包括邏輯輸入、電平轉換及輸出保護等。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 的自動導引車控制器設計與實現(xiàn)18出保護。如上述 IR2110 的特點，可以為裝置的設計帶來許多方便。尤其是高端懸浮自舉電源的設計，可以大大減少驅動電源的數(shù)目，即一組電源即可實現(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)部結構LO 1COM2VCC3NC 4Vs5 Vb6HO 7NC 8VDD9HIN10SD11 LIN12VSS13NC 14U1IR2110LPWM+12V VCCFET160N06LIN2C1 FET260N06LIN2LO 1COM2VCC3NC 4Vs5 Vb6HO 7NC 8VDD9HIN10SD11 LIN12VSS13NC 14U2IR2110RPWM+12V VCCFET360N06RIN2FET460N06RIN2南京航空航天大學碩士學位論文 19圖 左、右行走電機驅動電路 來自于軟件的 PWM 調制信號送到 IR2110 專用集成驅動電路輸入端 HIN1 輸入，另一路輸入電機正反轉控制信號，在 IR2110 的輸出端 HO 得到相位相同的驅動信號，進而驅動 MOSFET 功率管，加至場效應管 FET60N06 的柵極，驅動電機，調節(jié)