模糊PID消防機器人無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

趙偉 趙曉俠

摘 要：傳統(tǒng)消防機器人主要運用有刷直流電機和經(jīng)典PID控制。提出一種將無刷直流電機和模糊PID控制算法相結(jié)合的電機驅(qū)動系統(tǒng)，為消防機器人提供低速大轉(zhuǎn)矩驅(qū)動。通過建立無刷直流電機控制系統(tǒng)模型和模糊PID控制設(shè)計，在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境下建立系統(tǒng)仿真模型。在仿真環(huán)境中將傳統(tǒng)PID控制器和模糊PID控制器各項指標作對比，結(jié)果表明使用無刷直流電機并運用模糊PID控制器組成的消防機器人，具有良好的靜動態(tài)性能、抗干擾能力及轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩特性。為驗證試驗的可靠性，建立消防機器人實物模型，對機器人進行整體測試，表明模糊PID消防機器人爬坡、越障、爬樓梯能力強，具有實用價值。

關(guān)鍵詞：消防機器人;低速大轉(zhuǎn)矩;模糊控制;PID控制器;無刷直流電機

DOI：10.11907/rjdk.181712

中圖分類號：TP303文獻標識碼：A文章編號：1672-7800（2019）001-0022-06

Abstract：Traditional fire fighting robots mainly use brushed DC motors and classical PID control. Now a brushless DC motor and fuzzy PID control algorithm are combined to form a motor drive system， which provides low-speed and high-torque drive for fire fighting robots. Through the establishment of a brushless DC motor control system model and the design of fuzzy PID control， a system simulation model is established under the MATLAB/Simulink simulation environment. In the simulation environment， the traditional PID controller and fuzzy PID controller are compared. The simulation results show that the fire robot composed of brushless DC motor and fuzzy PID controller has good static and dynamic performance and anti-jamming capability as well as good speed/torque characteristics. In order to verify the reliability of the test， a physical model of the fire-fighting robot is established. Through the overall testing of the robot， it is shown that the fuzzy PID fire-fighting robot has strong ability of climbing， obstacle crossing and stair climbing， and has practical value.

Key Words：fire-fighting robot;low speed high torque;fuzzy control;PID controller;brushless DC motor

0 引言

火災(zāi)事故發(fā)生時，消防人員進入火災(zāi)現(xiàn)場面臨生命威脅， 消防機器人應(yīng)運而生，成為搶險救災(zāi)不可或缺的一部分[1]。

消防機器人發(fā)展分為3個階段，早期是程序控制消防機器人，然后發(fā)展為具有感覺工程的消防機器人，目前發(fā)展為智能化消防機器人[2-3]。美國、俄羅斯、日本、英國、德國等國家的消防機器人技術(shù)在國際上領(lǐng)先。美國的安德羅斯F6A機器人，搭載熱成像和攝像系統(tǒng)?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)設(shè)計的干合成粘性材料攀爬機器人，模仿壁虎腳的吸附能力，可以在墻上作業(yè)。英國安防公司生產(chǎn)的消防遙控車，綜合了監(jiān)控、熱成像、有線及無線控制。德國巴斯夫機器人研究所研究的遙控機器人，能夠檢測有毒氣體和火災(zāi)位置。弗吉尼亞理工學(xué)院2015年設(shè)計的消防機器人ESCHER能夠承受極端熱量和沖擊[4-5]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人研究所研制了5種吸附式爬壁機器人。西北工業(yè)大學(xué)設(shè)計了可通過鋼絲攀爬建筑外墻，進行檢測、破碎和救援的高層建筑消防機器人。目前，路虎60雪炮機器人、布魯克50破拆機器人、JMX-LT50消防機器人等較為常用[6]。

消防機器人運動能力是其它功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)，本文采用履帶式消防機器人，根據(jù)其行走特點，選擇無刷直流電機和模糊PID控制器構(gòu)成驅(qū)動系統(tǒng)，以提高消防機器人驅(qū)動能力。

1 無刷直流電機控制系統(tǒng)模型

消防機器人控制系統(tǒng)由主控機和被控機組成。

主控機是機器人的核心，起主要控制作用。被控機控制機器人本體，包括履帶式地盤、電源系統(tǒng)、動力驅(qū)動系統(tǒng)、信號傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，通過無線方式與主控機進行圖像及傳感器信號的實時傳輸[7]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

消防機器人被控機的核心控制組件是嵌入式開發(fā)系統(tǒng)，系統(tǒng)通訊方式為485總線和無線通訊，行走底座上搭載各種傳感器。消防機器人能夠在室內(nèi)和室外工作，動力系統(tǒng)是整體移動的關(guān)鍵，機器人越障、爬樓梯、爬斜坡都依靠動力系統(tǒng)。

1.1 無刷直流電機工作原理

無刷直流電機在轉(zhuǎn)動時，位置傳感器輸出轉(zhuǎn)子位置信號，電子換向電路驅(qū)動電機本體，電樞繞組依次饋電，此時定子上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動[9-10]。

1.2 無刷直流電機數(shù)學(xué)模型

2 模糊PID控制器設(shè)計

采用誤差[e（t）]和誤差變化率[ec（t）]作為模糊控制器輸入，修正以后[kp]、[ki]、[kd]以二輸入三輸出形式出現(xiàn)。{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}為輸入[e（t）]、[ec（t）]和輸出[Δkp]、[Δki]、[Δkd]的模糊子集，分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。誤差[e（t）]和誤差變化率[ec（t）]的論域為[-3，3]，量化等級為{-3，-2，-1，0，1，2，3}，對應(yīng)實際值為{≤-2.5，（-2.5，-1.5]，（-1.5，-0.5]，（-0.5，0.5]，（0.5，1.5]，（1.5，2.5]，}。

根據(jù)模糊控制模型和隸屬度賦值表，將得出的參數(shù)代入下列公式：

3 系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建

在MATLAB/Simulink的仿真環(huán)境中建立無刷直流電機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖5為系統(tǒng)仿真框架。選定的電機型號為常州凱恩86BL03。仿真系統(tǒng)由內(nèi)環(huán)的電流環(huán)和外環(huán)的速度環(huán)組成。將HALL傳感器檢測到的轉(zhuǎn)速值與速度給定值作比較運算，電流給定值通過模糊PID控制器算出。電流給定值與電流傳感器實測電流值作比較運算， PWM控制單元根據(jù)電流PID調(diào)節(jié)器的運算結(jié)果進行輸出，實現(xiàn)電機控制。

無刷直流電機MATLAB/Simulink系統(tǒng)有BLDCM本體模塊、霍爾信號采集模塊、換相表模塊、逆變器模塊、速度控制模塊、電流控制模塊[16-18]，把這些模塊組合起來構(gòu)成無刷直流電機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。下面簡述每個模塊參數(shù)設(shè)置。

3.1 模塊化的BLDCM本體

根據(jù)MATLAB中無刷直流電機模型，對仿真模型進行參數(shù)設(shè)置。電機參數(shù)：相電阻[Rs]=1.52，相電感[Ls]=0.5E-3mH，反電勢常數(shù)[Ce]=48.0004Vpeak/krpm，轉(zhuǎn)矩常數(shù)[Cm]=0.458 37N·m/Apeak，轉(zhuǎn)矩慣量[J]=9.25E-6kg·m2，摩擦系數(shù)=1E-9Nm·s，極對數(shù)[Ps]=4，負載轉(zhuǎn)矩[TL]=0.127。

3.2 霍爾信號采集模塊

3.3 換相表模塊

換相過程中每個霍爾狀態(tài)都會對應(yīng)6個開關(guān)管中的一種狀態(tài)，并且是一一對應(yīng)關(guān)系。表5是換相對應(yīng)情況。

3.4 逆變器模塊

逆變電路是功率變換裝置，不僅具有PWM電流調(diào)節(jié)功能，而且每個功率器件相當(dāng)于一個機械換向器。圖6為逆變器模塊參數(shù)設(shè)置。

3.5 速度控制模塊

模糊自適應(yīng)控制器對速度控制模塊進行反饋調(diào)節(jié)，PID參數(shù)通過模糊自適應(yīng)控制算法，按照模糊規(guī)則在線自行調(diào)整[19]。傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)中，PID參數(shù)的設(shè)置使用“臨界比例法”確定。本仿真通過“先P再I最后D”的初始值整定方式確定初始參數(shù)，分別為：[kp0]=7.8，[ki0]=1.06，[kd0]=4.97。

3.6 電流控制模塊

電機中存在高頻振蕩，經(jīng)過速度調(diào)節(jié)以后誤差變化率變小，采用PI控制器可提高系統(tǒng)抗干擾能力，避免輸出響應(yīng)發(fā)生振蕩[20-21]。本仿真運用傳統(tǒng)PID控制參數(shù)設(shè)置，控制參數(shù)分別為：P=20，I=10，仿真結(jié)果良好。

4 仿真結(jié)果與分析

由圖13可知，在低速時，BLDCM可輸出較大轉(zhuǎn)矩，在高速時輸出較小轉(zhuǎn)矩。設(shè)定轉(zhuǎn)矩10N·m，在速度由1r/min增加到額定轉(zhuǎn)速3 000r/min過程中，在 750r/min可保證速度增加而BLDCM輸出轉(zhuǎn)矩不變，見圖14;在轉(zhuǎn)速大于750r/min后，隨著轉(zhuǎn)速增加，BLDCM輸出轉(zhuǎn)矩降低。

5 驗證分析

5.1 硬件與軟件系統(tǒng)設(shè)計

驅(qū)動部分功率為1 000W，驅(qū)動板、控制板輸入電壓是18V～75V。硬件電路由控制電路、電流（壓）檢測反饋電路、信號隔離電路、驅(qū)動電路、故障保護電路、主電路組成?？刂齐娐酚肈SP（TMS320F2808）實現(xiàn)，信號隔離電路為高速光耦A(yù)4504，電流檢測為耀華德昌科技有限公司的電流傳感器HA55，驅(qū)動電路為三菱公司的PS21865模塊。

主程序和子程序構(gòu)成系統(tǒng)軟件部分。主程序由系統(tǒng)初始化、捕獲電機當(dāng)前位置、設(shè)置中斷標志等組成。中斷服務(wù)程序由位置信號捕獲中斷子程序、電流采樣中斷、速度控制中斷子程序、故障保護中斷子程序組成[22-23]。

5.2 系統(tǒng)調(diào)試分析

系統(tǒng)測試內(nèi)容包括整體連接測試及機器人行走測試。控制板硬件實物見圖15，驅(qū)動板硬件實物見圖16。

5.3 整體調(diào)試

PWM波控制頻率是15KHZ，利用模糊PID控制算法編寫程序，然后下載到控制芯片，開啟運行，電機立即啟動運轉(zhuǎn)。改變PWM波占空比大小調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，改變硬件電路中正反轉(zhuǎn)PWM的輸出順序可改變電機的正反轉(zhuǎn)。上位機利用485總線和電機通訊。圖17波形圖中，上面的波形表示相電壓波形，下面的波形表示線電壓波形。根據(jù)波形可以看出，電機運行非常平穩(wěn)，沒有干擾，所以抗干擾能力較強。

5.3 機器人爬坡、越障、爬樓梯實驗

將設(shè)計的電機驅(qū)動系統(tǒng)安裝于消防偵察機器人進行相關(guān)實驗，實驗結(jié)果見圖18-圖20。

對消防機器人驅(qū)動系統(tǒng)進行爬樓梯、爬坡、越障實驗。打開系統(tǒng)電源，驅(qū)動系統(tǒng)電源通電。通過主控機對被控機發(fā)出相應(yīng)指令，機器人能迅速作出反應(yīng)。驅(qū)動功率完全滿足機器人在低速狀態(tài)輸出大轉(zhuǎn)矩、高速狀態(tài)輸出小轉(zhuǎn)矩需求。

6 結(jié)語

本文構(gòu)建了無刷直流電機驅(qū)動控制系統(tǒng)模型，根據(jù)模糊自適應(yīng)PID控制算法，設(shè)計出控制系統(tǒng)仿真。通過傳統(tǒng)PID控制和自適應(yīng)模糊PID控制性能仿真曲線對比，說明模糊自適應(yīng)算法下無刷直流電機具有低速大轉(zhuǎn)矩特點。為驗證設(shè)計的可行性，進行了模型仿真。實驗表明，在消防機器人驅(qū)動系統(tǒng)中運用模糊自適應(yīng)PID控制，直流電機驅(qū)動具有良好的控制效果。

（1）自適應(yīng)模糊PID算法在本設(shè)計中起到至關(guān)重要的作用，近年來各種算法運用日趨廣泛，可嘗試將其它算法運用到消防機器人驅(qū)動系統(tǒng)中。

（2）目前無傳感器技術(shù)比較成熟，無傳感器技術(shù)也可應(yīng)用于無刷直流電機控制。

（3）隨著通訊技術(shù)的逐步完善和機器人運動能力的增強，多消防機器人協(xié)調(diào)合作將是消防機器人發(fā)展趨勢。

參考文獻：

[1] 魏捍東，張智. 從央視大火探討超高層建筑滅火對策[J]. 消防科學(xué)與技術(shù)，2010（9）：606-612.

[2] 宮紅鎖，楊慧紅，靳云玲. 中國消防機器人的展望[J]. 中國公共安全，2012（3）：128-130.

[3] 李海濤，王敏，史凌斌，等. 消防機器人的發(fā)展和應(yīng)用前景[J]. 中國公共安全：綜合版，2007（1）：161-164。

[4] 袁崢. 消防車智能監(jiān)控系統(tǒng)研究與開發(fā)[D]. 鄭州：鄭州大學(xué)，2013.

[5] 劉軍，程繼國，尹志，等. 消防機器人滅火救援應(yīng)用技術(shù)分析[J]. 消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2010（5）：15-18.

[6] 姜華. 高空救援滅火機器人的設(shè)計[D]. 合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2014.

[7] 夏長亮. 無刷直流電機控制系統(tǒng)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2009.

[8] 張璇. BLDCM無位置傳感器控制系統(tǒng)的研究[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2009.

[9] 劉二利. 基于dsPlC的BLDCM無位置傳感器控制系統(tǒng)研究[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2007.

[10] 陳曉沖，王萬平. 常規(guī)PID控制和模糊自適應(yīng)PID控制仿真研究[J]. 機床與液壓，2004（9）：65-66.

[11] 陶永華，尹恰欣，葛蘆生. 新型PID控制及其應(yīng)用[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1998：36-38.

[12] 何衍慶，俞金壽，蔣慰孫. 工業(yè)生產(chǎn)過程控制[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004（4）：80-84.

[13] 趙永娟，孫華東. 基于MATLAB的模糊PID控制器的設(shè)計和仿真[J]. 微計算機信息，2009（7）：48-49.

[14] 任先進，馬瑞卿，盧穎，等. 無刷直流電機在電動轉(zhuǎn)轍機中的應(yīng)用設(shè)計[J]. 微電機，2016，49（1）：64-67.

[15] 許明軒. 硅整流式交流發(fā)電機在活塞通用飛機上的應(yīng)用[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2012（6）：79-80.

[16] 周里津. 清洗機器人無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[17] KAN J M，LI W B，LIU J H. Fuzzy immune self-tuning PID controller and its Simulation[C]. IEEE Conference on，2008：625-628.

[18] YU X L ，LOU W Z. The application of the parallel decoupling fuzzy PID algorithm in the speed control system[C]. IEEE International Conference on Information Acquisition，2006：1185-1190。

[19] 謝俊. 基于DSP的無刷直流電機控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真研究[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

[20] 錢雙杰，簡獻忠，劉瑞. 一種無位置傳感器的無刷直流電機建模研究[J]. 電子科技， 2015，28（6）： 195-196.

[21] 殷云華.基于DSP的無刷直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計和仿真研究[D]. 太原：中北大學(xué)，2007.

[22] 劉金琨. 智能控制[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2005：50-52.

[23] 顧德英，羅云林，馬淑華. 計算機控制技術(shù)[M]. 北京：北京郵電大學(xué)出版社，2007：22-25.

（責(zé)任編輯：杜能鋼）