周晓光 新型仓储机械手控制系统的设计与仿真设计研究制造 新型仓储机械手控制系统的 设 计 与 仿 真周晓光 李 金 余 瑾 (北京邮电大学机械电子工程系 北京 100876) 摘 要 自动化立体仓库在工业生产中应用日益广泛,仓储机械手的性能在这里起到至关 重要的作用。本文介绍了利用交流变频调速技术设计的新型仓储机械手的控制系统,并利用MA TLAB软件对仓储机械手控制系统进行计算机辅助设计和仿真,为实际控制系统的设计和 调试提供了理论依据,并取得良好的效果。关键词 交流调速系统 变频调速技术 计算机仿真 物料搬运技术Abstract The application of auto solid2storage is becom ing popular in manufacture. The capability of itsfetching manipulator is one of themost i mportant fators in this system. This paper introduces the control systemof the fetching manipulator using AC frequency speed control technology. W ith MA TLAB, the comupter2aidedsi mulation and design are carried out for the system. The result of si mulation can be available for the design ofreal control system. A nd we got an excellent result in practice.Keywords AC Speed2controlled System V ariable Frequency Speed Control System ComputerSi mulationT ransport System引 言 物料搬运技术是C I M S系统的重要组成部 分。它主要包括输送技术、 仓储技术和生产技术3 个方面,而仓储技术是整个先进物流系统的出发点。 轻工生产自动化技术中物流技术占有举足轻 重的地位。 轻工生产企业,利用自动化立体仓库结 构紧凑、 占地面积小、 存储量大、 可直接快速抓取 每个库存单元的货物等特点,再结合数据库技术、 网络技术、 条码技术、 计算机控制等相关技术,可实现货物的合理存储、 快速定位存取、 提高生产效率、 缩短用户等待时间、 减少库存,使轻工生产达 到高度自动化的水平。1 新型仓储机械手控制系统的设计 自动化立体仓库实现技术的关键是仓储机械手的设计、 制作。 其性能的优劣直接影响到系统的 性能和使用。仓储机械手需要完成机械手的水平 行走、 垂直升降、 货物侧向送取等三维运动。传统 的仓储机械手采用直流电机驱动方式,维修工作 量较大,给用户的日常使用带来一定的困难。 单片 机控制系统的抗干扰能力相对较弱,影响了系统的可靠性。 大部分仓储机械手采用开环控制方式,03L ight Industry M achinery周晓光 新型仓储机械手控制系统的设计与仿真设计研究制造 定位精度较低,不适宜轻工机械中一些较小的备 品部件的存储。因此,我们根据当前技术发展,采 用PLC控制器及交流变频调速传动方式设计、 制作了一新型仓储机械手的控制系统。该系统的框 图如下:图1 系统结构框图2 自动化立体仓库系统对上货平台水平行走的运行模式 自动化立体仓库中仓储机械手的运动分3部 分:机械手的水平行走、 垂直升降、 货物侧向送取 等三维运动。 这3部分的传动系统相似,在本文中 仅选取水平行走的传动系统进行讨论。一般轻工机械备品自动化立体仓库的货位间 隔小,要求电机频繁快速起停,且定位要求准确, 并防止过冲(这可通过定位传感器信号的反馈,强 制制动来实现,不在本文讨论范围内)。因此系统 采取高速起动,分级减速的控制方式。根据立体仓库的几何尺寸和设计指标,对水 平运动提出如下速度要求: (1)始末货位距离 2格, 3档起动;(2)始末货位距离2格, 2档起动;(3)到位还剩一格时切换到1档。其运行模式如图2所示。图2 运行速度曲线 可由此速度图求得系统的位置控制定位曲线(见图9)。3 系统数学模型的建立 数学模型的建立是系统仿真的基础和关键。 评价模型的质量不仅要考虑系统输入输出数据的 拟合精度,更重要的是基于模型的控制效果。 控制系统的基本结构如下:图3 控制系统结构框图系统的控制对象为交流异步电机。下面对系 统中具体各个环节的建模进行讨论:3. 1 交流异步电机环节 系统采用的是标准齿轮电机,它具有结构紧凑、 可无级调速等优点。 它由电机和减速器两部分组成。 异步电机是多输入多输出系统,其动态过程 需要用一组多变量的非线形微分方程来描述,是 高阶、 非线性、 强耦合的多变量系统。然而精确的系统数学模型在该系统的动态分析和校正中并不13轻工机械 1999年 第3期 周晓光 新型仓储机械手控制系统的设计与仿真设计研究制造 实用。 为便于分析,在一定的条件下可进行合理的 简化。电机包含两个储能部件:电枢电感(电磁惯 性)储存磁能,转子机械惯性储存功能,两种能量 可互相转换,使得电机具有振荡的特性。 即可把电机简化为一振荡环节。具体的简化过程可参见参 考文献3。 得到如下的线性传递函数(见图4)。图4 交流异步电机动态结构框图 其中:交流异步电机的角速度1定子角速度(1= 2f1)U1定子电压TL负载转矩K电机堵转时,绕组电流与电压之比(1? 8), K= 1?(r1+ r2)绕组时间常数(s),= (L1+ L2)?(r1+r2)m电动机的时间积分常数,m= J1N?TiSN, TiSN= 2Tm?Spm,其中TiSN是电机的假想启动转矩(把机械特性曲线的线形段延长与SP= 1的坐标轴相交的交点), Spm是临界转差率SpmR2? (X1+ X2)。这里得到的异步电机的简化动态传递特性与直流他励电机的动态特性相似,也是一个闭环系 统,在一定限度负载扰动时具有一定的自调节作 用。 系统所采用的电机有自带齿轮减速器,而减速器可视为一比例环节,其传递函数为G(s) =K0, K0为减速比。3. 2 变频器环节 系统选用的变频器为120 交2直2交电压型PWM逆变器。 在FUJ IFRN 0. 4 G9S27变频器中 使用的是大功率晶体管电路,因此该环节的动态特性主要受大功率晶体管的特性的影响。 大功率晶体管主要是作高速开关器件,它的 特性和晶闸管相似,主要表现为滞后特性。 所以可 把变频器环节看成一具有纯滞后特性的放大环 节。设滞后时间为T,忽略其他元件的影响可得 到变频器的传递函数:Gb(S)= Udc(S)?Uct(S)= Kbe- TbS其中: Kb变频器的增益, (Kb= Ud?Ukm)Tb变频器平均失效时间(Tb= Tmax?2= 1?2f)fPWM的调制频率 滞后时间Tb和大功率晶体管的类型有关,在 低频信号的控制下,考虑到Tb很小,可将滞后环节简化为惯性环节,具体的简化过程如下: 把e- TbS按幂级数展开得:Gb(S)= Kbe- TbS= Kb1+ TbS+ (TbS)2?2+ . . . - 1 Kb?(TbS+ 1)3. 3 速度检测环节光电编码盘安装在电机自带减速器的输出轴 上,可以认为它是比例环节,即K= Ufn?n(s)。3. 4 转速到角位移转换环节 因为n= d ?dt,所以可将该环节看作一积分 环节,其传递函数为: G(s)= Kc?s。3. 5 位置负反馈的检测环节 该环节是典型的比例环节,它的传递函数为:G(s)= K1。其中, K1是位置检测环节增益。3. 6 P I调节器 在速度反馈环节中加入P I调节器可改善系统的稳态性能。P I调节器的原理如图5所示。图5 P I调节器原理图 该环节的传递函数为: Gc(s) = - Kc(Tcs+1)?Tcs 其中: Kc= R1?R0Tc= R1C13. 7 据上述分析,可得到系统结构图(见图6)23L ight Industry M achinery周晓光 新型仓储机械手控制系统的设计与仿真设计研究制造 图6 系统动态结构框图4 计算机辅助分析和设计 根据上面的系统动态结构图,可以利用MA TLAB所提供的Simulink工具包进行系统分 析,设计最佳的P I调节器,满足系统需求。4. 1 变频器参数 型号: RUJ I FRN 0. 4 G9S27 适用电机功率(kW): 0. 4 输出最高频率: 50400 Hz 启动频率: 0. 260 Hz 制动时间: 0. 0130. 0S 额定电压:三相, 220V?50Hz 基本频率: 15400 Hz 起始制动频率: 0. 260Hz 控制方式: PWM控制4. 2 交流异步电机参数 型号: HCM 040228 N 40 相数: 3 每相电感(mH): 2. 35 额定转速(r?m in): 70. 5 额定电压: 220V 减速比: 1?40 每相电阻(8): 0. 25额定转矩(Nm): 82额定电流(A): 1. 80 额定功率(kW): 0. 44. 3 速度环的仿真分析与设计 在自动化立体仓库的上包机械手的控制中,我们关心的是电机的起停、 变速的响应速度,即电 机在指定速度发生阶跃时的响应时间要求很短。 因此我们的任务就是根据速度环的各传递函 数及参数,在转速给定为阶跃响应时仿真电机的转速响应曲线,选取合适的参数,设计最佳的速度P I调节器,得到最优的系统动态特性(响应快,无 振荡,超调量小)。 即从系统动态性能的角度出发, 将系统校正为二阶典型系统。由于轻工机械备品自动化立体库中仓储机械 手的负载较轻,在运行中负载变化小,在仿真中可 将负载视为恒量环节,分最大负载和空载进行讨 论。 其它环节的参数可由查手册或计算、 测量得到。 最终,在Kc= 297Tc= 0. 0017时根据速度换各环节的传递函数及参数,用MA TLAB进行仿真分析,在指定转速给定为阶 梯函数(见图2)和阶跃函数时,分别得到如下的转速响应曲线(见图7、 图8):图7 系统速度切换响应曲线(v2t) 由图可知,速度环的最大超调量 3. 9% , 系统的调整时间ts= 0. 37s,满足系统设计要求。4. 4 位移环的仿真分析与设计33轻工机械 1999年 第3期 周晓光 新型仓储机械控制系统的设计与仿真设计研究制造 图8 电机起动速度响应曲线(v2t) 在内环-速度环设计好后,该环节可作为外 环-位移环内的一个等效环节,与系统前向通道图9 位移曲线图(s2t) 中的积分环节串联,构成位移环的受控对象。 从希 望系统的稳态性能好这个角度出发,可将位移环 设计成三阶系统。 在设计位移环时,如果参数选取不当,可能引起转速环动态特性变差,所以必须通过仿真调整P I调节器的参数,最终保证系统整体的稳态性能 和转速环动态特性能满足设计需求,即得到最佳的位移环P I调节器。其参数为:Kc2= 3. 6 Tc2= 0. 03 根据位移环的各环节的传递函数及其参数, 在位移为指定位移曲线时,仿真出系统输出位移曲线如图9所示。由图可见该双闭环系统的稳态 性能很好,系统的最大稳态误差max5. 6,车 轮直径为120 mm ,所以水平运动的定位精度为 S0. 1 mm ,达到系统设计要求。5 结论本文利用MA TLAB软件对轻小型物品自动 化立体库的仓储机械手传动控制系统进行数字仿 真。文章分析速度闭环的交流电机变频调速系统 的特点,建立合理的数学模型,利用仿真数据,设 计出速度环P I调节器的最佳参数。 而仿真结果对图10 系统速度曲线(v2t) 实