何雨昂 樊茜 鄭起佳 吳非 林強強

摘要

隨著機器人技術(shù)不斷發(fā)展，對大功率、小體積的便攜式能源系統(tǒng)的需求日益增加。在以往的機器人用機載能源系統(tǒng)中，通常使用電機轉(zhuǎn)動帶動泵旋轉(zhuǎn)，進而使機器人的液壓系統(tǒng)產(chǎn)生油壓，最終推動負載動作。該方式需要較大容量的電池、并匹配相應(yīng)功率的電機。以該方法實現(xiàn)的能源系統(tǒng)續(xù)航能力差、輸出功率低從功率密度考慮，使用發(fā)動機帶動泵轉(zhuǎn)動的工作效率更高，但發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制較難。本文提出了一種發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制方法，通過該方法可以實現(xiàn)便攜式能源系統(tǒng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制，該方法經(jīng)過測試，滿足機器人系統(tǒng)使用要求。

【關(guān)鍵詞】發(fā)動機控制 機載能源 轉(zhuǎn)速閉環(huán)

機載能源系統(tǒng)具備體積小、質(zhì)量輕、續(xù)航能力強等特點，因此該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機器人中。為實現(xiàn)機器人不同動作需求，需要對發(fā)動機轉(zhuǎn)速進行實時控制。本文提出了一種發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制方法，具體實現(xiàn)方法如下。

1 概述

1.1 機載能源系統(tǒng)

機載能源系統(tǒng)包含發(fā)動機、發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制器、蓄能器、液壓回路等組件。在能源系統(tǒng)中，通過發(fā)動機轉(zhuǎn)動，帶動油泵旋轉(zhuǎn)，從而使液壓油產(chǎn)生高低壓。油壓的產(chǎn)生可在伺服閥的控制下使液壓作動器動作，多個作動器的協(xié)同工作即可實現(xiàn)機器人的跑、跳、蹲等行為。能源系統(tǒng)中發(fā)動機的轉(zhuǎn)速高低對應(yīng)產(chǎn)生液壓油的油量大小。當(dāng)機器人產(chǎn)生大動作時，能源系統(tǒng)需要提供大流量以滿足機器人需求，進而需要提高發(fā)送機轉(zhuǎn)速;同理，若機器人處于接近靜止的狀態(tài)時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速需要適當(dāng)下調(diào)，以適應(yīng)負載變化。因此需設(shè)計發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制器以實現(xiàn)該功能。

1.2 發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制器

由于機器人的動作受綜控器的控制，因此綜控器知悉機器人何時會產(chǎn)生動作。當(dāng)有大動作發(fā)生時，綜控器會向發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制器發(fā)送不同的轉(zhuǎn)速指令，使發(fā)動機的可提供恰當(dāng)?shù)挠土?，以適應(yīng)機器人的動作。

發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制器可實現(xiàn)通過總線接收綜控器發(fā)送的轉(zhuǎn)速指令，同時控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在該數(shù)值。在實現(xiàn)以上功能的前提下，還需實現(xiàn)接收控制指令實現(xiàn)發(fā)動機自啟動、關(guān)機、檢測能源系統(tǒng)工作狀態(tài)的功能，并通過總線將能源系統(tǒng)狀態(tài)實時反饋至綜控器。

2 機載能源系統(tǒng)的發(fā)動機調(diào)速方法

2.1 發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制器功能需求

發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制器由DSP2812作為核心控制部分，通過其內(nèi)部的CAN通信模塊配合外圍電路實現(xiàn)總線通信;通過內(nèi)部的CAP模塊配合外圍電路實現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速采集;通過定時器中斷實現(xiàn)閉環(huán)控制;通過10口模擬脈沖波控制步進電機，進而控制發(fā)動機氣門開度，實現(xiàn)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速控制。發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制器程序結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 總線通信功能

在與綜控器進行CAN總線通信的過程中主要依照約定好的協(xié)議完成數(shù)據(jù)交互工作。綜控器通過CAN總線向發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制器發(fā)送自檢、關(guān)機、發(fā)動機低轉(zhuǎn)速閉環(huán)、發(fā)動機中轉(zhuǎn)速閉環(huán)和發(fā)動機高轉(zhuǎn)速閉環(huán)指令。在上位機向發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制器發(fā)送指令后，發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制器將當(dāng)前狀態(tài)依約定好的CAN協(xié)議返回上位機。發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制器支持相同指令重復(fù)發(fā)送，故綜控器若需要能源系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)，可以通過總線不斷向發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制器發(fā)送相同指令來實現(xiàn)。接受并解析CAN總線數(shù)據(jù)流程圖如圖2所示。

2.3 捕獲單元轉(zhuǎn)速采集

發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制器使用CAP捕獲中斷采集轉(zhuǎn)速信息。當(dāng)捕獲單元的I/O管腳檢測到轉(zhuǎn)速傳感器的上升沿時，便會產(chǎn)生一次中斷標(biāo)志，并將上一次捕獲與本次捕獲之間的時間差值存入相應(yīng)的FIFO中。所使用的轉(zhuǎn)速傳感器在發(fā)動機轉(zhuǎn)過一周后便會產(chǎn)生一次脈沖。每兩個捕獲的時間差即為發(fā)動機轉(zhuǎn)一圈所用去的時間。在發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制器的控制軟件中，取連續(xù)的10次發(fā)動機轉(zhuǎn)速數(shù)值進行一次計算，得出平均值;并對轉(zhuǎn)速均值進行一階濾波處理，以保證所采集到的發(fā)動機轉(zhuǎn)速真實、可靠。其服務(wù)函數(shù)流程圖如圖3所示。

2.4 定時器中斷

在發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制器的軟件設(shè)計中，將閉環(huán)控制放在定時器中斷TO中。TO中斷的流程圖如圖4所示。

在TO中斷中，控制器完成清除中斷標(biāo)志位、清除看門狗、讀取轉(zhuǎn)速信息、讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果和判斷是否進入轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的工作;同時在執(zhí)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制時，還需進行RED控制。發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制器的中斷等級中，TO中斷等級最低，也就意味著該中斷需要完成其他中斷未完成的所有工作。TO中斷中的程序設(shè)計也是復(fù)雜度最高的。

發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制器的軟件設(shè)計充分考慮安全性，如果控制器程序沒有進入閉環(huán)控制，則執(zhí)行關(guān)機指令，從而保證發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制器安全穩(wěn)定的控制能源系統(tǒng)。為保證能源系統(tǒng)的實時性，TO中斷在程序初始化中設(shè)定為1ms，即每隔1ms控制器便會執(zhí)行一次閉環(huán)控制。由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制器使用看門狗功能，需要定時執(zhí)行“喂狗”工作，故在TO中斷中會執(zhí)行清除看門狗工作;由于轉(zhuǎn)速采集于已經(jīng)使用CAP中斷完成，故在TO中斷中僅需將該物理量解算;AD轉(zhuǎn)換則需要在TO中斷中進行。在TO中斷中還涉及到工作狀態(tài)控制與判斷函數(shù)和關(guān)機函數(shù)的調(diào)用。發(fā)動機的閉環(huán)控制在工作狀態(tài)控制與判斷函數(shù)中運行;當(dāng)外界不滿足發(fā)動機運行的必要條件時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制器則調(diào)用關(guān)機函數(shù)。

3 試驗結(jié)果

將發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制器與機器人組裝，能源系統(tǒng)連接至綜控器，使用機器人的綜控器發(fā)送控制指令。在此過程中監(jiān)控數(shù)據(jù)。監(jiān)控數(shù)據(jù)如圖5所示。

由圖5可以看出：

（1）發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速情況下啟動，能夠穩(wěn)定在3000轉(zhuǎn)每秒。

（2）在上位機發(fā)送中等轉(zhuǎn)速的控制指令后，控制器能夠迅速響應(yīng)指令，并將發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在5000轉(zhuǎn)每秒。

（3）當(dāng)機器人突然停止時，發(fā)動機負載瞬間升高，發(fā)動機熄火。但控制器檢測到轉(zhuǎn)速過低后，立即自動執(zhí)行發(fā)動機啟動指令，發(fā)動機重新開始工作。

（4）當(dāng)機器人動作逐漸降低時，能源系統(tǒng)油壓緩慢增大，轉(zhuǎn)速依然能夠穩(wěn)定在指令值附近，不會產(chǎn)生轉(zhuǎn)速下降現(xiàn)象。

（5）綜控器發(fā)送停機指令后，發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制器立即執(zhí)行指令關(guān)閉發(fā)動機，發(fā)送機轉(zhuǎn)速為零，且向上位機返回當(dāng)前狀態(tài)為關(guān)機狀態(tài)。

（6）由于能源系統(tǒng)加載，發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制器可以檢測到在整個試驗過程中液壓油溫度在不斷增加，與實際吻合。

綜上，發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制器可以實現(xiàn)系統(tǒng)全部需求。

4 結(jié)論

經(jīng)過發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制器與機器人的聯(lián)合調(diào)試，本文提出的用于機器人機載能源系統(tǒng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制器可以實現(xiàn)對發(fā)動機的轉(zhuǎn)速控制，并且該控制方法可實現(xiàn)在機器人加載或突然卸載時穩(wěn)定工作。

參考文獻

[1]Hua-yun CAD，F(xiàn)u-ming PENG.Optimization of engine speed neuralnetwork PID controller based ongenetic algorithm.IEEE，2011（04）：271-274.

[2]Adnan Hamad，Dingli Yu，J B Gomm.Fault Detection and Isolation/orEngine under Closed-Loop Control.IEEE，2012：431-436.