全向移动永磁同步电动平台系统的设计与实现

摘要：提出了一种全向移动永磁同步电动平台系统，对电机驱动硬件进行配置优化，并采用矢量控制算法，对驱动电机进行实时转速控制，响应速度快，系统稳定性强。新电动平台系统具有平面内的三个自由度，可以实现平面内的任意移动轨迹，非常适合工厂、港口等空间狭小而复杂的环境。

关键词：全向移动；永磁同步；动力学仿真；驱动配置

中图分类号：S611文献标识码： A 文章编号：

传统移动平台按照移动方式一般分为轮式移动平台、导轨式移动平台、履带式移动平台。轮式移动平台的移动机构主要由驱动轮（两轮或四轮）和转向轮组成，驱动轮用来给平台的移动提供动力，转向轮控制平台的移动方向，根据平台轮距及轴距，平台具有不同的转弯半径。运动比较灵活，但是在工作时转弯半径大，因此要求具有较大的空间，使用场合受限。

导轨式移动平台的移动机构是由驱动轮和支撑轮组成，驱动轮给平台移动提供动力，支撑轮支撑整个平台，并随驱动轮的转动而转动，驱动轮和支撑轮都在预先铺设的轨道上转动，平台的移动方向由轨道决定。由于受到所铺设的导轨的限制，只能按照固定的路线移动，仅适用工作路线相对固定的场合。

履带式移动平台的移动机构由主动轮驱动、负重轮、诱导轮、托带轮、履带组成，履带由主动轮驱动。履带式移动平台转向靠两条履带的不同速度来实现，履带与地面的接触面有较大的滑动摩擦，对履带的磨损非常严重。同时传动效率不高。

本文提出的永磁同步电动平台采用三相永磁同步电机作为驱动源对每个车轮进行驱动，并配套变频调速矢量控制器精确控制每台电机的旋转方向和转速，可以实现平面内的任意移动轨迹。此移动平台系统具有很高的灵活性，工作空间要求大大降低，非常适合工厂、港口等空间狭小而复杂的环境。

1全方位移动永磁电动平台系统的结构原理

全方位移动永磁同步电动平台系统的基本结构可分为3个子系统：即主能源子系统、电子驱动子系统和主控制子系统。其中，主能源子系统由充电器、主能源电池和能量管理系统构成，充电器通过充电接口向主能源电池充电，在平台运动时，电池经功率变换器向电机供电；主控制子系统则通过中央控制器从X-Y方向控制台和转向系统控制台接收预动作信号并传递给电子驱动子系统；电子驱动子系统是平台的核心单元，由电机驱动控制器、永磁电机、减速器和麦克纳姆轮组成，电机控制器控制电机的旋转方向及转速，电机的输出经过减速器、支撑轴承座后传递给麦克纳姆轮。全方位移动永磁电动平台系统由四个麦克纳姆轮组成，故分别由四个永磁同步电机驱动。

电机驱动控制器实时精确控制相应永磁同步电机的工作状态，其工作原理是：每台电机上都装有位置传感器，位置传感器信号传给电机控制器，经控制器运算得出当前电机的转子位置，从而可以精确控制每台电机的转速。同时电机控制器与控制杆连接，控制杆的位置信号传递给电机控制器，电机控制器根据控制器杆的位置信号判断平台所需的运动方向，然后控制四台电机以预设定的旋转方向工作，四个电机的旋转速度由与控制器相连接的一个油门控制。

2 全方位移动永磁电动平台系统的驱动配置优化

随着集成电路制造技术的进步和电力电子技术的发展，以及集三相逆变器和保护电路、隔离电路、能耗制动电路等功能为一体的智能功率模块、先进的电力电子器件的出现，使交流伺服控制更方便、功耗更低、开关时间更短、变频范围更宽、性能更优越[2]。

本平台电机驱动控制器硬件主要由控制电路、电源及驱动电路、IGBT功率模块及吸收电容等部分组成。控制电路中微处理器采集电机运行的位置、电流信号，结合采集的电子油门信号进行处理，输出驱动波形，经电源及驱动电路放大，对IGBT功率模块驱动使其输出三相电流进而驱动电机，完成电机的驱动控制，其硬件结构框图如图1所示。

图1 全方位移动平台电机驱动控制器硬件结构框图

系统的控制采用矢量控制算法[3]。该控制方法对面装式永磁同步电动机达到力矩电流比最大控制，具有相应的优良特性，因此使得电机的调速更容易实现。同时电磁转矩只与定子电流的幅值成正比，通过控制电机定子电流即可获得与此成线性比例关系的电磁转矩，这样就实现了对永磁同步电机的严格控制。从而，很好地实现全方位移动永磁电动平台的技术要求和应用指标：

1．快速响应操作员对油门操纵的变化，快速准确完成对电机转速的调节。

2．采集与电机控制相关的信号和检测电动汽车运行的相关参数。包括：电机转速，蓄电池组电压，蓄电池组电流，电机端电压，电机电枢电流，电机温度，油门信号，控制杆信号等。

3．能和外部设备进行数据通讯功能，完成相关监测信号的显示。包括：电机转速，蓄电池组电压，蓄电池组电流，电机端电压，电机电枢电流，车速，电机温度等。

4．坚固。在振动条件下，零部件无松脱，工作正常；能在高、低温条件下正常工作；能抗电磁干扰。

5．安全保护。在发生过流、过电压和电机温度超过所设最大值时等情况下，控制器能自动切断主控制回路，并发出报警信号。

4 结论

本文提出的永磁同步电动平台采用三相永磁同步电机作为驱动源对每个车轮进行驱动，并配套变频调速矢量控制器精确控制每台电机的旋转方向和转速，可以实现平面内的任意移动轨迹。对电机驱动硬件进行配置优化，并采用矢量控制算法，对驱动电机进行实时转速控制，响应速度快，系统稳定性强。

参考文献

[1] 张晋西等. 基于SolidWorks与COSMOS Motion的汽车转向及行驶运动仿真[J]. 重庆理工大学学报(自然科学版)，2010，24(4):13-16

[2] 林立．永磁同步电机矢量控制变频调速的研究[J]．电力电子技术，2005，39(2):39-41

[3]F. Blaschke. Principle of field orientation as applied to the new Transvektor closed-loop control system for rotating field machines [G], Siemens Review, 1972:217-220