CN103273852A - 一种电动田间搬运车分布式驱动系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动田间搬运车分布式驱动系统及其控制方法，该系统主控制器为一块基于ARM内核的嵌入式微控制器，每个车轮由无刷直流轮毂电机独立驱动，每个刹车机构由制动用直流电机驱动，每个转向机构由转向用直流电机驱动，主控制器根据外部输入的转向信号和速度信号进行解算，然后对电机进行驱动控制。该方法是：采用PWM控制方式对转向用直流电机以及制动用直流电机的速度进行控制，通过UART串行接口对无刷直流轮毂电机的速度进行控制，采用非交叉耦合算法同时对多台电机进行控制，设定控制过程中转向用直流电机比无刷直流轮毂电机和制动用直流电机具有更高优先级。本发明能对多个电机进行同时驱动与控制，实现了整车动力匹配合理化、高效化。

Description

一种电动田间搬运车分布式驱动系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及移动车辆控制系统研究领域，特别涉及一种电动田间搬运车分布式驱动系统及其控制方法。

背景技术

以电能作为动力的电动田间搬运车与传统柴油机和汽油机动力相比，在转速和转矩控制上更方便灵活，可省去机械变速机构，具有结构紧凑、体积小、重量轻、工作回转半径小的优点，整体呈现“小、灵、巧”的特点，另外其维护成本也较低。这种电动田间搬运车尤其适用于小块田间作业区域，不会造成废气污染，同时电能可由可再生能源二次转化得到，更易推广应用，适合农业的应用。

申请号为201210113160.8的中国发明专利公开了一种四轮驱动高地隙移动小车及其控制方法，其专利中的移动小车包括4个均由轮毂型电机独立驱动的车轮，每个车轮上均设有一个用于控制车轮转向的转向装置，提出了移动小车的整体结构及控制系统的控制方法，对小车分布式驱动系统的电机驱动与控制方法尚未涉及。

目前用于农用机器人或移动平台的驱动控制系统大多是采用PC机或工控机作为控制器，采用商业化的电机驱动器作为底层驱动器，然后在此基础上进行二次开发。但由于田间搬运车作业工况复杂，负载、车轮与地面作用力的变化范围大，现有商业化的电机驱动器仅仅作为电机的控制器，尚未涉及到负载的变化或与负载的相互作用，而且，电机驱动控制与其他的模块（如导航等）耦合在一起，不利于实现模块化与产品化。

因此，提供一种能够适于田间作业工况的、集成度高的电动田间搬运车控制系统及其控制方法具有重要的应用价值。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种电动田间搬运车分布式驱动系统，该系统通过嵌入式系统控制模块对使用的若干个电机进行驱动控制，能够实现田间搬运车的四轮电子差速、电动转向、电子刹车等功能，达到了整车动力匹配合理化、高效化的目的，同时系统还具有标准的通信接口，扩展性强，不仅可以运用在田间搬运车多电机运动控制系统上，而且可根据实际应用对系统进行裁剪、扩展，进而运用到需要控制多台具有耦合关系的电机的系统中。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述电动田间搬运车分布式驱动系统的控制方法。

本发明的一个目的通过以下的技术方案实现：一种电动田间搬运车分布式驱动系统，所述电动田间搬运车包括4个车轮、若干个刹车机构和若干个转向机构，每个车轮均分别由一台无刷直流轮毂电机独立驱动，每个刹车机构均分别由一台制动用直流电机驱动，每个转向机构均分别由一台转向用直流电机驱动，所述电动田间搬运车的主控制器为一块基于ARM内核的嵌入式微控制器，所述主控制器根据外部输入的转向信号和速度信号进行解算，然后经无刷直流电机驱动器控制每台无刷直流轮毂电机的速度，经直流电机驱动器控制每台转向用直流电机以及每台制动用直流电机。上述系统中主控制器同时对多台电机进行实时控制，可以使得小车实现行驶、逆/顺时针自转、左右平移、制动等操作，能够保证良好的协调性能，实现了四轮电子差速、左右侧车轮的电子差角与电子刹车。

优选的，所述主控制器采用PWM控制方式对转向用直流电机以及制动用直流电机的速度进行控制，通过UART串行接口经无刷直流电机驱动器对无刷直流轮毂电机的速度进行控制；转向用直流电机与主控制器的AD通道相连，用于将其转角反馈数据发送到主控制器；无刷直流轮毂电机与主控制器的AD通道相连，用于将其速度反馈数据发送到主控制器。

优选的，所述无刷直流电机驱动器采用单片机进行电子换相，驱动采用H-PWM-L-ON的调制方式，单片机通过UART串行接口接收主控制器传输过来的占空比信号；其控制芯片使用弱电电源进行供电，电机驱动使用强电电源进行供电，弱电与强电相隔离，弱电的控制信号通过光耦传递至强电侧；无刷直流电机驱动器的驱动主电路由三相逆变桥组成。弱电与强电相隔离，以保证系统有更高的可靠性。

更进一步的，所述无刷直流电机驱动器的驱动电路还包括反时限保护模块，该模块包括康铜丝、电压比较器和开关管驱动电路，康铜丝用于检测主回路电流，电压比较器用于将当前电流值和预设的门限值做比较，一旦电流超过预设的门限值则关闭开关管驱动电路，同时，在开关管驱动电路中容易产生电压尖峰的位置采用TVS管。在实际应用中还可以对不同的门限值设置不同的延时，在延时结束后再触发开关管驱动电路的关闭信号，使开关信号失能。使用TVS管可以抑制过电压，从而更好地保护开关管驱动电路。

优选的，所述无刷直流轮毂电机还包括测速电路，该电路是利用三路霍尔信号进行叠加，并且通过频率电压转换芯片转换成对应的模拟电压信号送给主控制器采样。这样可以确保轮毂电机速度信号为模拟电压信号，从而使左右侧车轮转角信号、轮毂速度信号均归一化为模拟电压信号，以便于构成多电机控制系统。同时，能够实现对轮毂电机的大范围测速，测速最低可低至10r/min，最高可达500r/min，调速范围广，并且在上述速度范围内无明显的转矩抖动。

优选的，所述刹车机构包括直流电动推杆、刹车泵、刹车盘，直流电动推杆一端与制动用直流电机相连，另一端与刹车泵相连，刹车泵和刹车盘连接，刹车盘随车轮转动，在进行刹车时与车轮紧密相接。制动用直流电机控制直流电动推杆的位移，在需要刹车时，通过刹车泵对刹车盘进行夹紧，通过摩擦使车轮降低速度。

优选的，所述驱动系统的动力源由若干块12V、80AH铅酸免维护电池串联而成。采用此种电池可兼顾续航里程与整车重量。

更进一步的，所述驱动系统还包括用于对电池电量进行检测并在电量低于设定值时对外报警的电池管理系统，该电池管理系统与主控制器相连，用于在电量低于设定值时传递信号到主控制器，主控制器收到信号后切断动力源的供电。采用该系统可以实现电池管理，可以在电量不足时即提示供电，从而实现全天候作业，同时在电量低于设定值时切断所有动力，还能保护电池过放电。

优选的，所述转向用直流电机中采用蜗杆蜗轮进行减速。

优选的，所述转向用直流电机和制动用直流电机驱动器采用全桥电路结构，用电荷泵电路产生高于电源的电压作为高端开关管的开通电压。

优选的，主控制器通过CAN总线接收上位机传来的转向、速度信号，或者通过无线方式接收操作人员输入的转向、速度信号。从而可实现自动行走或者遥控控制，扩大了使用范围。

更进一步的，设定无线接收方式拥有最高优先级。这样，当上位机指令出错时，人可立即通过无线遥控方式纠正搬运车的运动轨迹。

本发明的另一个目的通过以下的技术方案实现：一种基于上述电动田间搬运车分布式驱动系统的控制方法，所述主控制器采用PWM控制方式对转向用直流电机以及制动用直流电机的速度进行控制，通过UART串行接口经无刷直流电机驱动器对无刷直流轮毂电机的速度进行控制；主控制器采用非交叉耦合算法同时对无刷直流轮毂电机、转向用直流电机和制动用直流电机进行控制，设定控制过程中转向用直流电机比无刷直流轮毂电机和制动用直流电机具有更高优先级，即在控制过程中，先对转向用直流电机进行若干次连续调节，然后再对其他电机进行调节，调节后判断实际值是否达到设定值，如果没有，则再次对转向用直流电机进行若干次连续调节，直到所有电机实际值均达到设定值。采用这种非交叉耦合算法同时对多台电机进行控制，且设置转向用直流电机具有更高优先级，可以使转向电机有更高的响应速度，多电机控制算法不断循环，而且小车有较大的惯性，算法循环一次所用时间远小于小车的时间常数，故从效果上看，多台电机是在同步运转，从而实现了四轮电子差速、左右侧车轮的电子差角与电子刹车。

更具体的，所述控制方法根据搬运车的行驶过程分为4个部分，分别是启动、行驶、转向、刹车，每个部分包括以下步骤：

（1）启动：当检测到上一时刻无刷直流轮毂电机速度为0且当前时刻输入速度不为0，则以一定的预启动力矩启动无刷直流轮毂电机，如果启动过程中电机速度仍为0，则增大预启动力矩继续启动，如果在最大占空比下仍不能启动，则给出报警信号，提示过载，如果此过程中电机速度不为0，则完成启动。由于车轮的最大静摩擦力比滚动摩擦大，所以启动时的负载转矩要比启动后的负载转矩要大，但同时也不能超过额定转矩范围，实际应用中，可以根据需要灵活调整。对于无刷直流轮毂电机而言，因不经过减速环节，电机在负载较大时较难启动，特别地，若搬运车在坡道上启动，在启动时对电机施加预启动力矩，可以缩短启动时间，防止搬运车在坡道上倒遛。

（2）行驶：将主控制器中对无刷直流轮毂电机预设的速度值与电机实际的转速进行比对，根据二者差值进行调整，当差值大于速度寄存器满量程的某一个限值时，则调节电机速度到预设的速度，使PWM的累加值增大，并同时增加延时，当差值低于速度寄存器满量程的某一个限值时，则调节电机速度到预设的速度，使PWM的累加量减小，并同时减小延时，最后使电机实际转速稳定在预设的速度值附近。例如，可以设定差值为速度寄存器满量程的50%时，调节电机速度时增加延时，因为此时实际速度和预设的速度相差较大，如果迅速调节电机的速度，则会由于电机惯性造成反应较慢，从而出现饱和以及超调，所以为了保证电机有足够的响应时间，选择增加延时。同样的，可以设定差值为速度寄存器满量程的10%以下时，减小延时，因为在速度相差不大时，累加量变小，可以通过较小的超调来实现。在实际应用中阈值可以根据具体情况制定相应的规则。主控制器对四个轮子进行转速闭环控制，以此实施四轮电子差速，并且可独立分配四个轮子的转矩，使其能适应田间搬运车作业工况复杂、负载及车轮与地面作用力变化范围大的场合。

（3）转向：在行驶过程中，采用模糊PD控制方法对转向用直流电机进行角度控制，同时，在转向过程中对转向用直流电机的转向角度进行采样，若前一次采样值与当前采样值之差小于角度满量程的设定门限值，且PWM的值不为100%，且没有达到设定值，则继续累加PWM寄存器的值，使转向电机克服阻力直至达到设定角度。以此实施电子转向，电子差角。

（4）制动：当主控制器检测到无刷直流电机驱动器的PWM信号占空比为0，但实际速度仍大于设定速度时，采用制动措施，制动分为自动模式及手动模式，在自动模式下，刹车机构中的直流电动推杆由主控制器根据预先设定的控制速度进行控制，在手动模式下，主控制器根据刹车输入量对刹车机构中的直流电动推杆进行控制。以此实施灵活的电子刹车功能。

优选的，所述步骤（4）制动过程中，主控制器对直流电动推杆的控制采用半闭环控制，检测量是无刷直流轮毂电机当前的速度，根据此速度和设定的速度之间的差值来决定直流电动推杆的位移。因此，电子刹车系统可根据路面状况及设定速度控制不同的刹车力度，实现急刹车、缓慢刹车。

更进一步的，所述制动过程中，当检测到无刷直流轮毂电机当前的速度为0时，直流电动推杆依然保持夹紧时的位移。这样就可以保证系统能够在一定坡度的坡道上停驻。

优选的，所述主控制器采集4个无刷直流轮毂电机的电流，判断当前的负载情况，如果判断是轻载，则将四轮驱动切换为二轮驱动。采用这种方式可以使这两个轮毂电机工作处于高效率状态，提高搬运车的效率，节省电能，延长续航里程。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明使用一块基于ARM内核的嵌入式微控制器作为主控制器同时驱动多台电机，使电机驱动控制系统紧凑可靠，并且可根据实际应用对系统进行裁剪、扩展，进而运用到需要控制多台具有耦合关系的电机的系统中。

2、本发明中车轮、刹车机构和转向机构均由电机分别进行驱动，所以可以使得小车实现行驶、逆/顺时针自转、左右平移、制动等操作，能够保证良好的协调性能。

3、本发明的田间搬运车控制系统具有电子刹车功能，有自动与手动刹车两种模式，能实现在坡道的停驻与启动，使搬运车能适应坡道地形。

4、本发明在自动刹车模式下，配合启动算法，小车能实现坡道上的停驻与坡道上的启动，并且操作简易，只需在上下坡的过程中，调节预设速度为0，便可以在坡道上停驻，之后只需调节速度从0至某一值，便可在坡道上启动。

5、本发明可根据整车负载情况，实现四轮驱动与二轮驱动的切换，始终让轮毂电机工作在高效状态，提高了整车效率。

6、本发明可使用遥控控制或根据上位机指令自主行走，控制灵活，使用范围广。

附图说明

图1是本发明装置的结构框图；

图2是本发明装置中电荷泵电路的示意图；

图3是本发明装置中开关管驱动及其保护电路的示意图；

图4是本发明装置中测速电路的示意图；

图5是本发明方法的主流程示意图；

图6是本发明方法行驶过程中多电机同步控制示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本实施例所述的电动田间搬运车包括4个车轮、2个刹车机构和2个转向机构，其分布式驱动系统是：每个车轮均分别由一台无刷直流轮毂电机独立驱动，每个刹车机构均分别由一台制动用直流电机驱动，每个转向机构均分别由一台转向用直流电机驱动，所述电动田间搬运车的主控制器为一块基于ARM内核的嵌入式微控制器。本实施例中采用的主控制器型号为STM32F103RCT6。所述主控制器根据外部输入的转向信号和速度信号进行解算，然后经无刷直流电机驱动器控制四台无刷直流轮毂电机的速度，经直流电机驱动器控制两台转向用直流电机以及两台制动用直流电机。采用上述结构主控制器同时对8台电机进行实时控制，可以使得小车实现行驶，逆/顺时针自转、左右平移、制动等操作，能够保证良好的协调性能，实现四轮电子差速，电子差差角与电子刹车。

如图1所示，所述主控制器采用PWM控制方式发送信号到直流电机驱动器，进而对转向用直流电机以及制动用直流电机进行控制，主控制器通过UART串行接口经无刷直流电机驱动器对无刷直流轮毂电机的速度进行控制。同时，转向用直流电机与主控制器的AD通道相连，用于将其转角角度反馈数据发送到主控制器；无刷直流轮毂电机与主控制器的AD通道相连，用于将其速度反馈数据发送到主控制器，从而完成反馈调节。

转向用直流电机和制动用直流电机驱动器采用全桥电路结构，用电荷泵电路产生高于电源的电压作为高端开关管的开通电压（电荷泵电路是一种应用电容电荷积累效应来产生高于电源电压或负压的电路），电荷泵PWM信号由芯片LM555产生。电路图如附图2所示，VL为泵升电压。所述转向用直流电机中采用蜗杆蜗轮进行减速。

无刷直流电机驱动器采用单片机MEGA48PA进行控制，驱动采用H-PWM-L-ON的调制方式，其可配置成通过UART串行接口接收来自主控制器的速度信号，也可配置成独立驱动模式。其控制芯片使用弱电电源进行供电，电机驱动使用强电电源进行供电，弱电与强电相隔离，弱电的控制信号通过光耦传递至强电侧；无刷直流电机驱动器的驱动主电路由三相逆变桥组成。所述无刷直流电机驱动器的驱动电路还包括反时限保护模块，该模块包括康铜丝、电压比较器和开关管驱动电路，康铜丝用于检测主回路电流，电压比较器用于将当前电流值和预设的门限值做比较，一旦电流超过预设的门限值则关闭开关管驱动电路，同时，在开关管驱动电路中容易产生电压尖峰的位置采用TVS管。本实施例中还对不同的门限值设置不同的延时，在延时结束后再触发开关管驱动电路的关闭(SD)信号，使开关信号失能。开关管驱动电路采用IR2113芯片，开关管驱动电路及其保护电路如图3所示，把传统的稳压二极管换成了TVS管，更好地抑制了过电压，更好地保护了驱动芯片IR2113。

无刷直流轮毂电机的测速电路是利用三路霍尔信号进行叠加，通过频率电压转换芯片LM2917转换成对应的模拟电压信号送给主控制器采样。电路图如图4所示，其中FO为霍尔频率信号输入，out_put为模拟电压输出。

本实施例中驱动系统的动力源由4块12V、80AH铅酸免维护电池串联而成。且还包括电池管理系统，该管理系统包括电池电压检测电路，电池电压检测电路通过通用集成运算放大器组成电压比较电路，当电池电压低于门限电压时，触发信号，并给出声光报警，主控制器可根据此触发信号进行处理，切断动力，保护电池过放电。

主控制器通过检测各轮毂电机电流估算整车负载情况，若整车处于轻载状况，则使四轮驱动切换成二轮驱动，让轮毂电机工作于额定负载点附近，提高了轮毂电机的电能转换为机械能的效率，使小车更节省电能，延长了续航里程。

本实施例中，所述主控制器通过CAN总线接收上位机传来的转向、速度信号。在实际应用中，也可在系统中设置遥控模块，即采用现有的发射与接收模块，通过主控制器将操作人员输入的遥控信号转换成主控制器所需的CAN信号，从而使遥控成为一个CAN总线的控制节点，目前遥控距离可达700m。同时可以设定无线接收方式拥有最高优先级。即同时采用无线接收方式和上位机接收信号时，主控制器优先处理采用无线接收方式接收的数据信号，这样可以方便操作人员一旦发现错误，即通过手工方式进行纠正，提高系统的灵活性。

所述刹车机构包括直流电动推杆、刹车泵、刹车盘，直流电动推杆一端与制动用直流电机相连，另一端与刹车泵相连，刹车泵和刹车盘连接，刹车盘随车轮转动，在进行刹车时与车轮紧密相接。

一种基于上述电动田间搬运车分布式驱动系统的控制方法，所述主控制器采用PWM控制方式对转向用直流电机以及制动用直流电机的速度进行控制，通过UART串行接口经无刷直流电机驱动器对无刷直流轮毂电机的速度进行控制；主控制器采用非交叉耦合算法同时对4台无刷直流轮毂电机、2台转向用直流电机和2台制动用直流电机进行控制，设定控制过程中转向用直流电机比无刷直流轮毂电机和制动用直流电机具有更高优先级，即在控制过程中，先对转向用直流电机进行若干次连续调节，然后再对其他电机进行调节，调节后判断实际值是否达到设定值，如果没有，则再次对转向用直流电机进行若干次连续调节，直到所有电机实际值均达到设定值。主控制器中具体包括以下算法：

（1）在主控制器实现的启动算法为：启动算法采用PWM控制技术，在启动时施加预启动力矩，考虑到实际需求，预启动力矩在额定转矩范围内。启动过程为：当检测到上一时刻无刷直流轮毂电机速度为0且当前时刻输入速度不为0，则执行启动，否则不执行。启动可以根据实际需要灵活调整启动力度，在需要平滑启动，或者防止启动电流过大情况下可调小预启动力矩。启动过程结束后，进入行驶算法。

（2）在主控制器实现的行驶算法为：根据设定值与实际的差值，对不同的差值分段，并且作相应的调整。根据先验知识，当差值较大时，调节的力度增大，迅速调节电机的速度，由于电机的惯性，响应会相应较慢，此时，为防止饱和以及超调，增加延时，以保证电机有足够的响应时间；当差值较小时，累加量变小，响应的延时变小，使电机速度在接近设定速度时有较小的超调。在多电机控制系统，只需将延时调小，便可以达到多台电机联动的效果。采用这种算法的优点是调整参数直观，能够让工程人员迅速调节出稳定的系统，在调整动态性能的时候能直观地根据需要调节出合适的参数，能更好地对动态性能的某一时间段响应独立调节，而不会因此影响到其他时间段的性能。而且在惯性环节中，根据惯性环节的时间常数，能让工程人员直观地调整延时，防止了积分饱和的发生。主控制器对四个轮毂电机进行速度闭环控制，实现了四轮电子差速，四轮转矩分配，从而使搬运车能适用于田间作业的路面工况。

（3）在主控制实现的角度控制算法为：根据模糊PD算法的思想控制转向直流电机的转角。另外，因为蜗杆蜗轮具有自锁作用，相当于积分的功能，即积分作用是由机械部分完成，所以在算法中不能加进积分的功能。假设控制过程中，设定值在接近实际值的情况下突遇阻力，由于PD运算后的值不足以克服这个阻力，那么由于积分作用由机械部分完成，机构不具有判别功能，只会累积以前作用的效果，机构本身不能产生累积，所以输出角度永远无法达到设定值，为了防止这种情况的发生，在控制方法中要加入一些识别，解决办法为：在转向过程中对转向用直流电机的转向角度进行采样，若前一次采样值与当前采样值之差小于角度满量程的10%（根据实际应用进行设定），且PWM的值不为100%，且没有达到设定值，则继续累加PWM寄存器的值，使转向电机克服阻力直至达到设定角度。

（4）在主控制器实现的制动算法为：当主控制器检测到轮毂电机驱动器PWM信号的占空比为0，但实际速度仍大于设定速度时，采用制动措施，并且只要满足以上条件时，控制器一直执行制动程序。对推杆控制采用半闭环控制，检测量为无刷直流轮毂电机的速度，通过设定速度与轮毂电机速度的差值决定推杆的位移，从而调节制动力度。特别地，在自动刹车模式下，当速度设定为0时，当控制器检测到车轮的速度不为0时，控制推杆向前，夹紧刹车盘，并保持，即使车轮速度为0时也不松开。因此，小车能在一定坡度的坡道上停驻，但有一定距离的倒遛，当设定大于0时，能在一定坡度的坡道上启动。结合推杆制动与启动策略，使小车能在一定坡度的坡道上停驻、启动，而且控制方便，只需在上下坡的过程中，调节速度设定电位器至0，便可以在坡道上停驻，之后只需调节速度设定电位器从0至某一值，便可在坡道上启动。

本实施例中主控制器采用非交叉耦合算法同时对4台无刷直流轮毂电机、2台转向用直流电机和2台制动用直流电机进行控制，下面通过图5来对这一算法进行说明。

（1）首先采集输入的信号，对信号进行解算。

（2）由于转向用直流电机比无刷直流轮毂电机和制动用直流电机具有更高优先级，因此先根据解算后的转角信号和实际信号对转向用直流电机进行连续10次（根据实际应用可调节）调节，调节10次后进入步骤（3）。

（3）判断当前装置是否需要启动，判断方法是：判断是否上一时刻无刷直流轮毂电机的实际速度为0，且当前时刻输入的速度不为0，如果是，则说明需要启动，然后以一定的预启动力矩进行启动，完成启动后进入步骤（4），如果不是，则直接进入步骤（4）。

（4）判断是否无刷直流电机驱动器的PWM信号的占空比为0，且设定值（解算后的值）小于实际值，如果是，则说明当前电动车需要制动，启动制动算法，然后再次进入步骤（1）进行循环，如果否，则说明当前车需要进行驱动，松开刹车机构，采用行驶算法调节4台无刷直流轮毂电机的速度，然后再次进入步骤（1）进行循环。

为进一步说明多电机控制时，转向用直流电机的优先级，具体采用如图6所示的行驶过程中的控制方法来说明，主控制器对输入的信号进行解算后，先根据信号对转向用直流电机进行调节，装置包括两个转向用直流电机，所以两个转向用直流电机先连续调节10次（根据实际应用进行设定），然后不管是否已经达到了设定的转角值，都开始依次对4个无刷直流轮毂电机进行一次调节，调节后再次进入转向用直流电机的调节状态，构成循环。上述处理的目的是使得转向电机有更高的响应速度，更符合实际应用的要求。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电动田间搬运车分布式驱动系统，其特征在于：所述电动田间搬运车包括4个车轮、若干个刹车机构和若干个转向机构，每个车轮均分别由一台无刷直流轮毂电机独立驱动，每个刹车机构均分别由一台制动用直流电机驱动，每个转向机构均分别由一台转向用直流电机驱动，所述电动田间搬运车的主控制器为一块基于ARM内核的嵌入式微控制器，所述主控制器根据外部输入的转向信号和速度信号进行解算，然后经无刷直流电机驱动器控制每台无刷直流轮毂电机的速度，经直流电机驱动器控制每台转向用直流电机以及每台制动用直流电机。

2.根据权利要求1所述的电动田间搬运车分布式驱动系统，其特征在于：所述主控制器采用PWM控制方式对转向用直流电机以及制动用直流电机的速度进行控制，通过UART串行接口经无刷直流电机驱动器对无刷直流轮毂电机的速度进行控制；转向用直流电机与主控制器的AD通道相连，用于将其转角反馈数据发送到主控制器；无刷直流轮毂电机与主控制器的AD通道相连，用于将其速度反馈数据发送到主控制器；

主控制器通过CAN总线接收上位机传来的转向、速度信号，或者通过无线方式接收操作人员输入的转向、速度信号；

所述刹车机构包括直流电动推杆、刹车泵、刹车盘，直流电动推杆一端与制动用直流电机相连，另一端与刹车泵相连，刹车泵和刹车盘连接，刹车盘随车轮转动，在进行刹车时与车轮紧密相接；

所述驱动系统的动力源由若干块12V、80AH铅酸免维护电池串联而成。

3.根据权利要求2所述的电动田间搬运车分布式驱动系统，其特征在于：所述无刷直流电机驱动器采用单片机进行电子换相，驱动采用H-PWM-L-ON的调制方式，单片机通过UART串行接口接收主控制器传输过来的占空比信号；其控制芯片使用弱电电源进行供电，电机驱动使用强电电源进行供电，弱电与强电相隔离，弱电的控制信号通过光耦传递至强电侧；无刷直流电机驱动器的驱动主电路由三相逆变桥组成。

4.根据权利要求3所述的电动田间搬运车分布式驱动系统，其特征在于：所述无刷直流电机驱动器的驱动电路还包括反时限保护模块，该模块包括康铜丝、电压比较器和开关管驱动电路，康铜丝用于检测主回路电流，电压比较器用于将当前电流值和预设的门限值做比较，一旦电流超过预设的门限值则关闭开关管驱动电路，同时，在开关管驱动电路中容易产生电压尖峰的位置采用TVS管。

5.根据权利要求2所述的电动田间搬运车分布式驱动系统，其特征在于：所述无刷直流轮毂电机还包括测速电路，该电路是利用三路霍尔信号进行叠加，并且通过频率电压转换芯片转换成对应的模拟电压信号送给主控制器采样；

所述转向用直流电机中采用蜗杆蜗轮进行减速；

所述转向用直流电机和制动用直流电机驱动器采用全桥电路结构，用电荷泵电路产生高于电源的电压作为高端开关管的开通电压。

6.根据权利要求2所述的电动田间搬运车分布式驱动系统，其特征在于：

设定无线接收方式拥有最高优先级；

所述驱动系统还包括用于对电池电量进行检测并在电量低于设定值时对外报警的电池管理系统，该电池管理系统与主控制器相连，用于在电量低于设定值时传递信号到主控制器，主控制器收到信号后切断动力源的供电。

7.一种基于权利要求1所述的电动田间搬运车分布式驱动系统的控制方法，其特征在于：所述主控制器采用PWM控制方式对转向用直流电机以及制动用直流电机的速度进行控制，通过UART串行接口经无刷直流电机驱动器对无刷直流轮毂电机的速度进行控制；主控制器采用非交叉耦合算法同时对无刷直流轮毂电机、转向用直流电机和制动用直流电机进行控制，设定控制过程中转向用直流电机比无刷直流轮毂电机和制动用直流电机具有更高优先级，即在控制过程中，先对转向用直流电机进行若干次连续调节，然后再对其他电机进行调节，调节后判断实际值是否达到设定值，如果没有，则再次对转向用直流电机进行若干次连续调节，直到所有电机实际值均达到设定值。

8.根据权利要求7所述的电动田间搬运车分布式驱动系统的控制方法，其特征在于：所述控制方法根据搬运车的行驶过程分为4个部分，分别是启动、行驶、转向、刹车，每个部分包括以下步骤：

（1）启动：当检测到上一时刻无刷直流轮毂电机速度为0且当前时刻输入速度不为0，则以一定的预启动力矩启动无刷直流轮毂电机，如果启动过程中电机速度仍为0，则增大预启动力矩继续启动，如果在最大占空比下仍不能启动，则给出报警信号，提示过载，如果此过程中电机速度不为0，则完成启动；

（2）行驶：将主控制器中对无刷直流轮毂电机预设的速度值与电机实际的转速进行比对，根据二者差值进行调整，当差值大于速度寄存器满量程的某一个限值时，则调节电机速度到预设的速度，使PWM的累加值增大，并同时增加延时，当差值低于速度寄存器满量程的某一个限值时，则调节电机速度到预设的速度，使PWM的累加量减小，并同时减小延时，最后使电机实际转速稳定在预设的速度值附近；

（3）转向：在行驶过程中，采用模糊PD控制方法对转向用直流电机进行角度控制，同时，在转向过程中对转向用直流电机的转向角度进行采样，若前一次采样值与当前采样值之差小于角度满量程的设定门限值，且PWM的值不为100%，且没有达到设定值，则继续累加PWM寄存器的值，使转向电机克服阻力直至达到设定角度；

（4）制动：当主控制器检测到无刷直流电机驱动器的PWM信号占空比为0，但实际速度仍大于设定速度时，采用制动措施，制动分为自动模式及手动模式，在自动模式下，刹车机构中的直流电动推杆由主控制器根据预先设定的控制速度进行控制，在手动模式下，主控制器根据刹车输入量对刹车机构中的直流电动推杆进行控制。

9.根据权利要求8所述的电动田间搬运车分布式驱动系统的控制方法，其特征在于：所述步骤（4）制动过程中，主控制器对直流电动推杆的控制采用半闭环控制，检测量是无刷直流轮毂电机当前的速度，根据此速度和设定的速度之间的差值来决定直流电动推杆的位移，同时，在制动过程中，当检测到无刷直流轮毂电机当前的速度为0时，直流电动推杆依然保持夹紧时的位移。

10.根据权利要求8所述的电动田间搬运车分布式驱动系统的控制方法，其特征在于：所述主控制器采集4个无刷直流轮毂电机的电流，判断当前的负载情况，如果判断是轻载，则将四轮驱动切换为二轮驱动。

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