CN106383484A - 基于轮毂电机和磁编码器的穿梭车控制系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于轮毂电机和磁编码器的穿梭车控制系统及其方法，其特征包括：由中央数据处理模块、主通信模块和显示操作模块构成的上位机控制系统，以及由从通信模块、驱动控制模块和运动执行模块构成的穿梭车执行系统；驱动控制模块包括：数据处理单元和驱动控制电路；运动执行模块是由轮毂电机及固定于轮毂电机轴上的磁编码器组成。本发明能在减轻穿梭车本体重量以及使穿梭车结构更紧凑的前提下，保证相应的运货能力并提高穿梭车的定位精度。

Description

基于轮毂电机和磁编码器的穿梭车控制系统及其方法

技术领域

本发明涉及智能仓储物流技术领域，特别是一种基于轮毂电机和磁编码器的物流穿梭车控制系统及其控制方法。

技术背景

随着企业现代化生产规模的扩大，自动化的要求不仅仅体现在生产中，对于仓储物流系统提出的要求也是越来越高。现代物流技术中，自动化立体仓库可大大提高仓储密度，因此能够实现自动存取货物的巷道式穿梭车成为了市场需求。目前市场上已经有很多类型的仓储用穿梭车，关于穿梭车车体结构的优化以及相关的控制方法也已经很多。市场对于穿梭车能够实现在更为复杂的情况下的工作，以及实现程度更高的自动化、轻量化等提出了新的要求。

然而，现有的穿梭车主要功能模块：运动机构仍然采用传统的电机、带轮传动及车轮的方案，整套传动运动系统需要占用的空间较大，且电机的功重比基本不变的前提下，穿梭车整体的重量也较大。如何能有效地减轻穿梭车本体重量，同时保证更高的运动定位精度，就成了只能穿梭车亟需解决的问题。

发明内容

本发明为克服现有技术中所存在的不足之处，提供一种基于轮毂电机和磁编码器的穿梭车控制系统及其方法，以期能在减轻穿梭车本体重量以及使穿梭车结构更紧凑的前提下，保证相应的运货能力并提高穿梭车的定位精度。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种基于轮毂电机和磁编码器的穿梭车控制系统的特点包括：上位机控制系统、穿梭车执行系统；

所述上位机控制系统包括：中央数据处理模块、主通信模块、显示操作模块；

所述穿梭车执行系统设置在穿梭车上，并包括：从通信模块、驱动控制模块、运动执行模块；

所述驱动控制模块包括：数据处理单元和驱动控制电路；

所述运动执行模块是由轮毂电机及固定于所述轮毂电机轴上的磁编码器组成；

所述显示操作模块获取位置坐标指令并传递给所述中央数据处理模块；所述中央数据处理模块对所述位置坐标指令进行计算，得到位移矢量数据，并按照Modbus通信协议打包为DMA通信格式数据后通过所述主通信模块发送给所述从通信模块；

所述数据处理单元通过所述从通信模块将所获取的DMA通信格式数据解包为所述位移矢量数据后，通过三阶多项式计算得到所述位置坐标指令中所设定的速度和位置信息；

所述驱动控制电路根据所设定的速度和位置信息，将所述位移矢量数据转换为开关控制量信息，用于驱动所述轮毂电机执行相应操作；所述磁编码器同步采集所述轮毂电机的角度信息并通过所述从通信模块和主通信模块发送给所述中央数据处理模块；

所述中央数据处理模块根据所述角度信息并进行计算，得到所述穿梭车的实际速度和位置信息后，与所述位置坐标指令中所设定的速度和位置信息进行比较，从而实时控制所述轮毂电机调整相应角度以消除所述穿梭车的运动偏差。

本发明一种基于轮毂电机和磁编码器的穿梭车控制方法的特点是应用于上位机系统和穿梭车上，并按如下步骤进行：

步骤1、设置所述穿梭车同一侧的两个车轮为轮毂电机，并在所述轮毂电机轴的外端固定有圆形磁铁用于安装磁编码器；所述圆形磁铁和磁编码器为同轴且平行安装；

步骤2、所述上位机系统对所获取的位置坐标指令进行计算，得到位移矢量数据，并按照Modbus通信协议将所述位移矢量数据打包为DMA通信格式数据后发送给所述穿梭车；

步骤3、所述穿梭车将接收到的DMA通信格式数据解包为所述位移矢量数据后，通过三阶多项式计算得到所述位置坐标指令中所设定的速度和位置信息；

步骤4、根据所设定的速度和位置信息，将所述位移矢量数据转换为开关控制量信息，用于驱动所述轮毂电机执行相应操作，并利用所述磁编码器同步采集所述轮毂电机的角度信息后反馈给所述上位机系统；

步骤5、所述上位机系统根据所述角度信息得到所述穿梭车的实际速度和位置信息，并与所述位置坐标指令中所设定的速度和位置信息进行比较，从而构成闭环控制结构，并实时控制所述穿梭车以消除运动偏差。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明通过对穿梭车运动执行机构的改进，使用轮毂电机的方案，代替了传统的电机、带轮传动及普通车轮的方案，有效的提高了穿梭车本体的功重比，使得结构更为紧凑，同时提高了整体运动执行机构的可靠性，解决了因穿梭车车体过重而导致的能源消耗，同时降低了穿梭车的制作成本，提升了智能物流仓储设备的精确性及稳定性。

2、本发明通过使用Modbus通信协议，大大加快了上位机系统与穿梭车之间的通信及数据处理速度，有效减少了数据包在通信过程中的丢失；同时Modbus通信的适用范围更广，整体系统具有更好的兼容性和适应性；并且可以实现多种自主加密方式.支持多种串口通信方式，并集成多路模拟量采集AD接口和IO控制接口，监护前端PLC+DTU功能，实现一体化，节约成本，灵活多用。

3、本发明通过磁编码器来获取穿梭车的位置和速度信息；磁编码器的精度为4096步数/圈，步数对时间变化的一阶微分即为穿梭车的速度；通过引入一个三阶多项式的位移曲线，根据用户的指令自动计算相应系数，在获取指令后自动计算最优速度曲线并执行运动，在保证穿梭车较快运动速度和工作效率的前提下，合理设置加速度等参数，使得穿梭车的运动速度曲线得到最大的优化，从而提高了运动的稳定性和精确性。

附图说明

图1是本发明的控制系统模块图；

图2是本发明的运动控制流程图；

图3是本发明的数据转化流程图。

具体实施方式

本实施例中，一种基于轮毂电机和磁编码器的穿梭车控制系统，包括：上位机控制系统、穿梭车执行系统；

如图1所示：上位机控制系统包括：中央数据处理模块、主通信模块、显示操作模块；其中显示操作模块作为指令输入端及反馈显示界面，负责接收新的指令信号并将需要的反馈数据显示在指定窗口；中央数据处理模块负责计算处理显示操作模块所接受的指令，将其转化为运动控制矢量数据并传送给主通信模块，同时将主通信模块所接收的反馈数据转化为数字量并在显示操作界面进行显示；主通信模块负责将中央数据处理模块计算处理好的数据通过无线通信的方式传送给从通信模块，并接收从通信模块传送过来的反馈数据，并交由中央数据处理模块进行相应处理。

穿梭车执行系统设置在穿梭车上，并包括：从通信模块、驱动控制模块、运动执行模块；从通信模块负责与主通信模块进行通信，接收主通信模块的指令信息并将反馈信息传送给主通信模块；其中驱动控制模块由数据处理单元和驱动控制电路组成，数据处理单元计算处理从通信模块得到的指令，并用计算得到的开关控制量使驱动控制电路进行相应操作；运动执行模块由轮毂电机及固定于所述轮毂电机轴上的磁编码器组成，轮毂电机按照驱动控制电路的开关操作进行运转，完成执行任务，同时磁编码器实时采集轮毂电机的角度信息，并将得到的反馈数据传送给上位机进行处理和显示。

如图3所示：显示操作模块获取位置坐标指令，并传递给中央数据处理模块；中央数据处理模块对位置坐标指令进行计算，得到位移矢量数据，并按照Modbus通信协议将位移矢量数据打包为DMA通信格式数据后通过主通信模块发送给从通信模块；

数据处理单元通过从通信模块将所获取的DMA通信格式数据解包为位移矢量数据后，通过三阶多项式计算得到位置坐标指令中所设定的速度和位置信息；

驱动控制电路根据所设定的速度和位置信息，将位移矢量数据转换为开关控制量信息，用于驱动轮毂电机执行相应操作；磁编码器同步采集轮毂电机的角度信息并通过从通信模块和主通信模块发送给中央数据处理模块；

中央数据处理模块根据角度信息并进行计算，得到穿梭车的实际速度和位置信息后，与位置坐标指令中所设定的速度和位置信息进行比较，从而实时控制轮毂电机调整相应角度以消除穿梭车的运动偏差。

本实施例中，一种基于轮毂电机和磁编码器的穿梭车控制方法，是应用于上位机系统和穿梭车上，并按如图2所示的流程进行：

步骤1、设置穿梭车同一侧的两个车轮为轮毂电机，并在轮毂电机轴的外端固定有圆形磁铁用于安装磁编码器；圆形磁铁和磁编码器为同轴且平行安装；

步骤2、通电后，首先获取穿梭车的绝对位置信息。初次工作时，通过原点回零的方式手动校准，设置穿梭车的绝对位置；再次供电时，通过上一次断电前所保存的数据调用穿梭车的绝对位置信息；当穿梭车闲置超过一定时间后，自动回原点进行重新校准。通过上位机系统的输入操作界面输入控制指令，上位机系统对所获取的位置坐标指令进行计算，得到位移矢量数据，并按照Modbus通信协议将位移矢量数据打包为DMA通信格式数据后发送给穿梭车；

步骤3、穿梭车将接收到的DMA通信格式数据解包为位移矢量数据后，通过三阶多项式计算得到位置坐标指令中所设定的速度和位置信息；

步骤4、根据所设定的速度和位置信息，将位移矢量数据转换为开关控制量信息，用于驱动轮毂电机执行相应操作，并利用磁编码器同步采集轮毂电机的角度信息后反馈给上位机系统；

步骤5、上位机系统根据角度信息得到穿梭车的实际速度和位置信息，并与位置坐标指令中所设定的速度和位置信息进行比较，从而构成闭环控制结构，并实时控制穿梭车以消除运动偏差。当通过反馈信息确认穿梭车已经到达指定位置后，轮毂电机断电，并执行伸叉操作，实现货物的取放。否则不执行伸叉操作，直到运动定位已经完成并且穿梭车处于停止状态。完成上一条所有指令后，在接收到新的指令之前，穿梭车于当前位置保持静止状态。

综上所述，为解决智能仓储物流中穿梭车车体过重、结构过于复杂、工作环境要求较高以及运动的稳定性和定位的精确性不足的问题，本方案建立了一套完善的智能穿梭车控制系统，对于智能仓储物流的轻量化及可靠性等问题提供了解决方案。

Claims (2)

1.一种基于轮毂电机和磁编码器的穿梭车控制系统，其特征包括：上位机控制系统、穿梭车执行系统；

所述上位机控制系统包括：中央数据处理模块、主通信模块、显示操作模块；

所述穿梭车执行系统设置在穿梭车上，并包括：从通信模块、驱动控制模块、运动执行模块；

所述驱动控制模块包括：数据处理单元和驱动控制电路；

所述运动执行模块是由轮毂电机及固定于所述轮毂电机轴上的磁编码器组成；

所述显示操作模块获取位置坐标指令并传递给所述中央数据处理模块；所述中央数据处理模块对所述位置坐标指令进行计算，得到位移矢量数据，并按照Modbus通信协议打包为DMA通信格式数据后通过所述主通信模块发送给所述从通信模块；

所述数据处理单元通过所述从通信模块将所获取的DMA通信格式数据解包为所述位移矢量数据后，通过三阶多项式计算得到所述位置坐标指令中所设定的速度和位置信息；

所述驱动控制电路根据所设定的速度和位置信息，将所述位移矢量数据转换为开关控制量信息，用于驱动所述轮毂电机执行相应操作；所述磁编码器同步采集所述轮毂电机的角度信息并通过所述从通信模块和主通信模块发送给所述中央数据处理模块；

所述中央数据处理模块根据所述角度信息并进行计算，得到所述穿梭车的实际速度和位置信息后，与所述位置坐标指令中所设定的速度和位置信息进行比较，从而实时控制所述轮毂电机调整相应角度以消除所述穿梭车的运动偏差。

2.一种基于轮毂电机和磁编码器的穿梭车控制方法，其特征是应用于上位机系统和穿梭车上，并按如下步骤进行：

步骤1、设置所述穿梭车同一侧的两个车轮为轮毂电机，并在所述轮毂电机轴的外端固定有圆形磁铁用于安装磁编码器；所述圆形磁铁和磁编码器为同轴且平行安装；

步骤2、所述上位机系统对所获取的位置坐标指令进行计算，得到位移矢量数据，并按照Modbus通信协议将所述位移矢量数据打包为DMA通信格式数据后发送给所述穿梭车；

步骤3、所述穿梭车将接收到的DMA通信格式数据解包为所述位移矢量数据后，通过三阶多项式计算得到所述位置坐标指令中所设定的速度和位置信息；

步骤4、根据所设定的速度和位置信息，将所述位移矢量数据转换为开关控制量信息，用于驱动所述轮毂电机执行相应操作，并利用所述磁编码器同步采集所述轮毂电机的角度信息后反馈给所述上位机系统；

步骤5、所述上位机系统根据所述角度信息得到所述穿梭车的实际速度和位置信息，并与所述位置坐标指令中所设定的速度和位置信息进行比较，从而构成闭环控制结构，并实时控制所述穿梭车以消除运动偏差。