【技术实现步骤摘要】
四轮独立电驱机器人底盘驱动器的弹性功率控制方法
[0001]本专利技术属于直流电机驱动器控制领域，具体涉及一种四轮独立电驱机器人底盘驱动器的弹性功率控制方法。
技术介绍
[0002]随着社会的发展和科技的进步，轮式机器人已经成为人们生产生活中不可或缺的存在，轮式机器人的自重轻、行进速度快，且四轮独立电驱机器人可以对四组驱动电机实现精准控制，具有传动效率高、驱动控制方便、机动灵活等优点，现已被大量应用于工业制造、农业生产、汽车驱动等众多领域。
[0003]四轮独立电驱机器人通常被要求披挂大量载荷，且具备强劲的爬坡越障能力，即需要机器人具备优良的瞬时过载能力，并且驱动器也应具有较高的功率密度等级，因此四轮独立电驱机器人底盘驱动器往往存在较大的过温故障风险。为提高四轮独立电驱机器人运行可靠性，改善其底盘驱动器的内部温度状态并优化功率调节已迫在眉睫。
[0004]针对此类问题，目前，已有相关专利从电机及其驱动器运行热安全性的角度提出了功率优化方案。中国专利CN109591615A面向电动汽车驱动器提出一种过载输出方法，通过温度闭环控制器计算得到合理的转矩电流最大限定值，提高了电动汽车的带载能力和输出功率上限。中国专利CN206743154U基于精准的电流和磁场位置检测实现闭环矢量控制，具有过载效率高、功率稳定的优势。
[0005]在目前已有的专利中，其研究对象均面向单台电机驱动器，不适用于四轮独立电驱动机器人的功率弹性控制，其原因在于四轮独立电驱机器人底盘包含四组独立的驱动单元，为了完成机器人不同的行...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种四轮独立电驱机器人底盘驱动器的弹性功率控制方法，其特征在于，步骤如下：步骤1、底盘驱动器获取遥控器发出的行进控制命令，并对四轮独立电驱机器人底盘驱动器的前后侧四组驱动单元分别设定运行期望电流，从而切换机器人的行进模式，转入步骤2；步骤2、根据结
‑
壳热网络模型和功率器件的损耗模型，计算得到功率器件的输出结温，并将实时结温传递至温度闭环模糊控制器中，输出底盘驱动器运行电流的限制值，转入步骤3；步骤3、结合四轮独立电驱机器人的控制命令和当前行进状态，设计基于有限状态机原理的底盘驱动器电流整定策略，该策略将底盘驱动器四组驱动单元相互关联、彼此牵制，各组的实际运行电流限制值与温度闭环输出的电流限制值进行对比，动态整定驱动器的运行电流限制，保障底盘驱动器的热安全性，根据整定后得到的运行电流参考值，对四路驱动单元的运行电流进行电流闭环控制，主动调整驱动器的功率输出状态。2.根据权利要求1所述的四轮独立电驱机器人底盘驱动器的弹性功率控制方法，其特征在于，步骤1中，底盘驱动器获取遥控器发出的行进控制命令，并对四轮独立电驱机器人底盘驱动器的前后侧四组驱动单元分别设定运行期望电流，从而切换机器人的行进模式，具体如下：遥控器面向四轮独立电驱机器人发出的控制命令包括行进命令、转向命令、油门命令和转幅命令，其中，机器人通过行进命令获取启动信号和行进方向，转向命令获取左转信号、右转信号和原地转向信号，油门命令获取机器人行进时四组驱动单元运行电流期望值，转幅命令获取机器人在转向时的转向幅度，用转差电流ΔI表示，此外，为提高四轮独立电驱机器人的带载能力，遥控器根据机器人的运行工况下发给底盘驱动器的期望参考电流值包括受控电机额定电流值I
N
、第一过载电流值I0和第二过载电流值I1，左右同侧的驱动单元在转向时通过第一转向电流差ΔI1和第二转向电流差ΔI2产生约束关系，从而实现至少有一台同侧驱动单元的受控电机达到过载输出状态。3.根据权利要求2所述的四轮独立电驱机器人底盘驱动器的弹性功率控制方法，其特征在于，步骤2中的结
‑
壳热网络模型具体如下：结
‑
壳热网络模型将测量值壳温作为功率器件结温估计的边界条件，将器件功率损耗作为输入条件，通过迭代求解微分方程组推算器件结温，计算过程如下：式中，P为功率器件的总损耗，T
j
为功率器件的结温，T
c
为功率器件的壳温，T1至T
m
为结
‑
壳网络中各节点温度，C
i
为第i节点的热容，R
i
为第i节点的热阻，其中i＝1，2，
…
m，m为热网络模型的总阶数；
将(1)式进行离散化处理后得到：式中，T
j
(k)为当前时刻待求的功率器件结温值，T
j
(k
‑
1)为上一时刻功率器件结温值，P(k)为当前时刻器件损耗，T
m
(k)为结
‑
壳热网络中的节点温度，Δt为离散时间步长。4.根据权利要求3所述的四轮独立电驱机器人底盘驱动器的弹性功率控制方法，其特征在于，步骤2中的功率器件的损耗模型，具体如下：所述功率器件为MOSFET，该功率器件的损耗模型通过基于数据手册的损耗计算方法建立，损耗计算过程如下：在每个开关周期内，MOSFET的总损耗包括器体自身的开关损耗、器体自身的导通损耗、体二极管的导通损耗和体二极管的反向恢复损耗，其中，器体自身的损耗计算过程如下：式中，P
c_MOS
为器体自身的导通损耗，P
sw_MOS
为器体自身的开关损耗，R
DS_on
(T
j
)为通态电阻，其值和结温大小有关，I
Drms
为器体自身通态电流有效值，U
D
为器体自身的输入电压值，i
a
、i
b
分别为器体自身导通时刻和关断时刻的电流值，t
on
、t
off
为器体自身的开通时间和关断时间，f
sw
为器体自身的开关频率；体二极管的损耗计算过程如下所示：式中，P
c_Diode
为体二极管的导通损耗，P
rr_Diode
为体二极管的反向恢复损耗，Q
rr
和u
do
分别为体二极管反向恢复电量、零电流时体二极管的导通压降，通过查询功率器件的数据手册得到，R
d
为体二极管的通态电阻，I
fav
和I
frms
分别为体二极管通态电流的平均值和有效值。5.根据权利要求4所述的四轮独立电驱机器人底盘驱动器的弹性功率控制方法，其特征在于，步骤2中，将实时结温传递至温度闭环模糊控制器中，输出底盘驱动器运行电流的限制值，具体如下：通过比较四轮独立电驱机器人底盘驱动器各驱动单元的实时结温和预设的温度阈值，得到模糊控制器输入的误差量e和误差变化率ec，经过模糊化后将输入的精确量e和ec转化为相应的误差模糊量E和误差变化率模糊量EC，根据模糊控制规则进行模糊推理，再把推理结果转化为用于实际控制的精确量，即反模糊化，模糊控制器根据温度反馈的误差和误差变化率来对每个功率器件温度闭环的PID参数进行在线自整定，每一组驱动单元输出四路
功率器件电流限制值，并选取最小值作为该组驱动单元当前温度下的电流限制值，因此底盘驱动器四组驱动单元的电流限制值为：其中，为第一驱动单元的电流限制值，为第二驱动单元的电流限制值，为第三驱动单元的运行电流限制值，为第四驱动单元的电流限制值，为第一驱动单元输出的四组功率器件电流限制值，为第二驱动单元输出的四组功率器件电流限制值，为第三驱动单元输出的四组功率器件电流限制值，为第四驱动单元输出的四组功率器件电流限制值；底盘驱动器的功率器件温度变化对电流限制值的影响规律为：当底盘驱动器的实际温度小于预设温度值时，温度闭环模糊控制器将增大电流限制值；当底盘驱动器的实际温度大于预设温度值时，温度闭环模糊控制器将减小电流限制值；当底盘驱动器的实际温度等于预设温度值时，温度闭环模糊控制器将电流限制值维持在稳定大小。6.根据权利要求5所述的四轮独立电驱机器人底盘驱动器的弹性功率控制方法，其特征在于，步骤2中的模糊控制器为二维模糊控制器，即具有两个输入变量e和ec；隶属函数选用为三角形隶属度函数；模糊推理方法为Mamdani法，根据模糊控制规则对输出模糊值进行量化；解模糊采用的是面积重心法，将模糊控制器输出量转化为实际精确值。7.根据权利要求6所述的四轮独立电驱机器人底盘驱动器的弹性功率控制方法，其特征在于，步骤3中有限状态机为Mealy型六元组数学模型，表示为：M＝(S，s0，∑，Λ,G,T)
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(5)式中，S为有限状态集合，S＝{s0,s1,s2,s3,s4,s5}，s0为初始状态，四轮独立电驱机器人的行进状态有停止、直行、左转、右转、原地转向，分别对应s0、s1、s2、s3、s4，∑为输入事件，表示为∑＝σ
i
，Λ为输出事件集合，Λ＝{λ1，λ2，...,λ
l
}，G为输出函数集合，T为状态转移函数集合；由于底盘驱动器的四组驱动单元相互独立，在不同行进模式下每个驱动单元的运行电流往往存在差异，从而导致各侧的温升状态和输出裕量产生差别，因此电流整定策略以机器人目标状态作为前提条件，将当前期望电流或实际电流限制值与温度闭环输出的电流限制值二者的大小关系作为输入事件，对每组驱动单元的实际电流限制值进行整定，进而完成底盘驱动器功率的弹性控制。8.根据权利要求7所述四轮独立电驱机器人底盘驱动器的弹性功率控制方法，其特征在于，所述步骤3中，底盘驱动器具有四组独立的驱动单元，当底盘驱动器运行时，基于有限状态机的电流整定策略依据机器人的实际行进状态将四组驱动单元的运行参考电流紧密
联系起来，在不同行进状态的切换并保障底盘驱动器的热安全性下，依旧能够实现对驱动器运行电流限制值的精准整定，达到各驱动单元之间相互限制，彼此制约的协同控制效果，由于底盘驱动器是以恒电压条件下运行，因此对底盘驱动器运行电流的动态整定将直接实现运行功率的弹性调整，其中，四轮独立电驱机器人的运行状态包括直行、左转、右转、原地转向、停止，底盘驱动器按照位置划分为前左侧第一驱动单元D1、前右侧第二驱动单元D2、后左侧第三驱动单元D3、后右侧第四驱动单元D4，底盘驱动器依据机器人的运行状态需求对各驱动单元电流进行动态整定，基于有限状态机的电流整定策略具体实施过程为：1)当四轮独立电驱机器人从任意状态切换至直行状态运行时，此时底盘驱动器四组驱动单元运行参考电流值应相等，遥控器对每个驱动轮发出等量同向的期望电流值，以实现前进或后退的运动姿态，由于机器人的前进与后退的实际区别仅在于电机的正转与反转；以前进态策略实施过程为例进行描述，遥控器对每个驱动单元发出如下期望电流：首先通过对比期望电流值和四组驱动单元中温度闭环输出的电流限制值，若其超出了各侧驱动单元温度闭环输出的四者中最小值，则将四组驱动单元D1、D2、D3、D4的实际电流限制值同时设为该最小值的大小，若未超过，则底盘驱动器将遥控器下发的期望电流值作为四组驱动的单元实际电流限制值，实现底盘驱动器的四组驱动单元的运行电流均在安全范围；2)当四轮独立电驱机器人从任意状态切换至左转状态运行时，此时底盘驱动器的运行电流参考值关系为：前右侧第二驱动单元运行参考电流值应大于前左侧第一驱动单元运行参考电流值后右侧第四驱动单元运行参考电流值应大于后左侧第三驱动单元运行参考电流值因此遥控器发出如下期望电流值：式中，分别对应遥控器给驱动单元D4、D3、D2、D1下发的期望参考电流值，为了提高底盘驱动器的功率输出，分别设置第一过载电流和第二过载电流I0、I1，ΔI1为四轮独立电驱机器人前侧转差电流、ΔI2为四轮独立电驱机器人后侧转差电流；机器人左转时的电流整定过程为：2
‑
1)：当驱动单元D4的期望参考电流大于该驱动单元温度闭环输出的电流限制值且驱动单元D3的期望参考电流小于该驱动单元温度闭环输出的电流限制值电流整定策略将以作为D4侧驱动单元的实际运行电流限制值，由于驱动单元D3与D4之间具有转差电流的约束关系存在，因此对D4侧实际运行电流限制值整定的同时，D3侧也会受到牵制效果，其实际运行电流限制值大小为D4侧实际运行电流限制值I
lim4
减后侧转差电
流ΔI2；同理当驱动单元D2的期望参考电流大于该驱动单元温度闭环输出的电流限制值时，且驱动单元D1的期望参考电流小于该驱动单元温度闭环输出的电流限制值电流整定策略将以作为该驱动单元的实际运行电流限制值，此时的D1侧实际运行电流限制值受到D2侧的影响后的大小为D2侧实际运行电流限制值I
lim2
减前侧转差电流ΔI1，经数学验证此时四组驱动单元各自的实际电流限制值均未超出对应侧的电流限制值，转入2
‑
2)；2
‑
2)：当驱动单元D3的...
【专利技术属性】
技术研发人员：应展烽，徐德凯，石廷川，成果，谢佳伟，丁雪楠，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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