专利名称：一种基于电流控制的移动式机器人能量控制方法
技术领域：
本发明提供一种基于电流控制的移动式机器人能量控制方法,它适用于利用直流变换 装置进行实时能量管理的控制方法，属于自动控制技术领域。
背景技术：
在国防、医疗、工业、海洋探测、航空航天、交通等诸多方面，移动机器人显示出越 来越广阔的应用前景，它己经引起了世界各国的极大关注。随着世界人口的增长，社会发 展对能源的需求也不断增加。世界能源的短缺问题，机器人的能源消耗及其能量管理成为 机器人应用领域亟待解决的问题之一。
一般地，机器人的能量控制算法常使用DC/DC电压控制，其原理如下当机器人电
机的输出功率小于Pmax时，DC-DC变换器输出始终恒定在某一预设电压U0;当DC-DC
变换器输出功率达到对应于蓄电池最大功率点时，DC-DC变换器输出电压和电流成反比关 系，输出功率保持恒定；当功率需求继续增加，由于DC-DC变换器的电流I皿限制，输 出功率下降快速。该方法控制简单，能量在电机和蓄电池之间进行自动分配，母线恒定值
限制了蓄电池的过放。此方法也包含很大的缺陷在其中动态响应时，只控制母线电压无
法精确控制各部件的能量分配；由于缺乏对蓄电池内压、内阻和SOC (state of charge:电 荷容量)实时准确估计，只依靠母线电压一个量无法做到对蓄电池功率的精确控制，蓄电 池在实际运行中经常会出现过放现象，对蓄电池使用寿命造成影响。另外，目前机器人的 使用中还存在以下的问题 一是机器人的频繁启制动中，短短的几秒钟内完成启动与制动， 需要很大的功率，而蓄电池不能提供这样大的瞬时功率，而且频繁地启动对蓄电池的寿命 而言也是很大的威胁；二是机器人频繁的制动过程中，制动反馈的再生能量只能通过能耗 电阻消耗掉，没有达到能源的再生利用，电阻发热消耗再生能量既浪费了能源又增加了整 个机器人的热污染。
因此，在机器人的动力系统中需要在蓄电池的基础上加入超级电容器，新的机器人整 机能量控制方法需要解决蓄电池、电机和超级电容器三者之间的能量明确分配的问题，而 本发明提出的直流变换器电流控制可以很好的解决这个问题。
发明内容
为了实现机器人内部各个模块之间实时通讯，本发明的目的在于针对移动式机器人， 结合能量回馈，釆用工业标准的CAN总线连接各个工作模块，给出一种基于电流控制的能
4量控制方法,以实现各模块之间的实时通讯。
本发明的能量控制方法原理如下直流电机、蓄电池和超级电容器三个能量单元，并 联在同一母线上，其中，蓄电池包括镍氢电池和锂离子电池。因此，只要确定了三个之中 的两个能量单元输入输出功率，那么整个动力系统能量流动就会确定。直流电机功率反映 机器人作业要求，可以根据机器人运动速度与电机转速通过标定MAP图得出；母线直接 接在蓄电池两端口上，其电压直接反映了蓄电池内部电压大小，因为蓄电池输出功率由蓄 电池的放电电流决定；超级电容器的输入、输出功率由超级电容器的充、放电电流决定。 综上，可以考虑在蓄电池和直流电机之间并联一个直流电力变换装置(双向DC/DC变换 器)，由它来控制母线上蓄电池侧输出电压或电流大小。
电机功率Pm。t。r、双向直流变换器DC/DC功率PDC/DC和蓄电池功率Pbat之间供求关系如
下
Pmotor=PDC/DC+Pbat
其中电机功率Pm。t。r可通过査表方法确定，只有确定PDC/DC量值，那么根据此关系式，即 可确定蓄电池输入输出功率Pbat，同时由于这三者并联于母线上，电压相等，则功率关系 可以转换为电流供求关系-Imotor=lDC/DC+Ibat
因此，本方法的核心是确定双向DC/DC的输出电流bc/Dc目标值，即可确定整个机器人动 力系统的功率分配问题。也就是说，本发明能让整机控制器在限定的釆样间隔(50ms) 内，根据CAN总线传递的各部件状态信号，求解出明确的能量控制数值，并最终发送给 执行部件DC/DC变换器实现能量控制。
本发明的技术方案如下 本发明提供一种基于电流控制的移动式机器人能量控制方法，其硬件主要包括直流电 机、超级电容器、镍氢电池、锂离子电池和双向DC/DC直流变换器，它们并联于母线之 上，完成功率供求转换关系，从而满足移动式机器人作业需求，其特征在于，该方法包括
以下步骤
(1) 信号采集由CAN总线总线采集蓄电池端口电压作为母线电压信号VDC/DC;由CAN 总线采集电机转速信号rm。t。r;由CAN总线釆集机器人运动速度Vr。b。t均传送给机器人的整机 控制器；
(2) 在整机控制器中，利用已知的电机转速信号rm。t。r和机器人运动速度Vr。b。t，釆取查
表方式，计算出电机的目标转矩Tm。t。r，公式表达式为Tmoto厂f(i"motor， vrobot),
其中，输出量T咖t。r为电机的目标扭矩，输入量r咖t。r为电机当前转速，Vr。b。t为机器人运动速 度，f(.)表示査表用的非线性函数；
(3)在整机控制器中，计算电机需求总功率Pm。to:
其中输出量Pm。t。r为电机需求总功率，为电机控制效率，7自。,为电机效率
(4) 在整机控制器中,计算其它辅助装置功率需求PAUX,可以获得额外功率量值
Pmix=Pmotor+PAUX
其中Pmix表示包括电机需求和包括其他辅助装置功率在内功率消耗部件的总功率；
(5) 在整机控制器中,计算蓄电池充放电功率，蓄电池包括镍氢电池和锂离子电池
Pba尸Pmax一bat X (SOCim_barSOCbat) 其中输出量Pbat为蓄电池充放电功率,PmaxJnrt为蓄电池最大充放电功率；
(6) 在整机控制器中，计算超级电容器充放电功率
Pcap—Pmax一cap X (SOCiim_cap-SOCCap) 其中输出量Pcap为蓄电池充放电功率,Pmax^p为蓄电池最大充放电功率；
:(7)在整车控制器中,计算DC/DC输出功率PDc/Dc为
(8) 在整机控制器中,计算DC/DC输出电流lDc/Dc为 Idc/dc=Pdc/dc/Vdc/dc
(9) 此Idc/dc经过一阶滤波,满足DC/DC变换器动态调节相应过程后，由整机控制器通 过CAN总线通信发送给双向DC/DC控制器,实现双向DC/DC电流控制。
本发明控制原理如下
1. 动力系统总线电压由蓄电池决定；
2. 电机驱动为电流源，即动力系统的负载表现为电流模式；
3. 通过控制DC/DC输出端的电流来控制蓄电池的输出功率；
4. 蓄电池的充电放电电流为DC/DC输出端的电流和电机驱动器电流之和，其功率控 制是明确的；
5. 因此动力系统中总线电压和各支路电流是完全可控的。
; 本方法考虑超级电容器SOC状态和电机功率需求，实现能量反馈环节当直流电机处 于耗能状态时，直流电机消耗电能，引起总线电压下降，双向DC/DC变换器端电压下降，超级电容器组放电，实现超级电容器与蓄电池的联合启动直流电机。现在考虑直流电机制 动或者减速时的能量回馈问题。再生能量的储存和利用主要是通过储能装置，即超级电容 器组和双向DC/DC变换器组成，当直流电机转速下降或者制动时，处于能量再生状态， 工作电机反转将再生能量转换成电能引起总线电压升高，总线电压升高引起双向DC/DC 变换器端电压上升，从而对超级电容器组充电，达到能量的回馈。那么总的来说，直流电 机启动过程中，超级电容器组也为直流电机放电，可以有效地减小直流电机启动过程中加 速给蓄电池造成的大电流的冲击，在能量回馈的过程中，又可以有效地将直流电机减少的 动能回馈到超级电容器中进行能量的再利用，实现能量的循环利用以及减少能量的浪费。 同时，由于超级电容器并联在直流总线上，可以自动监测直流总线电压，如果总线电压不 发生变化，则超级电容器处于准备状态，不工作。当总线的电压上升，超级电容器进入充 电状态，此时其充电电流大小自动根据反馈的能量大小决定。
本方法也适合于其它的由直流变换装置实现控制的混合动力结构，可实现负载功率的 精确控制，可为各种能量控制方法实现提供试验平台。
图l为本发明移动式机器人的动力系统结构示意图 图2为本发明基于电流控制的移动式机器人能量控制方法流程框图
具体实施例方式
下面结合附图对本发明具体实施作进一步说明
图1为本发明的移动式机器人的动力系统结构示意图。图中双股粗实线代表能量流动 线路，单股虚线代表基于CAN总线网络传输的状态和控制信号流动线路。蓄电池10作为 主能量源，包含镍氢电池组和锂离子电池组，蓄电池通过双向DC/DC直流变换器20与超 级电容器30和电机控制器40并联，电机控制器用来控制电机50，这样，通过控制双向 DC/DC电流输出，即可以控制蓄电池电流输出和功率输出，又可以实现电机输入输出电流 和超级电容器输入输出电流的自动控制，目标明确。蓄电池由蓄电池控制器60控制，双 向DC/DC控制器70控制双向DC/DC直流变换器，超级电容器控制器80控制超级电容器 的充、放电，机器人总机控制器90为总控制器。也就是说，蓄电池、双向DC/DC变换器、 超级电容器和电机等部件都有自己的控制器它们将控制部件的状态信号收集起来，通过 CAN总线网络发送给整机控制器，然后接受整机控制器送出的控制信号，实现对各自部 件的控制。整机控制器处于分布式控制网络的核心，它将各个部件的信息汇总，结合当前机器人的运动状态，执行相应的方法后生成控制命令，通过CAN网络发布到各个子部件， 从而实现对各个子部件的控制。
基于CAN总线的通信具有系统数据交换量大，实时性和可靠性高的特点，适合于整 机控制器对移动式机器人的整个系统进行能量控制和对各部件协调控制，基于CAN总线 的网络系统包括整机控制器、蓄电池组系统、DC/DC变换器、电机及其控制器等节点，它 们以整机控制器作为信息交换中心，其它节点之间不直接交换数据。选择双向DC/DC变 换器是因为超级电容器组连接双向DC/DC变换器共同组成储能单元，与蓄电池并联一起 为直流电机供能，当电机制动时能量回馈到超级电容器组中。超级电容器只能输入和输出 直流电，所以要实现超级电容器的充放电，必须选择直流双向DC/DC变换器来实现能量 的双向流动。
图2为本发明基于电流控制的移动式机器人能量控制方法流程框图。当采样开始100 后，首先由CAN总线采集动力系统各节点的状态信号IIO，其中包含母线电压信号VDC/DC、 电机转速信号rm。t。r和机器人运动速度Vrob。t。由于母线接在蓄电池两端口上，母线电压代
表了蓄电池内部电压，经过一阶低频滤波后得到去除高频噪声的母线电压值VDC/DC。整机
控制器接受CAN总线传输的电机转速信号rm。t。r和机器人当前速度Vrob。t，通过转矩MAP
图插值査取电机的目标转矩120。电机目标扭矩Tm。t。r与电机转速rm。t。r乘积可以获得电机 输出功率需求，它与效率的比值可以获得母线上输入电机控制器的总功率Pm。t。r130，效率
包括电机控制器效率77m。to 和电机效率7m。to,两部分，它们是对电机及电机控制器通过离 线匹配标定得到参数，是温度的非线性函数。经过上述处理，获得了电机需求功率后，紧
接着依次计算辅助功率消耗部件的功率Paux140，蓄电池的放电功率150以及超级电容器
的充、放电功率160，最后，根据总功率估计值PDC/DC170和母线电压值VDC/Dc，可以计
算出DC/DC输出电流值IDC/DC180，如下式 Idc/dc=Pdc/dc^V dc/dc
此iDc/Dc经过一阶滤波，满足DC/DC变换器动态调节相应过程后，由整机控制器通过CAN 总线通信发送给DC/DC控制器，实现DC/DC电流控制l卯，CAN总线进入下一个采用200。 本发明的一种基于电流控制的移动式机器人能量控制方法，其硬件主要包括直流电 机、超级电容器、镍氢电池、锂离子电池和双向DC/DC直流变换器，它们并联于母线之 上，完成功率供求转换关系，从而满足移动式机器人作业需求，其特征在于，该方法包括 以下步骤
(l)信号釆集由CAN总线总线采集蓄电池端口电压作为母线电压信号VDC/Dc;由CAN总线采集电机转速信号rm。t。r;由CAN总线采集机器人运动速度Vr。b。t均传送给机器人的整机
控制器；
(2)在整机控制器中，利用已知的电机转速信号rm。t。r和机器人运动速度Vr。b。t，采取査 表方式，计算出电机的目标转矩Tm。t。r,公式表达式为
Tmotor—f(fmotor， Vrob。t)，
其中，输出量Tm。t。r为电机的目标扭矩，输入量^。t。r为电机当前转速，Vr。b。t为机器人运动速 度，f(.)表示査表用的非线性函数；
(3)在整机控制器中，计算电机需求总功率Pm。t。r:
其中输出量Pm。t。r为电机需求总功率，/7 ^,为电机控制效率，、。,。,为电机效率
(4) 在整机控制器中,计算其它辅助装置功率需求PAUX,可以获得额外功率量值
Pmix=Pmotor+PAUX
其中Pm,x表示包括电机需求和包括其他辅助装置功率在内功率消耗部件的总功率；
(5) 在整机控制器中,计算蓄电池充放电功率，蓄电池包括镍氢电池和锂离子电池
Pbat=Pmax—bat X (SOCiim一ba广SOCbat) 其中输出量Pbat为蓄电池充放电功率,Pmax—bat为蓄电池最大充放电功率；
(6) 在整机控制器中,计算超级电容器充放电功率
Pcap—Pmax—cap X (SOCiim—Cap-SOCcap) 其中输出量Pcap为蓄电池充放电功率,Pma^ap为蓄电池最大充放电功率；
(7) 在整车控制器中,计算DC/DC输出功率PDc/Dc为
^ZX:/DC — j ma t丄/jaf T J rap — mWor 丁 j爿f^ t j 6加t j cflp
(8) 在整机控制器中,计算DC/DC输出电流Ioc/dc为
Idc/dc=Pdc/dc/V dc/dc
(9)此Idc/dc经过一阶滤波，满足DC/DC变换器动态调节相应过程后,由整机控制器通过 CAN总线通信发送给双向DC/DC控制器，实现双向DC/DC电流控制。
权利要求
1、一种基于电流控制的移动式机器人能量控制方法，其硬件主要包括直流电机、超级电容器组、镍氢电池组、锂离子电池组和双向DC/DC直流变换器，它们并联于母线之上，完成功率供求转换关系，从而满足移动式机器人作业需求，其特征在于，该方法包括以下步骤(1)信号采集由CAN总线总线采集蓄电池端口电压作为母线电压信号VDC/DC；由CAN总线采集电机转速信号rmotor；由CAN总线采集机器人运动速度vrobot均传送给机器人的整机控制器；(2)在整机控制器中，利用已知的电机转速信号rmotor和机器人运动速度vrobot，采取查表方式，计算出电机的目标转矩Tmotor，公式表达式为Tmotor＝f(rmotor，vrobot)，其中，输出量Tmotor为电机的目标扭矩，输入量rmotor为电机当前转速，vrobot为机器人运动速度，f(.)表示查表用的非线性函数；(3)在整机控制器中，计算电机需求总功率PmotorPmotor＝(Tmotor×rmotor)/(ηmotor_ctr×ηmotor)其中输出量Pmotor为电机需求总功率，ηmotor_ctr为电机控制效率，ηmotor为电机效率(4)在整机控制器中，计算其它辅助装置功率需求PAUX，可以获得额外功率量值Pmix＝Pmotor+PAUX其中Pmix表示包括电机需求和包括其他辅助装置功率在内功率消耗部件的总功率；(5)在整机控制器中，计算蓄电池充放电功率，蓄电池包括镍氢电池和锂离子电池Pbat＝Pmax_bat×(SOClim_bat-SOCbat)其中输出量Pbat为蓄电池充放电功率，Pmax_bat为蓄电池最大充放电功率；(6)在整机控制器中，计算超级电容器充放电功率Pcap＝Pmax_cap×(SOClim_cap-SOCcap)其中输出量Pcap为蓄电池充放电功率，Pmax_cap为蓄电池最大充放电功率；(7)在整车控制器中，计算DC/DC输出功率PDC/DC为PDC/DC＝Pmix+Pbat+Pcap＝Pmotor+PAUX+Pbat+Pcap(8)在整机控制器中，计算DC/DC输出电流IDC/DC为IDC/DC＝PDC/DC/VDC/DC(9)此IDC/DC经过一阶滤波，满足DC/DC变换器动态调节相应过程后，由整机控制器通过CAN总线通信发送给双向DC/DC控制器，实现双向DC/DC电流控制。
全文摘要
本发明涉及基于电流控制的移动式机器人能量控制方法，属于自动控制系统领域，其特征在于，包括CAN总线采集母线电压信号V<sub>DC/DC</sub>、电机转速信号r<sub>motor</sub>、机器人运动速度v<sub>robot</sub>均传送给机器人整机控制器；在整机控制器中查取电机的目标转矩T<sub>motor</sub>，计算电机需求总功率P<sub>motor</sub>、其它辅助装置功率需求P<sub>AUX</sub>、蓄电池充放电功率P<sub>bat</sub>、超级电容器充放电功率P<sub>cap</sub>；计算出双向DC/DC输出电流I<sub>DC/DC</sub>；I<sub>DC/DC</sub>经过一阶滤波，满足双向DC/DC变换器动态调节相应过程后，由整机控制器通过CAN总线通信发送给双向DC/DC控制器，实现双向DC/DC电流控制。本发明能实现负载功率的精确控制，使移动式机器人的整机能量控制处于最佳状态，可提高动力系统的整体效率，延长机器人的工作时间。
文档编号B25J13/00GK101474793SQ20091007737
公开日2009年7月8日 申请日期2009年2月19日 优先权日2009年2月19日
发明者勇 崔, 王秋生, 袁海文, 黄姣英 申请人:北京航空航天大学