模塊化四向穿梭車控制器的設(shè)計

（南京音飛儲存設(shè)備（集團(tuán)）股份有限公司，江蘇 南京 211102）

1 概述

四向穿梭車是一種高密度倉儲貨架中的自動化搬運設(shè)備，可在貨架上鋪設(shè)的軌道上行走且自動切換行走方向。通過無線網(wǎng)（WiFi）與倉庫控制系統(tǒng)（WCS）連接，和提升機(jī)配合可以去到立體倉庫中的任一貨位，可以行走至任一巷道。與普通多層穿梭車相比，四向穿梭車系統(tǒng)的吞吐量及作業(yè)效率與巷道數(shù)量無關(guān)；與穿梭式子母車相比，四向穿梭車系統(tǒng)的成本更低。四向穿梭車系統(tǒng)既適合低流量、高密度的存儲，也適合高流量、高密度存儲揀選[1-2]。

四向穿梭車的動作軸的數(shù)量較多，車載傳感器的數(shù)量較多，控制邏輯更為復(fù)雜，對控制器的要求更高。為了滿足四向穿梭車的實時控制、傳感器擴(kuò)展的需求，本文設(shè)計了一種模塊化四向穿梭車控制器。整車控制器由主控板、電源及輸出板、傳感器采集板組成，主控板與電源及輸出板、傳感采集板之間采用CAN總線通信。整車控制總體框圖如圖1所示。

2 主控制板設(shè)計

主控制板采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F407微控制器，負(fù)責(zé)整車邏輯控制，外圍設(shè)備的底層驅(qū)動（CANopen、Modbus），子母道閉環(huán)行走及定位算法實現(xiàn)等。另外，接收WCS下發(fā)的調(diào)度任務(wù)，并對任務(wù)進(jìn)行分拆和分步完成。

圖1 整車控制總體框圖

STM32F407系列微控制器基于ARMRCortexR-M4內(nèi)核，支持浮點運算（FPU），主頻高達(dá)168MHz，具有6個串行通信接口、2個CAN接口、2個DAC輸出。

主控制板上設(shè)計有2路CAN總線接口[4-6]、3路RS-485接口[7]、2組電機(jī)控制接口、2組增量編碼器接口，其中一路CAN總線用于與電源及輸出板、傳感采集板進(jìn)行通信；另一路用于與伺服電機(jī)驅(qū)動器通信。

2.1 電機(jī)控制接口[8]

主控制板設(shè)計有2組電機(jī)控制接口，每組電機(jī)控制接口包括0-10V模擬量，使能、方向等I/O。

0-10V模擬量采用STM32F407內(nèi)置的DAC輸出經(jīng)過放大電路得到，如圖2所示。

圖2 模擬量放大電路

2.2 編碼器接口

采用從動輪編碼器實現(xiàn)行走方向的位置采集，主控制板設(shè)計有2組編碼器接口，每組編碼器接口可接入一組AB相正交信號。編碼器前端處理電路如圖3所示。

2.3 通信接口

STM32F407微控制器內(nèi)置2個CAN控制器，CAN1是主控制器，CAN2為從控制器，其中過濾器是通過CAN1來設(shè)置，其他工作模式及波特率等可以各自設(shè)置。波特率最高達(dá)1Mbps，支持時間觸發(fā)通信，具有3個發(fā)送郵箱，2個具有3級深度的接收FIFO，共有28組過濾器。

圖3 編碼器前端處理電路

在CAN制器和物理總線之間需要CAN收發(fā)器，為總線提供差分發(fā)射能力并為CAN控制器提供差分接收能力，CAN收發(fā)器電路圖如圖4所示。

圖4 CAN收發(fā)器電路

RS-485接口采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強(qiáng)。RS-485接口電路如圖5所示。

圖5 RS-485轉(zhuǎn)換電路

3 傳感采集板設(shè)計

傳感采集板采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103單片機(jī)，負(fù)責(zé)整車所有光電傳感器、接近開關(guān)的數(shù)字信號采集和測距傳感器的模擬量電流信號采集。其中，數(shù)字信號采集部分為PNP信號，可兼容NPN信號。

傳感采集板設(shè)計有1路CAN通信接口和1路RS-485通信接口，當(dāng)單個板卡不能滿足傳感器數(shù)量的時候，可級聯(lián)2個以上。

傳感采集板內(nèi)置軟件濾波算法，可有效抑制傳感器受到的干擾。軟件濾波參數(shù)可由主控制板通過CAN進(jìn)行設(shè)置。

3.1 光電傳感器接口

光電信號由前端處理電路將傳感器輸出的24V信號轉(zhuǎn)換為3.3V，由STM32F103微控制器的I/O直接讀取。

如圖6所示為光電傳感器前端處理電路，RIA20為限流電阻，DIA20和DIB20為穩(wěn)壓二極管，RIB20和RIC20構(gòu)成分壓電路，當(dāng)傳感器輸出24V時，輸出3.3V；當(dāng)傳感器輸出0V時，輸出0V。

圖6 光電傳感器前端處理電路

3.2 模擬電流采集接口

模擬電流采集范圍為0～20mA，則將電流轉(zhuǎn)換為0～2V的電壓，并進(jìn)行電壓跟隨，通過STM32F103微控制器內(nèi)置ADC進(jìn)行采集。模擬電流前端處理電路如圖7所示。

圖7 模擬電流前端處理電路

4 電源及輸出板設(shè)計

電源及輸出板采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103單片機(jī)，包括兩個功能：（1）負(fù)責(zé)整個控制器的電源供給，實現(xiàn)48V轉(zhuǎn)24V和24V轉(zhuǎn)5V，前者為24V光電傳感器提供工作電源，后者為主控制板、傳感采集板和輸出板上5V器件提供電源；（2）負(fù)責(zé)24V控制信號的輸出，包含充電繼電器、蜂鳴器、工作指示燈、報警指示燈和驅(qū)動器復(fù)位信號。

電源及輸出板設(shè)計有一路CAN通信接口和一路RS-485通信接口，當(dāng)單個板卡不能滿足應(yīng)用時，可級聯(lián)2個以上。

4.1 電源轉(zhuǎn)換電路

48V轉(zhuǎn)24V部分采用金升陽隔離DC/DC電源模組實現(xiàn)，功率50W。電源轉(zhuǎn)換電路如圖8所示。

圖8 48V轉(zhuǎn)24V電源電路

4.2 數(shù)字量驅(qū)動電路

通過NPN管和PNP管組合實現(xiàn)數(shù)字信號輸出電路，如圖9所示。當(dāng)mDO0輸出高電平時，Q10的基極-發(fā)射極電壓約3V，Q10導(dǎo)通，從而RTAF2一端接地，Q6的發(fā)射極-基極之間電壓約2.18V，Q6導(dǎo)通，則DO0輸出約24V。

圖9 數(shù)字量信號驅(qū)動電路

5 結(jié)論

該模塊化四向穿梭車控制器具有電機(jī)控制接口、CAN通信接口、編碼器采集接口、RS-485接口、光電傳感器采集接口、I/O輸入輸出接口，可擴(kuò)展性強(qiáng)，適用于四向穿梭車的實時控制，且布和接線更便捷。經(jīng)過調(diào)試和試驗，該控制器已成功應(yīng)用于料箱類、托盤類四向穿梭車。另外，對軟件做一些修改和適配，還可以應(yīng)用于多層穿梭車、穿梭式子母車及穿梭板車的應(yīng)用。