模块化四向穿梭车控制器的设计

（南京音飞储存设备（集团）股份有限公司，江苏 南京 211102）

1 概述

四向穿梭车是一种高密度仓储货架中的自动化搬运设备，可在货架上铺设的轨道上行走且自动切换行走方向。通过无线网（WiFi）与仓库控制系统（WCS）连接，和提升机配合可以去到立体仓库中的任一货位，可以行走至任一巷道。与普通多层穿梭车相比，四向穿梭车系统的吞吐量及作业效率与巷道数量无关；与穿梭式子母车相比，四向穿梭车系统的成本更低。四向穿梭车系统既适合低流量、高密度的存储，也适合高流量、高密度存储拣选[1-2]。

四向穿梭车的动作轴的数量较多，车载传感器的数量较多，控制逻辑更为复杂，对控制器的要求更高。为了满足四向穿梭车的实时控制、传感器扩展的需求，本文设计了一种模块化四向穿梭车控制器。整车控制器由主控板、电源及输出板、传感器采集板组成，主控板与电源及输出板、传感采集板之间采用CAN总线通信。整车控制总体框图如图1所示。

2 主控制板设计

主控制板采用意法半导体公司的STM32F407微控制器，负责整车逻辑控制，外围设备的底层驱动（CANopen、Modbus），子母道闭环行走及定位算法实现等。另外，接收WCS下发的调度任务，并对任务进行分拆和分步完成。

图1 整车控制总体框图

STM32F407系列微控制器基于ARMRCortexR-M4内核，支持浮点运算（FPU），主频高达168MHz，具有6个串行通信接口、2个CAN接口、2个DAC输出。

主控制板上设计有2路CAN总线接口[4-6]、3路RS-485接口[7]、2组电机控制接口、2组增量编码器接口，其中一路CAN总线用于与电源及输出板、传感采集板进行通信；另一路用于与伺服电机驱动器通信。

2.1 电机控制接口[8]

主控制板设计有2组电机控制接口，每组电机控制接口包括0-10V模拟量，使能、方向等I/O。

0-10V模拟量采用STM32F407内置的DAC输出经过放大电路得到，如图2所示。

图2 模拟量放大电路

2.2 编码器接口

采用从动轮编码器实现行走方向的位置采集，主控制板设计有2组编码器接口，每组编码器接口可接入一组AB相正交信号。编码器前端处理电路如图3所示。

2.3 通信接口

STM32F407微控制器内置2个CAN控制器，CAN1是主控制器，CAN2为从控制器，其中过滤器是通过CAN1来设置，其他工作模式及波特率等可以各自设置。波特率最高达1Mbps，支持时间触发通信，具有3个发送邮箱，2个具有3级深度的接收FIFO，共有28组过滤器。

图3 编码器前端处理电路

在CAN制器和物理总线之间需要CAN收发器，为总线提供差分发射能力并为CAN控制器提供差分接收能力，CAN收发器电路图如图4所示。

图4 CAN收发器电路

RS-485接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强。RS-485接口电路如图5所示。

图5 RS-485转换电路

3 传感采集板设计

传感采集板采用意法半导体公司的STM32F103单片机，负责整车所有光电传感器、接近开关的数字信号采集和测距传感器的模拟量电流信号采集。其中，数字信号采集部分为PNP信号，可兼容NPN信号。

传感采集板设计有1路CAN通信接口和1路RS-485通信接口，当单个板卡不能满足传感器数量的时候，可级联2个以上。

传感采集板内置软件滤波算法，可有效抑制传感器受到的干扰。软件滤波参数可由主控制板通过CAN进行设置。

3.1 光电传感器接口

光电信号由前端处理电路将传感器输出的24V信号转换为3.3V，由STM32F103微控制器的I/O直接读取。

如图6所示为光电传感器前端处理电路，RIA20为限流电阻，DIA20和DIB20为稳压二极管，RIB20和RIC20构成分压电路，当传感器输出24V时，输出3.3V；当传感器输出0V时，输出0V。

图6 光电传感器前端处理电路

3.2 模拟电流采集接口

模拟电流采集范围为0～20mA，则将电流转换为0～2V的电压，并进行电压跟随，通过STM32F103微控制器内置ADC进行采集。模拟电流前端处理电路如图7所示。

图7 模拟电流前端处理电路

4 电源及输出板设计

电源及输出板采用意法半导体公司的STM32F103单片机，包括两个功能：（1）负责整个控制器的电源供给，实现48V转24V和24V转5V，前者为24V光电传感器提供工作电源，后者为主控制板、传感采集板和输出板上5V器件提供电源；（2）负责24V控制信号的输出，包含充电继电器、蜂鸣器、工作指示灯、报警指示灯和驱动器复位信号。

电源及输出板设计有一路CAN通信接口和一路RS-485通信接口，当单个板卡不能满足应用时，可级联2个以上。

4.1 电源转换电路

48V转24V部分采用金升阳隔离DC/DC电源模组实现，功率50W。电源转换电路如图8所示。

图8 48V转24V电源电路

4.2 数字量驱动电路

通过NPN管和PNP管组合实现数字信号输出电路，如图9所示。当mDO0输出高电平时，Q10的基极-发射极电压约3V，Q10导通，从而RTAF2一端接地，Q6的发射极-基极之间电压约2.18V，Q6导通，则DO0输出约24V。

图9 数字量信号驱动电路

5 结论

该模块化四向穿梭车控制器具有电机控制接口、CAN通信接口、编码器采集接口、RS-485接口、光电传感器采集接口、I/O输入输出接口，可扩展性强，适用于四向穿梭车的实时控制，且布和接线更便捷。经过调试和试验，该控制器已成功应用于料箱类、托盘类四向穿梭车。另外，对软件做一些修改和适配，还可以应用于多层穿梭车、穿梭式子母车及穿梭板车的应用。