基于有感磁场定向控制的全向轮驱模组集成设计与研究

赵奉天; 赵玉; 王世玉; 王昊成; 王林

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2601909

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (22) :9576-9585 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2601909

自动化技术、计算机技术

基于有感磁场定向控制的全向轮驱模组集成设计与研究

赵奉天 ¹ ,
赵玉 ² ,
王世玉 ³ ,
王昊成 ³ ,
王林 ³^,^*

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Integrated Design and Research of Omnidirectional Wheel Drive Module Based on Sensory Magnetic Field Oriented Control

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摘要

针对服务机器人全向移动平台通用性差、结构冗余、运动稳定性不足及动态响应滞后等关键技术瓶颈,提出一种高度集成化的全向轮驱模组设计方案。该模组采用卧式舵轮拓扑结构,创新性地将转向、悬架、动力及驱控系统高度集成,基于驱控一体化理念优化硬件布局,实现体积微型化与接口标准化。控制策略以霍尔传感器有感磁场定向控制(field oriented control,FOC)为核心,结合零序分量注入空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)技术,设计“d轴强拖自学习-三霍尔周期插值-锁相环直接校正”多层霍尔角度误差补偿策略,显著提升了转子位置估算精度;针对速度-电流串级闭环控制,提出零极点对消与最大相位裕度结合的比例-积分(proportional-integral,PI )参数自整定算法,提升其动态响应速度与控制精度;并构建标幺化控制系统,实现多型号电机兼容。此外,还搭建了四轮全向移动实验平台,系统开展控制环路性能、转向精度、全向移动特性及最大负载运动等系列实验。实验结果表明,单模组最大负载达50 kg,满载速度2.16 m/s,转向精度±0.23°,电流环超调量≤5.8%,调整时间≤0.562 5 ms;多模组组合平台沿8个方向运动的平均横向偏移率仅0.54 cm/m,突加突减负载时速度恢复稳定时间≤0.591 s,稳态误差≤4.0 r/min。该模组具备结构紧凑、通用性强、运动精度高及抗干扰能力突出等核心优势,可用于快速搭建物流搬运、医疗辅助、安防巡检等多场景的全向移动平台,为模块化、通用化、高性能服务机器人的移动系统开发奠定了理论与技术基础。

Abstract

Aiming at the key technical bottlenecks of poor versatility, structural redundancy, insufficient motion stability and dynamic response lag of omnidirectional mobile platforms for service robots, a highly integrated design scheme of an omnidirectional wheel drive module was proposed.The module adopts a horizontal steering wheel topology, innovatively integrating steering, suspension, power and drive-control systems. Based on the concept of drive-control integration, the hardware layout was optimized to achieve miniaturization and interface standardization. The control strategy adopts Hall sensor-based FOC (field oriented control) combined with zero-sequence component injection SVPWM (space vector pulse width modulation) technology. To significantly improve the rotor position estimation accuracy, a multi-layer Hall angle error compensation strategy consisting of “d-axis forced alignment self-learning, three-Hall periodic interpolation, and phase-locked loop direct calibration” was designed. For the speed-current cascade closed-loop control, a PI parameter self-tuning algorithm combining pole-zero cancellation and maximum phase margin was proposed to enhance dynamic response speed and control accuracy. Moreover, a per-unit control system was established to ensure compatibility with multiple motor types.A four-wheel omnidirectional mobile experimental platform was built to systematically conduct a series of tests, including control loop performance, steering accuracy, omnidirectional mobility and maximum load movement. The experimental results show that a single module achieves a maximum load of 50 kg, a full-load speed of 2.16 m/s, a steering accuracy of ±0.23°, a current loop overshoot of ≤5.8% and a settling time of ≤0.562 5 ms. The average lateral offset rate of the multi-module combined platform moving in eight directions was only 0.54 cm/m. Under sudden load application and removal, the speed recovery time was ≤0.591 s and the steady-state error was ≤4.0 r/min. With the core advantages of compact structure, strong versatility, high motion accuracy and outstanding anti-interference capability, the module can be used to rapidly build omnidirectional mobile platforms suitable for logistics handling, medical assistance, security inspection and other scenarios, laying a theoretical and technical foundation for the modular, universal and high-performance development of mobile systems for service robots.

Graphical abstract

关键词

全向轮驱模组 / 集成设计 / 有感FOC / 空间矢量脉宽调制 / 全向移动平台

Key words

omni-directional wheel drive module / integrated design / sensor-based field oriented control / space vector pulse width modulation / omni-directional mobile platform

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赵奉天, 赵玉, 王世玉, 王昊成, 王林. 基于有感磁场定向控制的全向轮驱模组集成设计与研究[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(22): 9576-9585 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2601909

ZHAO Feng-tian, ZHAO Yu, WANG Shi-yu, WANG Hao-cheng, WANG Lin. Integrated Design and Research of Omnidirectional Wheel Drive Module Based on Sensory Magnetic Field Oriented Control[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(22): 9576-9585 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2601909

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在工业4.0与智能制造深度融合的发展背景下,服务机器人作为柔性作业的核心装备,已广泛渗透到物流分拣、医疗康复、智能安防、仓储转运、家庭服务等多个领域^[1-3]。移动平台作为服务机器人的核心执行单元,其性能直接决定机器人的作业效率、运动灵活性、环境适应性及作业安全性^[4-5]。目前,对于服务机器人轮式全向移动平台的研究往往是针对某个具体的场景,当改变场景或者执行不同的任务的时候,这种定制的设计方式会造成很大的资源浪费,方案的通用性较差^[6-9]。因此,研发高度集成、通用化、高性能的全向轮驱模组,成为突破服务机器人应用限制的关键技术方向^[10]。

中外学者针对全向移动平台与轮驱模组开展了大量相关研究:Ao等^[11]设计了模块化全向移动底盘,采用事件触发控制策略提升运动稳定性,但驱控系统与机械结构集成度不足,体积冗余问题未得到根本解决。Flores等^[5]研发了带悬架的全向轮椅平台,优化了不平路面适应性,但未涉及高精度转向控制与动态响应性能提升,难以满足高速、高精度作业需求。许航彬等^[12]提出了模块化轮式全向移动机器人底盘设计方案,实现了快速装配,但控制算法较为传统,仍采用经典正弦脉宽调制法(sinusoidal pulse width modulation,SPWM),负载能力与运动精度有待进一步提升。Sanjan等^[13]对比了SPWM与SVPWM在无刷直流电机FOC控制中的应用效果,验证了SVPWM的电压利用率优势,但未结合实际模组集成设计进行系统性实验验证,缺乏工程实用性。Attaianese等^[14]研究了永磁同步电机的有感FOC控制,但未涉及多模组组合应用及全向移动性能优化。现有研究尚未充分解决全向轮驱模组集成化、通用化与高性能三者之间的协同优化问题,难以满足服务机器人多场景、高精度、高可靠性的应用需求。

目前舵轮式全向移动模组研究存在的三大关键问题:一是集成化程度不足,多数方案仅实现转向与动力系统集成,悬架、驱控系统为分体式设计,存在结构冗余、接口复杂、通用性差等缺陷;二是电机控制精度偏低,无刷直流电机多采用传统六步换相法,霍尔传感器存在安装误差、分辨率低等问题,转子位置估计精度不足,导致转矩脉动大、动态响应慢;三是控制算法通用性差,比例-积分(proportional-integral,PI )参数依赖试凑法整定,针对不同型号电机需重新调试,缺乏标准化的控制体系。磁场定向控制(field-oriented control,FOC)作为无刷直流电机的高性能控制算法,通过坐标变换实现转矩与磁链的解耦控制,相比传统六步换相法,具有转矩脉动小、低速运行平稳、噪声低、控制精度高等显著优势,为高性能驱控系统设计提供了有效技术途径^[13-16]。

因此,针对现有技术不足,现提出一种深度集成的全向轮驱模组设计方案,采用卧式舵轮与垂直导柱式悬架结构,实现转向、动力与减震系统的一体化集成;以有感 FOC 为核心,构建“零序分量注入SVPWM-多层霍尔误差补偿-串级闭环PI自整定”的一体化控制策略,提升模组的动态响应速度与控制精度,并设计标幺化控制系统实现多电机兼容;并通过搭建实验平台开展系列性能测试,全面验证模组的运动精度、负载能力、动态响应及多模组组合灵活性,为服务机器人全向移动通用高性能平台的研发提供理论与工程参考。

1 控制算法设计

针对霍尔传感器有感磁场定向控制(FOC)中角度测量误差大、PI参数整定复杂及电机兼容性差等问题,提出一套优化的“零序分量注入-多层霍尔误差补偿-串级闭环PI自整定”一体化控制算法,控制系统框图如图1所示。该算法采用零序分量注入空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术,以简化计算并提升电压利用率;集成d轴霍尔自学习、3周期角度插值及锁相环(phase-locked loop,PLL)误差补偿组合策略,以提高转子位置估计精度;推导速度-电流串级闭环控制的PI参数自整定公式,以提升动态响应速度与控制精度。

1.1 有感FOC核心算法

有感FOC算法的核心是通过Clarke-Park坐标变换实现三相电流的解耦控制,将复杂的三相交流电机控制转化为类似直流电机的转矩与磁链独立控制,其控制原理如图2所示。

Clarke变换是将电流或电压信号从三相静止坐标系(a-b-c)变换到两相静止坐标系(α-β)的过程,消除三相变量之间的耦合关系。以电流变换为例,假设三相电流满足对称条件,将三相正弦电流i_a、i_b、i_c分别在α、β轴投影,则Clarke变换表达式为

(1)$\left[\begin{array}{l}{i}_{\alpha }\\ {i}_{\beta }\end{array}\right]$=k

$\left[\begin{array}{lll}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{l}{i}_{a}\\ {i}_{b}\\ {i}_{c}\end{array}\right]$

式(1)中:I_α、I_β为两相静止坐标系下的电流分量;k为坐标变换系数。

Park变换则将两相静止坐标系(α-β)下的电流信号转换至两相旋转坐标系(d-q),如图3所示。该坐标系与转子磁场同步旋转,使得变换后的电流分量为直流量,便于采用PI控制器进行稳态控制。

其中,d轴与转子磁场方向平行(励磁轴),q轴与转子磁场方向垂直(转矩轴),则Park变换表达式为

(2)

$\left\{\begin{array}{l}{i}_{d}={i}_{\alpha }cos\theta +{i}_{\beta }sin\theta \\ {i}_{q}=-{i}_{\alpha }sin\theta +{i}_{\beta }cos\theta \end{array}\right.$

式(2)中:θ为转子电角度,由霍尔传感器采集并经软件滤波处理后得到。

通过Park变换,可实现转矩与磁链的解耦控制,即d轴电流控制磁链,q轴电流控制转矩。有感FOC采用i_d=0的控制策略,即通过PI控制器调节d轴电流,使其跟踪给定值0,实现磁链恒定控制,此时电机-转矩与q轴电流成正比,通过控制q轴电流即可实现转矩精准控制。

1.2 零序分量注入SVPWM调制算法

采用零序分量注入SVPWM算法,核心是三相正弦信号(u_a, u_b, u_c)叠加三倍频零序分量U₀,即

(3)U₀=$\frac{2{V}_{tp}}{{U}_{dc}}$（-$\frac{1}{2}$max{u_a,u_b,u_c}-$\frac{1}{2}$min{u_a,u_b,u_c}）

式(3)中:V_tp为三角载波的幅值;U_dc为直流母线电压。

通过零序分量注入的方法生成SVPWM波只需要计算三相电压中的最大和最小值即可,不需要经典方法中复杂的扇区判断、电压矢量选择与作用时间计算,大幅提升系统实时性,可在低成本微控制器(microcontroller unit,MCU)上实现高速调制。图4对比了零序分量注入法和经典方法生成的SVPWM输出波形。由图可知,通过零序分量注入法生成SVPWM调制波与经典方法相比,波形完全一样。同时,该算法调制波形优质,直流母线电压利用率达100%,相比传统SPWM提升15.4%。因此,采用基于零序分量注入的SVPWM脉宽调制方法。

1.3 霍尔传感器多层角度误差补偿策略

针对霍尔传感器的安装误差、分辨率低、信号漂移等问题,设计了“d轴强拖自学习-三霍尔周期插值-锁相环直接校正”多层误差补偿策略,实现转子位置的高精度估计。

1.3.1 基于d轴强拖的霍尔自学习

霍尔自学习的核心是标定6个霍尔状态值对应的基准角度,采用d轴强拖策略:设定q轴电压为0,通过VF开环强拖使电机缓慢旋转,在霍尔状态跳变时,识别霍尔状态值并记录当前角度值,正反转分别转动几周后,将学习到的角度值存入Flash,实现上电自动读取。该策略利用d轴的定位作用,相比q轴强拖具有更高的标定精度,同时对角度值进行圆整,保证多对极电机转动的均匀性。

1.3.2 基于三霍尔周期的插值算法

霍尔传感器在一个电周期内仅输出6个离散位置信号,分辨率低,采用平均速度法进行插值处理,假设转子在相邻霍尔区间内匀速运动,通过3个霍尔周期的平均速度估算当前区间的转子位置,计算公式为

(4)θ=θ₀+ω_avgt

式(4)中:θ₀为当前霍尔区间的基准角度;ω_avg为3个霍尔周期的平均电角速度;t为当前霍尔区间的运行时间。

该算法兼顾估算精度与系统响应速度,相比单霍尔周期插值,有效降低了霍尔信号误差带来的估算偏差;相比六霍尔周期插值,减小了转速变化时的估算滞后。电机起动时,采用霍尔区间中间值作为初始位置,将转子位置误差控制在 30° 电角度以内,保证顺利起动。

1.3.3 锁相环结合直接校正的误差补偿

直接校正法在霍尔状态跳变时强制将估算角度置为基准角度,可清除误差累加,但会导致角度突变,产生转矩脉动。针对直接校正导致的角度突变问题,在直接校正法基础上引入锁相环(phase-locked loop,PLL),构建以角度为误差信号的闭环控制系统,并将直接校正后的估算角度作为输入,进而输出平滑的转速与角度信号,其控制框图如图5所示。

本系统锁相环的PI参数按二阶最佳工程参数整定,阻尼比取 0.707,以兼顾系统的稳定性与响应速度,测试结果如图6所示。由图6可知,相比直接校正法,增加锁相环补偿后角度波形更平滑,即PLL模块能够有效抑制角度突变,改善位置估计的连续性与准确性,从而提升转子位置估计精度。

1.4 串级闭环 PI 参数自整定算法与标幺化控制

采用速度和电流串级双闭环控制策略,内环为电流环,实现转矩的快速跟踪;外环为速度环,实现转速的精准调节。针对传统PI参数试凑法效率低、通用性差的问题,提出基于零极点对消与最大相位裕度的 PI 参数自整定算法,并设计标幺化控制系统实现多型号电机兼容。

1.4.1 基于零极点对消的电流环PI自整定

假设不计磁滞与涡流损耗,忽略交叉耦合项,电机绕组可近似看作一阶串联电路,电机d轴和q轴的电压与电流之间的传递函数均为

(5)$\frac{I\left(s\right)}{V\left(s\right)}$=$\frac{\frac{1}{R}}{1+\frac{L}{R}s}$

式(5)中:R为电机的相电阻;L为电机的相电感;I(s)、V(s)分别为电流、电压的拉普拉斯变换。

与并联型PI控制器相比,串联型Pl控制器的超调量更小,且动态过程时间短,稳态过程的纹波也相对较小。因此,选用串联型PI控制器,电流环传递函数框图如图7所示。

控制系统为单位负反馈,则系统总响应(闭环增益)为

(6)G(s)=$\frac{1+\frac{s}{{K}_{i}^{series}}}{\frac{L}{{K}_{p}^{series}{K}_{i}^{series}}{s}^{2}+\left(\frac{R}{{K}_{p}^{series}{K}_{i}^{series}}+\frac{1}{{K}_{i}^{series}}\right)s+1}$

式(6)中:

${K}_{p}^{series}$

、

${K}_{i}^{series}$

分别为串联型PI控制器的比例增益、积分增益。

依据零极点对消原理,设置串联型PI控制器的零点与负载极点s=-R-R/L重合,以抵消固有极点,从而将电流环二阶系统降为一阶惯性环节,可简化推导出PI参数的计算公式,即

(7)

$\left\{\begin{array}{l}{K}_{i}^{series}=\frac{R}{L}\\ {K}_{p}^{series}=LB\end{array}\right.$

式(7)中:B为电流环带宽,取采样频率的 1/16,保证系统的动态响应与稳定性。

1.4.2 基于最大相位裕度的速度环PI自整定

采用的无刷直流电机为表贴式,电机d轴和q轴电感相等,只考虑具有单一集中总惯性的负载与电机轴紧密连接且无粘滞阻尼的情况,则速度电流串级控制环路传递函数框图如图8所示,内环为电流环,外环为速度环。

速度环 PI 控制器同样采用串联型结构,因此速度环的传递函数为

(8)PI_speed(s)=$\frac{{K}_{pw}^{series}{K}_{iw}^{series}}{s}$+${K}_{pw}^{series}$

式(8)中:K_pw、K_iw分别为速度环比例增益、积分增益。

电流环闭环传递函数如式(6)所示,则速度电流串级环路复合开环传递函数为

(9)GH(s)=$\frac{\frac{3P{\Psi }_{f}}{2J}{K}_{pw}^{series}{K}_{iw}^{series}\left(1+\frac{s}{{K}_{iw}^{series}}\right)}{{s}^{2}\left(1+\frac{L}{{K}_{pw}^{series}}s\right)}$

基于最大相位裕度原则整定参数,使对数幅频特性0 dB 频率位于极点与零点频率的中点,实现相位裕度最大化,系统稳定性最优。即可推导出速度环PI参数的计算公式为

(10)

$\left\{\begin{array}{l}{K}_{iw}^{series}=\frac{{K}_{pw}^{series}}{{\delta }^{2}L}\\ {K}_{pw}^{series}=\frac{2J\delta {K}_{iw}^{series}}{3P{\Psi }_{f}}\end{array}\right.$

式(10)中:δ为阻尼因子,与相位裕度成正比,综合考虑系统的响应速度和稳定性,δ取4~20时系统的控制性能较好。

1.4.3 标幺化控制系统设计

为实现控制系统的标准化与多电机兼容,设计标幺化控制系统,将物理参数的实际值除以同单位基准值,得到无量纲的标幺值,转换为16位有符号整数进行定点运算,减小计算量、提高运算速度。选择频率、电流、电压为基本物理量,其基准值分别取电机最大电频率的2倍、ADC采样最大相电流、母线电压除以

$\sqrt{3}$

,其余物理量基准值由基本量推导得出。将 PI 参数自整定公式离散化后进行标幺化处理,使控制系统可直接适配不同电压、功率的电机,无需重新调试参数。

图9展示了轮驱模组的q轴电流环和d轴电流环的阶跃响应特性曲线。由图可知,给定电流阶跃上升和下降时反馈电流均能做到很好的跟随,超调量最大为5.8%,稳态误差在±0.038 A以内,上升时间为0.18 ms,调整时间为0.56 ms,响应速度快,超调量小。因此,基于有感FOC的轮驱模组电流环稳态性能和动态性能均能满足控制要求。

2 全向轮驱模组集成设计

2.1 总体设计方案

模组采用机电一体化的集成设计架构,包含机械系统和控制系统两部分。机械系统作为执行载体,主要实现运动执行、减振支撑及动力输出功能。控制系统作为驱动核心,负责指令解析、动力驱动、状态反馈及能源供给。

2.2 机械系统集成设计

机械系统作为模组的执行载体,由转向子系统、悬架子系统与动力子系统等部分组成,需满足结构紧凑、强度可靠、运动平顺、轻量化等核心要求。

2.2.1 转向系统设计

全向轮驱模组的转向系统采用卧式舵轮结构,如图10所示。通过侧向布置转向电机与齿轮传动机构,有效降低模组重心高度,显著提升运动稳定性,减少侧翻风险。转向电机选用36GP-3626型直流减速电机,齿轮传动机构采用直齿圆柱齿轮组(减速比2.5),可提供充足转向力矩,满足最大负载下的转向需求。位置检测模块采用12位磁编码器AS5600,角度分辨率0.088°,通过高性能钕铁硼磁铁与转向轴同步旋转,实时采集转向角度信息,输出数字信号至控制板,实现转向角度闭环控制。支撑部件选用交叉滚子轴承(RU42UUCC0),该轴承兼具径向与轴向承载能力,可有效承受转向过程中的复合载荷,提升系统刚度与旋转精度。快接板设计实现模组与底盘快速装配,磁铁与磁编码器配合完成转向角度实时检测。此外,还设计了快接板结构,采用螺栓连接方式实现模组与移动平台底盘的快速装配与拆卸,提升模组的通用性与维护便利性。

2.2.2 悬架与动力系统设计

悬架系统采用垂直导柱式结构设计,由4根螺旋弹簧、弹簧导柱、导柱固定板及石墨铜套组成,总体结构如图11所示。螺旋弹簧选用圆柱形压缩弹簧,与弹簧导柱和石墨铜套配合,实现上下20 mm的减振行程,可有效吸收地面不平引起的振动冲击。

动力系统选用200 W三相无刷直流轮毂电机,集成于动力轮内部,实现动力系统的集成化设计,减少传动环节带来的能量损耗与噪声。轮毂电机与动力轮固定板通过法兰盘连接,确保动力传递可靠,无相对滑动。

2.3 全向轮驱控制系统设计

全向轮驱控制系统基于驱控一体化理念,采用分层布局、紧凑设计的原则,实现控制、驱动、采集与供电功能的一体化集成,总体布局如图12所示。控制系统作为驱动核心,由轮毂电机驱控板、转向电机驱控板、编码器输出板等部分组成。其中,轮毂电机驱控板主要基于有感FOC矢量控制策略实现对轮毂电机的驱动与控制,对主控芯片性能的要求较高。因此,选用LKS071CBT8芯片为控制核心,该芯片集成了12位差分ADC、16路PWM输出通道,以及I2C/SPI/UART等多种通信接口,能够满足有感FOC控制与多模块通信需求。转向电机控制板主要实现对转向电机的正反转控制、调速控制以及位置控制,且包含ESD保护与低通滤波模块,以提升其抗干扰能力。编码器输出板主要将AS5600磁编码器的位置信号,通过IIC通信协议传输至转向电机驱控板,进而实现电机绝对转角的精确测量(分辨率0.088°)。各驱控板紧凑布局并预留走线空间,主控芯片与弱电电路布置在顶层,功率器件与强电电路布置在底层,中间设置2 mm厚绝缘垫片与铝合金散热片,实现强弱电隔离与散热优化,有效降低功率器件工作温度,确保系统在高温环境下稳定运行。

3 试验验证

利用4个全向轮驱模组搭建了一个四轮全向移动实验平台,如图13所示。平台由4个全向轮驱模组、铝合金底盘、电源模块、无线通信模块及上位机组成:底盘尺寸800 mm×800 mm,采用6061铝合金材质,总质量35 kg,底盘采用镂空设计,减轻质量的同时提升散热性能;电源模块选用24 V/50 Ah锂电池,能量密度≥150 (W·h)/kg,可持续工作4 h,支持快充功能(充电时间≤2 h);无线通信模块采用树莓派4 B,搭载Wi-Fi 6模块,通过TCP/IP协议与上位机通信,通信距离≤100 m,数据传输速率≥10 Mb/s;上位机基于PySide6开发,具备参数配置、运动控制、数据采集、波形显示与数据存储功能,可实时监测模组运行状态(如电流、电压、转速、温度、转向角度等)。

3.1 轮驱模组的动态响应性能测试

首先对轮驱模组控制系统的动态响应特性进行评估,其阶跃响应如图14所示。由图14可知,在设定速度阶跃上升和阶跃下降时,反馈速度均能做到很好地跟随,超调量最大为4.3%,稳态误差在 ±2.9 r/min 以内,上升时间为0.216 s,调整时间为0.514 s。系统的超调量较小,但是响应速度较慢,反映出电机起动以及速度变化时较为平缓,符合服务机器人安全为先的要求。

为了验证控制系统抗干扰的能力,在电机速度稳定在200 r/min时突然增加负载,等待速度稳定后再突然将负载还原,得到的速度响应波形如图15所示。从图15可以看出,无论负载转矩突然增加还是突然减少,集成控制系统均能较快地控制速度恢复稳定,但是由于积分的累加作用,突然减小负载时的转速波动明显大于突然增加负载时的转速波动,转速波动幅值最大为41.96 r/min,速度恢复稳定时间小于0.591 s,稳态误差最大为4.0 r/min。因此,实验验证了本文所设计的基于有感FOC的控制系统稳态性能和动态性能均较好,抗干扰能力较强。

3.2 转向系统精度测试

转向系统的精度关系到全向轮驱模组移动时横移误差的大小,为了验证转向系统的精度,在 0°~180°角度范围内每隔30°作为期望转向角度,以90°作为中间基准,角度小于90°代表反转,角度大于90°代表正转,多次正反转得出平均转向误差,如图16所示。由图16可知,不同角度的转向误差相差不大,正转时的平均转向误差为0.22°,反转时的平均转向误差为0.23°,可实现比较精准的控制,转向精度较高,能够满足运动要求。0°~180°范围内,正转平均误差0.22°,反转平均误差0.23°。

为了测试四轮全向移动实验平台全向移动以及直线行驶的性能,使四轮全向移动平台依次按照前进、后退、左行、左前、左后、右行、右前、右后等方向直线运动,如图17所示,实验环境为楼宇内地面。

在实验过程中,每次固定运动5 m的距离,并记录四轮全向移动实验平台右后轮相对于初始位置的横向误差,进行10次实验取平均误差值,得到的全向直线行驶横向误差数据如表1所示。从表1可以看出,四轮全向移动实验平台各个方向直线行驶的横向偏移率在0.54 cm/m左右,横向误差较小,说明四轮全向移动实验平台的运动平稳,控制精度较好,从而验证了所研制的全向轮驱模组的可重构性以及组成任意多轮全向移动平台的运动可靠性。

3.3 最大负载运动测试

所设计的全向轮驱模组单个设计最大负载为 50 kg,四轮全向轮驱平台的理论最大负载为 200 kg。为验证平台的最大负载运动性能,还在平台上满负荷加载砝码,并开展了转向与直线行驶实验。转向运动实验重复测试平台转动100°所需的时间,结果如图18所示。由图18可知,平台满载转动100°平均耗时1.376 s,转向最大速度为72.67 (°)/s,转向过程平稳,无卡顿现象,转向精度仍保持在 ±0.3° 以内,满足最大负载下的转向需求。

然后,进行了最大负载下四轮全向平台的直线行驶实验,以测试其满载最大速度。在速度稳定后,重复测量平台运动2 m距离所需的时间,以测算其满载最大速度,如图19所示。

由图19可知,平均时间为0.928 s,即满载最大速度为2.16 m/s,与无负载工况下的速度基本一致(无负载时速度2.18 m/s),速度损失率仅0.9%,验证了模组的负载适应能力与动力性能,可满足重载场景下的快速移动需求。测试过程中,平台运动平稳,无明显振动与打滑现象,各模组工作协调一致,模组的集成可靠性与组合稳定性优异。

4 结论

构建了基于有感FOC的“零序分量注入SVPWM-多层霍尔误差补偿-串级闭环PI自整定”的一体化控制策略,提出一种“机械-硬件-控制”深度一体化的全向轮驱模组设计方案,解决了传统全向移动平台的通用性差、集成度低、控制精度差及动态响应滞后等关键问题,得出以下结论。

(1)设计了一种集成化全向轮驱模组,机械系统采用卧式舵轮结构与垂直导柱式悬架,电控系统基于驱控一体化理念,紧凑布局核心控制、功率驱动、信号采集与电源管理模块,实现了转向、悬架、动力及驱控系统的高度集成。

(2)构建了以有感 FOC 为核心的一体化控制策略,零序分量注入SVPWM算法提升了直流母线电压利用率与系统实时性;设计的“d轴强拖自学习-三霍尔周期插值-锁相环直接校正”多层误差补偿策略,有效解决了霍尔传感器误差问题,提升了转子位置估计精度;提出的零极点对消与最大相位裕度结合的PI参数自整定算法,实现了速度-电流串级双闭环参数的自动整定,标幺化控制系统实现了多型号电机兼容,无需重新调试。

(3)系统性试验表明,模组各项性能指标优异:单模组最大负载 50.57 kg,满载速度 2.16 m/s,转向精度±0.23°;电流环超调量≤5.8%,调整时间≤0.562 5 ms;突加突减负载时速度恢复稳定时间≤0.591 s,稳态误差≤4.0 r/min;多模组组合平台8方向运动平均横向偏移率仅0.54 cm/m,极限负载下仍保持良好的运动性能与抗干扰能力。

该模组具备结构紧凑、通用性强、运动精度高、抗干扰能力突出等核心优势,可快速搭建适用于物流搬运、医疗辅助、安防巡检等多场景的全向移动平台,为服务机器人移动系统的模块化、通用化、高性能发展提供技术支撑,具有广泛的工程应用价值与市场前景。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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基金资助

国家自然科学基金(52175009)

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Received	Published	Revised
2026-04-12	2026-08-08	2026-07-20
Online Date
2026-09-03

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