高壓帶電作業(yè)自動(dòng)剝皮器控制系統(tǒng)的研制

摘 要：為了適應(yīng)高壓帶電作業(yè)機(jī)器人10 kV配電線路剝除絕緣外皮的應(yīng)用要求,介紹了自動(dòng)剝皮器控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。詳細(xì)描述了控制系統(tǒng)電源電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、單片機(jī)電路的硬件系統(tǒng)各分電路的功能特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)方案。通過(guò)流程圖說(shuō)明了軟件系統(tǒng)解碼程序、DA轉(zhuǎn)換芯片調(diào)制程序的設(shè)計(jì)。實(shí)際應(yīng)用證明了所設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)的合理性和可行性。
關(guān)鍵詞： 高壓帶電作業(yè)； 功率驅(qū)動(dòng)； D/A轉(zhuǎn)換器； 電流反饋

為了提高帶電作業(yè)的自動(dòng)化水平和安全性，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和強(qiáng)電磁場(chǎng)對(duì)操作人員的人身威脅，從20世紀(jì)80年代起許多國(guó)家先后開(kāi)展了帶電作業(yè)機(jī)器人的研究。2002年我國(guó)也進(jìn)行了高壓帶電作業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品化樣機(jī)的研制。目前帶電作業(yè)所用的剝皮器是高壓帶電作業(yè)機(jī)器人的專用作業(yè)工具，其主要功能是剝除10 kV配電線路絕緣外皮，為完成其他作業(yè)任務(wù)做好準(zhǔn)備[1]。目前應(yīng)用的剝皮器多是手動(dòng)控制，為了適應(yīng)高壓帶電作業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的要求，本文所研究的PWM功率驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)采用了高集成度模塊,并由ATMEGA128單片機(jī)控制，具有過(guò)流、過(guò)載、過(guò)壓保護(hù)功能。這種剝皮器遙操作控制系統(tǒng)通過(guò)遙控器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，比手動(dòng)剝皮器更加安全、可靠，操作也更加方便，滿足了高壓帶電機(jī)器人作業(yè)任務(wù)的要求。
1 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
如圖1所示，將遙控剝皮器的硬件設(shè)計(jì)分成5層，各層完成功能分別是：層1是執(zhí)行結(jié)構(gòu)，是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)；層2是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、系統(tǒng)供電和電流反饋電路。由于遙控剝皮器電機(jī)的過(guò)載電流能達(dá)10 A，所以選用了具有H橋的SA60。SA60是一個(gè)PWM 型功率輸出芯片, 電路提供給電機(jī)的電源電壓最大可達(dá)到80 V, 能連續(xù)向負(fù)載提供10 A 的電流。最大模擬輸入電壓8 V, PWM載波頻率可達(dá)250 kHz, 而效率可以高達(dá)97%。通過(guò)12 V串行DA轉(zhuǎn)換芯片控制電機(jī)的方向和速度，DISABLE引腳控制電機(jī)的上電和掉電。層3是系統(tǒng)接口部分,包括DA轉(zhuǎn)換接口。輸出電壓為4 V~8 V。層4是ATMEGA128核心板部分，包括JTAG、復(fù)位電路和晶振；層5是系統(tǒng)功能擴(kuò)展板，實(shí)現(xiàn)與遙控器的通信。由于超再生式接收模塊具有電路簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，溫度適應(yīng)性強(qiáng)，接收靈敏度更高，而且工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，所以無(wú)線接收模塊選用了抗干擾能力強(qiáng)的超外差接收模塊[2]。

2 電源電路設(shè)計(jì)
電磁干擾必須包括3個(gè)要素，即電磁干擾源、電磁干擾傳遞途徑及接收電磁干擾的響應(yīng)者。這3個(gè)要素相當(dāng)復(fù)雜，不同的場(chǎng)合有不同的表現(xiàn)。如圖2所示，為了防止電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和控制電路相互干擾,通過(guò)電感L2實(shí)現(xiàn)不共地。在電路排版中，由于存在地線的阻抗，因而會(huì)產(chǎn)生一定的電位差。由于電位差的存在，就必然給電路的工作帶來(lái)影響。因此在電路板排版中，要一點(diǎn)接地。為了防止控制部分和電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分電路發(fā)生短路，在前序電路都加上自恢復(fù)保險(xiǎn)絲。自恢復(fù)保險(xiǎn)絲是一種新型高分子聚合材料制成的器件，當(dāng)電流低于額定值時(shí)，它的電流電阻只有零點(diǎn)幾歐姆。而當(dāng)電流大到一定程度，它的阻值迅速升高，引起發(fā)熱，而越熱,阻值越大，從而阻斷電源電流。剝皮器在作業(yè)過(guò)程中，由于受力不均勻，電壓會(huì)被拉低,所以在電源部分加上了12 V升壓芯片MAX734。由于電池充滿時(shí)，電壓能達(dá)14.4 V,超過(guò)了MAX734的供電電壓,所以在MAX734的前端反接了一個(gè)3.3 V穩(wěn)壓二極管。

3 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
PWM功率驅(qū)動(dòng)裝置利用大功率管的開(kāi)關(guān)特性來(lái)調(diào)制直流電源，使其按固定的頻率通、斷。改變一個(gè)周期內(nèi)通、斷時(shí)間的長(zhǎng)短，即改變輸出電壓的“占空比”，從而改變平均電壓，控制輸出功率。其結(jié)構(gòu)可分為兩大部分：從主電源將能量傳遞給負(fù)載的電路稱為功率轉(zhuǎn)換電路，其余部分為控制電路。改變脈沖占空比可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，但首先需要將控制轉(zhuǎn)速的指令信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有相應(yīng)占空比的脈沖信號(hào)。PWM信號(hào)產(chǎn)生的基本方法是，將控制指令信號(hào)與固定頻率的三角波或鋸齒波信號(hào)進(jìn)行比較，從而產(chǎn)生占空比正比于控制指令電壓的脈沖信號(hào)。如圖3所示，SA60自帶555定時(shí)器外接270 pF的電容產(chǎn)生45 kHz的三角波，當(dāng)控制指令信號(hào)電壓大于或等于三角波電壓時(shí)，輸出信號(hào)為比較器電源正電壓VCC；當(dāng)控制指令信號(hào)小于三角波電壓時(shí)，輸出信號(hào)為電源地信號(hào)0 V。當(dāng)電動(dòng)機(jī)由于減速等原因而處于再生制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)中所存儲(chǔ)的機(jī)械能會(huì)經(jīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換為電能，并通過(guò)功率器件回饋到直流母線側(cè)。這些能量一般儲(chǔ)存在功率主電路的儲(chǔ)能元件中，若不存在能量釋放電路，將會(huì)導(dǎo)致直流母線側(cè)電壓升高，升高的這部分電壓稱為泵升電壓。在這種情況下，如不采取保護(hù)措施，就有可能損壞功率器件或儲(chǔ)能元件。電路中加上了RC阻容網(wǎng)絡(luò),以抑制瞬時(shí)泵升電壓的產(chǎn)生。電阻選用100 Ω 2 W，電容選擇1 000 pF 100 V[3]。

設(shè)置過(guò)電流保護(hù)電路。過(guò)電流保護(hù)電路由電流檢測(cè)環(huán)節(jié)、運(yùn)算放大器、比較器等構(gòu)成。通過(guò)0.01 ?贅精密電阻對(duì)SA60的ISENSE A和ISENSE B引腳電流取樣，取樣電壓經(jīng)過(guò)單電源運(yùn)算放大器LM324的相加和放大10倍后，與一個(gè)2.5 V基準(zhǔn)值共同輸入到電壓比較器LM393，比較輸出電流是否超過(guò)25 A。
下面求電壓放大器的增益計(jì)算公式：

4 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)
4.1 無(wú)線接收電路
超再生式接收機(jī)具有電路簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用，超外差接收機(jī)雖然價(jià)格較高，但溫度適應(yīng)性強(qiáng)，接收靈敏度更高，而且工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，所以無(wú)線接收模塊選用了抗干擾能力強(qiáng)的超外差接收模塊。遙控器選用和接收模塊配套的遠(yuǎn)距離遙控器。電池使用A23電池，采用白色的優(yōu)質(zhì)塑料外殼，硅膠按鍵，帶拉桿天線。遙控器背后有活動(dòng)的電池艙蓋，可以方便地更換電池。發(fā)射距離300 m~500 m。
4.2 模擬輸出電路
圖4所示，LTC1257是單電源供電，12位輸出DA轉(zhuǎn)換芯片。采用LT1021基準(zhǔn)芯片提供8 V的參考電壓，由于VCC比VREF大2.7 V，所以LTC1257能正常輸出0 V~8 V。與控制器的接口采用SPI總線方式通信，接口分別為CLK、Din、Dout，控制方便。

.3 ATMEGA128控制單元
ATMEGA128控制單元負(fù)責(zé)控制模擬信號(hào)的輸出、過(guò)流信息的采集和無(wú)線通信。ATmega128為基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器，具有快速、靈活、集成度高,加密性強(qiáng)和易實(shí)現(xiàn)等諸多優(yōu)點(diǎn)。ATmega128具有128 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash、4 KB的E2PROM、4 KB的SRAM、53個(gè)通用I/O口線、32個(gè)通用工作寄存器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC、4個(gè)靈活的具有比較模式和PWM功能的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(T/C)、2個(gè)USART、面向字節(jié)的兩線接口TWI、8通道10位ADC、具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器、SPI串行端口。由于其先進(jìn)的指令集以及單周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega128的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，比普通的復(fù)雜指令集微處理器高10倍，從而可以緩解系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾[4]。
5 斷線鉗系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)主要包括：接收到的控制命令碼的解碼程序、電機(jī)調(diào)速的DA轉(zhuǎn)換程序和過(guò)載保護(hù)程序。
5.1 解碼程序
　編碼芯片PT2262發(fā)出的編碼信號(hào)地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成一個(gè)完整的碼字，解碼芯片PT2272接收到信號(hào)后，其地址碼經(jīng)過(guò)兩次比較核對(duì)后，VT腳才輸出高電平，與此同時(shí)相應(yīng)的數(shù)據(jù)腳也輸出高電平。如圖4，采
用中斷的方式來(lái)接收發(fā)射碼并進(jìn)行解碼獲得控制命令。
5.2 DA轉(zhuǎn)換程序
　如圖5所示，由于所采用的減速電機(jī)啟動(dòng)和停止電流很大，可以通過(guò)改變加載電機(jī)兩端的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)加減速?；诤?jiǎn)單實(shí)用考慮，采用DA模擬量調(diào)速方式。而軟件的做法是通過(guò)設(shè)置DA轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)部的寄存器來(lái)達(dá)到，且軟件調(diào)整量指標(biāo)更高，調(diào)整更可靠、更方便、更準(zhǔn)確。為了實(shí)現(xiàn)功率模塊的保護(hù)，當(dāng)采集到過(guò)電流信號(hào)時(shí)，采用DA輸出方式控制電機(jī)的輸入電壓來(lái)調(diào)節(jié)功率模塊SA60的輸出電流。

本文所介紹的ATMEGA128單片機(jī)控制的PWM功率驅(qū)動(dòng)裝置，采用了集成化的芯片設(shè)計(jì)，因而整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和集成度得到很大提高。PWM功率驅(qū)動(dòng)裝置的輸出滿足了TEC模塊的電氣特性要求。另外，系統(tǒng)由ATMEGA128單片機(jī)控制，程控性好，易于操作，提高了分辨率和精度,系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行的信息可反饋到ATMEGA128 控制系統(tǒng)，以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)護(hù)并處理故障。在實(shí)際應(yīng)用中，自動(dòng)剝皮器剝皮效果良好,具有很大的實(shí)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1] 戚暉. 高壓帶電作業(yè)機(jī)器人絕緣防護(hù)技術(shù)研究[J]. 高電壓技術(shù)，2003,5.
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