楊翔宇，樊紹勝，張申毅，崔坤坤

(長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長沙 410114)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生產(chǎn)生活對于電力需求的依賴性越來越高[1-2]。配電網(wǎng)處于電力系統(tǒng)末端，是保證電力持續(xù)供給的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其可靠性在整個供電系統(tǒng)中占有非常重要的位置。由于配電網(wǎng)系統(tǒng)多為輻射狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)線路發(fā)生突發(fā)故障或設(shè)備缺陷檢修和改造時，可能造成部分地區(qū)停電。

傳統(tǒng)配電網(wǎng)引流線的搭接或更換作業(yè)主要依靠人工完成。由于配電網(wǎng)設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、安全距離裕度小，引流線解搭線頭時易造成相間、相地短路。電力系統(tǒng)傳統(tǒng)人工作業(yè)方式強(qiáng)度大、效率低，且易出現(xiàn)漏檢，誤檢。因此，配電網(wǎng)作業(yè)機(jī)器人的研究成為國內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域的熱點之一[3]。利用機(jī)器人代替人工進(jìn)行配電網(wǎng)引流線的搭接或更換作業(yè)的研究日益重要。

針對人工進(jìn)行配電網(wǎng)引流線的搭接或更換作業(yè)危險程度高，本文提出了一種基于STM32和TMS320的配電網(wǎng)作業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)具有可靠性高，系統(tǒng)程序易開發(fā)等特點[4]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本機(jī)器人控制系統(tǒng)采用“主從式”的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對比于“集中式”結(jié)構(gòu)極大地減少了主控制器的負(fù)擔(dān)。機(jī)器人的控制系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)控制部分由主控制板和機(jī)械臂控制板兩部分組成，兩板間通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。主控制板主要由微控制器、電壓電流采集電路、供電電路組成，通過無線通訊模塊與上位機(jī)進(jìn)行通信。主控制板主要完成的功能為：與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；接收各傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并由處理結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的指令。機(jī)械臂控制板主要由機(jī)械臂微控制器、CAN總線通信電路、編碼器信號采集電路組成。主要完成對機(jī)械臂的控制及編碼器信息的采集。

圖1 配電網(wǎng)作業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

機(jī)器人系統(tǒng)硬件設(shè)計分為主控制板硬件電路設(shè)計、機(jī)械臂控制板硬件電路設(shè)計及電源系統(tǒng)電路設(shè)計。其中無線通訊模塊采用TL-S2無線網(wǎng)橋。

2.1 主控制板硬件電路設(shè)計

2.1.1 主控制芯片

主控制器的控制芯片采用STM32F407IGT6單片機(jī)。該單片機(jī)是32位高性能、低成本、低功耗單片機(jī)[5]；其系統(tǒng)頻率可達(dá)168 MHz，具有豐富的外設(shè)接口。機(jī)器人控制使用的芯片端口有：1個網(wǎng)絡(luò)通信接口(PA1、PA2、PA7、PC4、PC5、PB11、PB12、PB13)，連接網(wǎng)絡(luò)通信芯片LAN8720，主要用于與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；2個傳感器端口，其中PA3端口用于采集鋰電池的電壓，PA5端口用于采集電氣主干線電流；1個串行通信接口(PA9、PA10)，用于與機(jī)械臂控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2.1.2 電流采集電路

電流采集電路的電流傳感器選用ACS712ELCTR-30A，相比于傳統(tǒng)的電磁電流傳感器，該傳感器具有精度高、體積小、響應(yīng)快等優(yōu)點。ACS712ELCTR-30A的靈敏度為66 mV/A，電流測量范圍為-30～+30 A。該傳感器供電電壓使用5 V，輸出與輸入的關(guān)系為：

Vout=0.5VCC+Im·n

(1)

式中：Vout為電流傳感器輸出的電壓值；VCC為供電電壓；Im為測量電流；n為靈敏度。

因微處理器的ADC的工作電壓不超過3.3 V，在電流傳感器輸出端連接電阻分壓，將輸出電壓降到3.3 V以下；分壓電阻后串接電壓跟隨器進(jìn)行電氣隔離，所得輸出電壓輸入微處理器的ADC轉(zhuǎn)換端口。圖2為電流采集電路原理圖。

圖2 電流采集電路

2.1.3 主控制板電源電路

主控制板及機(jī)械臂控制板上元器件供電電壓包含3.3 V和5 V兩種。兩種控制板上元器件為小功率器件，本文采用獨立設(shè)計DC-DC轉(zhuǎn)換電路為兩種控制板元器件供電，提高系統(tǒng)的可靠性。APW7080電源芯片輸入為4.5 V到26 V寬電壓范圍，輸出電壓可調(diào)。兩種控制板上，5 V電壓采用APW7080穩(wěn)壓芯片，其輸出電流可達(dá)2 A，3.3 V電壓采用ASM1117穩(wěn)壓芯片。主控制板及機(jī)械臂控制板電源電路如圖3所示。

圖3 兩種控制板電源電路

2.2 機(jī)械臂控制板硬件電路設(shè)計

機(jī)械臂控制板的微控制器采用TMS320F28335芯片，該芯片的系統(tǒng)主頻為150 MHz，具有16個ADC通道、2路CAN通信端口、18路PWM通道以及50個通用I /O口等配置；有良好的穩(wěn)定性及抗干擾能力，能滿足機(jī)械臂的相關(guān)控制要求。

2.2.1 CAN總線通信電路

CAN總線屬于現(xiàn)場總線，在CAN網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點都采用仲裁的方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，同時CAN總線上不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這些特點使得CAN總線能較好地處理實時數(shù)據(jù)。同時CAN總線具有傳輸速度快，可同時控制多個設(shè)備，抗干擾能力強(qiáng)等特點。本設(shè)計的CAN收發(fā)器采用CTM8251T芯片。該芯片內(nèi)部集成了CAN收發(fā)器件，符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)并且具有DC2500V的隔離功能[6]。CAN總線及電機(jī)控制電路設(shè)計如圖4所示。機(jī)械臂控制器通過CAN總線與電機(jī)驅(qū)動器進(jìn)行交換數(shù)據(jù)，由于CAN總線可同時掛接多個從機(jī)電機(jī)驅(qū)動器，可極大減少機(jī)械臂的布線數(shù)量。

圖4 CAN總線及電機(jī)控制電路框圖

2.2.2 電機(jī)驅(qū)動器及電機(jī)

電機(jī)驅(qū)動器選用RMDS系列驅(qū)動器，該系列驅(qū)動器驅(qū)動電流大，支持CAN通信協(xié)議[7]；具有速度模式、位置模式和轉(zhuǎn)矩模式等工作模式，同時具有電機(jī)過載保護(hù)功能。機(jī)器臂底座關(guān)節(jié)電機(jī)負(fù)載重、所需工作電流大，選用maxon EC45電機(jī)并選配RMDS-402驅(qū)動器，其他關(guān)節(jié)電機(jī)選用maxon EC25電機(jī)并選配RMDS-201驅(qū)動器。機(jī)器臂電機(jī)驅(qū)動器均通過CAN總線與機(jī)械臂控制器相連，驅(qū)動器及電機(jī)連接方式如圖4所示。機(jī)械臂控制器通過CAN總線向電機(jī)驅(qū)動器發(fā)送電機(jī)控制指令從而控制相應(yīng)的電機(jī)。

2.2.3 編碼器

編碼器選用E6B2系列編碼器，該編碼器為兩通道增量式光電編碼器。光電編碼器為數(shù)字式角度傳感器，它可以把角位移量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電脈沖并輸出[8]。光電編碼器具有響應(yīng)快、精度高，能在惡劣的環(huán)境下使用且有較高的可靠性等特點。本文選用E6B2-CWZ6C編碼器用于機(jī)械臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角位置和旋轉(zhuǎn)速度的檢測。

2.3 電源系統(tǒng)電路設(shè)計

本文機(jī)器人由一塊24V/20ah鋰電池供電，正常輸出12 A電流，最大可輸出20 A電流。電源系統(tǒng)采用鋰電池外接不同電壓等級的電源轉(zhuǎn)換模塊方案。機(jī)器人中電機(jī)的耗能大，電機(jī)驅(qū)動器為24 V到48 V寬電壓輸入，直接將鋰電池連接電機(jī)驅(qū)動器以減少損耗。W25及W12系列電源轉(zhuǎn)換模塊具有帶隔離、體積小、過載及短路保護(hù)等優(yōu)點。無線通訊模塊等12 V電壓由W25-24S12電源轉(zhuǎn)換模塊提供。編碼器等5 V電壓采用W12-24S5電源轉(zhuǎn)換模塊提供。電源供電系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 電源供電系統(tǒng)框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

配電網(wǎng)作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)軟件包括控制板控制軟件和上位機(jī)測控軟件設(shè)計兩部分。

3.1 控制板控制軟件設(shè)計

3.1.1 主控制板控制軟件

主控制板控制軟件中嵌入了UCOS微實時操作系統(tǒng)，通過多線程的方式處理各個模塊的任務(wù)，能保證機(jī)器人高效完成任務(wù)。主控制板控制軟件包括主線程及各子線程。其中主線程用于機(jī)器人各外設(shè)模塊的初始化及創(chuàng)建默認(rèn)子線程；子線程負(fù)責(zé)執(zhí)行各任務(wù)及與上位機(jī)通信。主線程的初始化包括系統(tǒng)時鐘、串口及網(wǎng)口初始化、定時器初始化及創(chuàng)建默認(rèn)子線程。默認(rèn)子線程創(chuàng)建其他子線程，子線程包括系統(tǒng)控制子線程、傳感器數(shù)據(jù)采集子線程及網(wǎng)絡(luò)通信子線程。主控制板程序流程如圖6所示。

圖6 主控制板程序流程圖

3.1.2 機(jī)械臂控制板控制軟件

機(jī)械臂控制板上電后首先對微控制器進(jìn)行初始化，包括系統(tǒng)時鐘、串口、CAN、ADC采樣等。初始化完成后讀取串口數(shù)據(jù)，當(dāng)串口接收到新的控制指令時，立即向電機(jī)驅(qū)動器發(fā)送更新指令。接著讀取機(jī)械臂對應(yīng)關(guān)節(jié)電機(jī)編碼器的數(shù)據(jù)，當(dāng)機(jī)械臂關(guān)節(jié)到達(dá)目的位置時，立即向電機(jī)驅(qū)動器發(fā)送停止指令。機(jī)械臂控制板程序流程如圖7所示。

圖7 機(jī)械臂控制板程序流程圖

3.2 上位機(jī)測控軟件

測控軟件在Visual Studio 2015開發(fā)環(huán)境中使用C#語言編寫，并根據(jù)機(jī)器人作業(yè)要求制定上位機(jī)軟件界面。上位機(jī)軟件界面如圖8所示。上位機(jī)軟件界面主要包括系統(tǒng)啟停，機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制及參數(shù)設(shè)置，實時顯示電池電量、主干線電流、機(jī)械臂關(guān)節(jié)當(dāng)前速度及角度等部分，可設(shè)置機(jī)械臂關(guān)節(jié)的運動速度大小及其關(guān)節(jié)角度的限值。

圖8 上位機(jī)軟件界面圖

4 實驗及分析

4.1 機(jī)器人的機(jī)械臂運動實驗

為了更好地完成機(jī)器人的作業(yè)任務(wù)，需對機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確性進(jìn)行測定。

在實驗狀態(tài)下，分別用機(jī)器人的編碼器和測速儀對機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測定。將編碼器的速度采樣值和測速儀的實測值進(jìn)行分析比較，對比結(jié)果如表1所示。根據(jù)表1的數(shù)據(jù)可知，編碼器采樣值和測速儀實測值之間的誤差在0.02 rad/s以內(nèi)，機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)速度控制有較高的控制精度，滿足機(jī)器人進(jìn)行配電網(wǎng)作業(yè)的要求。

4.2 機(jī)器人實際作業(yè)效果

在確定機(jī)器人運動實驗滿足誤差要求后，將機(jī)器人進(jìn)行實際作業(yè)，檢驗機(jī)器人的作業(yè)性能。多次實際作業(yè)實驗表明，使用本控制系統(tǒng)的機(jī)器人可有效完成配電網(wǎng)引流線的搭接或更換工作。實際作業(yè)效果如圖9所示。

圖9 機(jī)器人實際作業(yè)效果

表1 機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)速度對比表

機(jī)械臂關(guān)節(jié)采樣值/(rad·s-1)實測值/(rad·s-1)誤差/(rad·s-1)11.181.200.0221.191.19031.181.190.0141.201.20051.191.200.0161.191.200.01

5 結(jié)束語

本文采用STM32和TMS320設(shè)計了一套配電網(wǎng)作業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)，通過合理的軟硬件設(shè)計，可實現(xiàn)使用機(jī)器人進(jìn)行配電網(wǎng)引流線的搭接或更換作業(yè)。通過無線通信建立起上位機(jī)與機(jī)器人之間的連接，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控機(jī)器人作業(yè)。對比于傳統(tǒng)的人工配電網(wǎng)作業(yè)，極大地降低了作業(yè)強(qiáng)度及作業(yè)危險性。經(jīng)測驗，本文設(shè)計的機(jī)器人能快速有效地完成作業(yè)任務(wù)，為配電網(wǎng)檢修領(lǐng)域機(jī)器人研究提供了較好的依據(jù)。