高壓帶電作業自動剝皮器控制系統的研制

趙玉良 ，戚 暉 ，陳凡明 ，李 健

(1.山東電力研究院，山東 濟南 250002；2.山東魯能智能技術有限公司,山東 菏澤250002)

為了提高帶電作業的自動化水平和安全性，減輕操作人員的勞動強度和強電磁場對操作人員的人身威脅，從20世紀80年代起許多國家先后開展了帶電作業機器人的研究。2002年我國也進行了高壓帶電作業機器人產品化樣機的研制。目前帶電作業所用的剝皮器是高壓帶電作業機器人的專用作業工具，其主要功能是剝除10 kV配電線路絕緣外皮，為完成其他作業任務做好準備[1]。目前應用的剝皮器多是手動控制，為了適應高壓帶電作業機器人應用的要求，本文所研究的PWM功率驅動裝置的設計采用了高集成度模塊,并由ATMEGA128單片機控制，具有過流、過載、過壓保護功能。這種剝皮器遙操作控制系統通過遙控器進行遠程控制，比手動剝皮器更加安全、可靠，操作也更加方便，滿足了高壓帶電機器人作業任務的要求。

1 控制系統的總體設計

如圖1所示，將遙控剝皮器的硬件設計分成5層，各層完成功能分別是：層1是執行結構，是機器人運動的基礎；層2是驅動系統，包括電機驅動器、系統供電和電流反饋電路。由于遙控剝皮器電機的過載電流能達10 A，所以選用了具有H橋的SA60。SA60是一個PWM型功率輸出芯片,電路提供給電機的電源電壓最大可達到80 V,能連續向負載提供10 A的電流。最大模擬輸入電壓8 V,PWM載波頻率可達250 kHz,而效率可以高達97%。通過12 V串行DA轉換芯片控制電機的方向和速度，DISABLE引腳控制電機的上電和掉電。層3是系統接口部分,包括DA轉換接口。輸出電壓為4 V～8 V。層 4是 ATMEGA128核心板部分，包括 JTAG、復位電路和晶振；層5是系統功能擴展板，實現與遙控器的通信。由于超再生式接收模塊具有電路簡單、成本低廉等優點，溫度適應性強，接收靈敏度更高，而且工作穩定可靠，抗干擾能力強，所以無線接收模塊選用了抗干擾能力強的超外差接收模塊[2]。

2 電源電路設計

電磁干擾必須包括3個要素，即電磁干擾源、電磁干擾傳遞途徑及接收電磁干擾的響應者。這3個要素相當復雜，不同的場合有不同的表現。如圖2所示，為了防止電機驅動電路和控制電路相互干擾,通過電感L2實現不共地。在電路排版中，由于存在地線的阻抗，因而會產生一定的電位差。由于電位差的存在，就必然給電路的工作帶來影響。因此在電路板排版中，要一點接地。為了防止控制部分和電機驅動部分電路發生短路，在前序電路都加上自恢復保險絲。自恢復保險絲是一種新型高分子聚合材料制成的器件，當電流低于額定值時，它的電流電阻只有零點幾歐姆。而當電流大到一定程度，它的阻值迅速升高，引起發熱，而越熱,阻值越大，從而阻斷電源電流。剝皮器在作業過程中，由于受力不均勻，電壓會被拉低,所以在電源部分加上了12 V升壓芯片MAX734。由于電池充滿時，電壓能達14.4 V,超過了MAX734的供電電壓,所以在MAX734的前端反接了一個3.3 V穩壓二極管。

3 驅動電路的設計

PWM功率驅動裝置利用大功率管的開關特性來調制直流電源，使其按固定的頻率通、斷。改變一個周期內通、斷時間的長短，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。其結構可分為兩大部分：從主電源將能量傳遞給負載的電路稱為功率轉換電路，其余部分為控制電路。改變脈沖占空比可以實現電動機轉速的調節，但首先需要將控制轉速的指令信號轉換為具有相應占空比的脈沖信號。PWM信號產生的基本方法是，將控制指令信號與固定頻率的三角波或鋸齒波信號進行比較，從而產生占空比正比于控制指令電壓的脈沖信號。如圖3所示，SA60自帶555定時器外接270 pF的電容產生45 kHz的三角波，當控制指令信號電壓大于或等于三角波電壓時，輸出信號為比較器電源正電壓VCC；當控制指令信號小于三角波電壓時，輸出信號為電源地信號0 V。當電動機由于減速等原因而處于再生制動狀態時，傳動系統中所存儲的機械能會經電動機轉換為電能，并通過功率器件回饋到直流母線側。這些能量一般儲存在功率主電路的儲能元件中，若不存在能量釋放電路，將會導致直流母線側電壓升高，升高的這部分電壓稱為泵升電壓。在這種情況下，如不采取保護措施，就有可能損壞功率器件或儲能元件。電路中加上了RC阻容網絡,以抑制瞬時泵升電壓的產生。電阻選用100 Ω 2 W，電容選擇 1 000 pF 100 V[3]。

設置過電流保護電路。過電流保護電路由電流檢測環節、運算放大器、比較器等構成。通過0.01 Ω精密電阻對SA60的ISENSE A和ISENSE B引腳電流取樣，取樣電壓經過單電源運算放大器LM324的相加和放大10倍后，與一個2.5 V基準值共同輸入到電壓比較器LM393，比較輸出電流是否超過25 A。

下面求電壓放大器的增益計算公式：

4 單片機控制電路設計

4.1 無線接收電路

超再生式接收機具有電路簡單、成本低廉等優點而被廣泛采用，超外差接收機雖然價格較高，但溫度適應性強，接收靈敏度更高，而且工作穩定可靠，抗干擾能力強，所以無線接收模塊選用了抗干擾能力強的超外差接收模塊。遙控器選用和接收模塊配套的遠距離遙控器。電池使用A23電池，采用白色的優質塑料外殼，硅膠按鍵，帶拉桿天線。遙控器背后有活動的電池艙蓋，可以方便地更換電池。發射距離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轉換芯片。采用LT1021基準芯片提供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。

4.3 ATMEGA128控制單元

ATMEGA128控制單元負責控制模擬信號的輸出、過流信息的采集和無線通信。ATmega128為基于AVR RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器，具有快速、靈活、集成度高,加密性強和易實現等諸多優點。ATmega128具有 128 KB的系統內可編程 Flash、4 KB的 E2PROM、4 KB的 SRAM、53個通用 I/O口線、32個通用工作寄存器、實時時鐘RTC、4個靈活的具有比較模式和PWM功能的定時器/計數器(T/C)、2個USART、面向字節的兩線接口TWI、8通道10位ADC、具有片內振蕩器的可編程看門狗定時器、SPI串行端口。由于其先進的指令集以及單周期指令執行時間，ATmega128的數據吞吐率高達1 MIPS/MHz，比普通的復雜指令集微處理器高10倍，從而可以緩解系統在功耗和處理速度之間的矛盾[4]。

5 斷線鉗系統的軟件設計

軟件設計主要包括：接收到的控制命令碼的解碼程序、電機調速的DA轉換程序和過載保護程序。

5.1 解碼程序

編碼芯片PT2262發出的編碼信號地址碼、數據碼、同步碼組成一個完整的碼字，解碼芯片PT2272接收到信號后，其地址碼經過兩次比較核對后，VT腳才輸出高電平，與此同時相應的數據腳也輸出高電平。如圖4，采用中斷的方式來接收發射碼并進行解碼獲得控制命令。

5.2 DA轉換程序

如圖5所示，由于所采用的減速電機啟動和停止電流很大，可以通過改變加載電機兩端的電壓來實現加減速。基于簡單實用考慮，采用DA模擬量調速方式。而軟件的做法是通過設置DA轉換芯片內部的寄存器來達到，且軟件調整量指標更高，調整更可靠、更方便、更準確。為了實現功率模塊的保護，當采集到過電流信號時，采用DA輸出方式控制電機的輸入電壓來調節功率模塊SA60的輸出電流。

圖5 DA轉換程序流程圖

本文所介紹的ATMEGA128單片機控制的PWM功率驅動裝置，采用了集成化的芯片設計，因而整個系統的可靠性和集成度得到很大提高。PWM功率驅動裝置的輸出滿足了TEC模塊的電氣特性要求。另外，系統由ATMEGA128單片機控制，程控性好，易于操作，提高了分辨率和精度,系統實時運行的信息可反饋到ATMEGA128控制系統，以對系統進行監護并處理故障。在實際應用中，自動剝皮器剝皮效果良好,具有很大的實用價值。

[1]戚暉.高壓帶電作業機器人絕緣防護技術研究[J].高電壓技術，2003,5.

[2]曾國華.可控扭矩電動扳手的設計[J].工具技術，2002,36(5).

[3]李邦協.實用電動工具手冊[M].北京：機械工業出版社,2007.

[4]馬潮.高檔8位單片機ATmega128原理與開發應用指南[M].北京：北京航空航天大學出版社,2004.