掃查器行走閉環(huán)控制系統(tǒng)硬、軟件設(shè)計(jì)

李西平，劉亞琴，孫志娟，谷 良

（中央廣播電視大學(xué) 工學(xué)院，北京 100031）

0 引言

全自動(dòng)超聲檢測(cè)（AUT）以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)成為管道環(huán)焊縫缺陷檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的檢測(cè)方法[1]。隨著我國(guó)近年來(lái)新建管線數(shù)量的急劇增加，為保證管道環(huán)焊縫缺陷檢測(cè)的可靠性并提高檢測(cè)效率，研發(fā)智能化的超聲檢測(cè)設(shè)備已成為當(dāng)務(wù)之急。

作為管道環(huán)焊縫全自動(dòng)超聲檢測(cè)設(shè)備的核心部分，本文在對(duì)掃查器行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)敘述掃查器速度閉環(huán)控制系統(tǒng)的硬、軟件電路的設(shè)計(jì)。

1 掃查器運(yùn)行控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

行走機(jī)構(gòu)是管道環(huán)焊縫自動(dòng)超聲檢測(cè)設(shè)備的運(yùn)行載體。本文設(shè)計(jì)的掃查器行走機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)主要包括單片機(jī)控制模塊、功率驅(qū)動(dòng)模塊和通信模塊三部分。其過(guò)程為：由上位機(jī)給微控制器預(yù)設(shè)速度值，通過(guò)編碼器將掃查器實(shí)時(shí)運(yùn)行速度反饋給微控制器，微控制器將給定速度值與實(shí)際速度值進(jìn)行比較，并通過(guò)數(shù)字PID控制算法調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，構(gòu)成掃查器運(yùn)行速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，圖1所示為其控制框圖。

圖1 行走速度閉環(huán)控制框圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制模塊電路設(shè)計(jì)

掃查器運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的單片機(jī)選用ATMEL公司的ATmega128，它是高性能、低功耗的AVR 8位微處理器，其特點(diǎn)為：速度快，AVR是精簡(jiǎn)指令集單片機(jī)，其速度可以達(dá)到每秒16MIPS；片上資源豐富，且具備JTAG仿真和下載功能；驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，節(jié)省了外圍電路的設(shè)計(jì)。同時(shí)ATmega128還具有一整套編程與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具，包括C語(yǔ)言編譯器、宏匯編、程序調(diào)試器/軟件仿真器等，便于控制程序的編寫(xiě)與調(diào)試。

ATmega128單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由晶振電路，復(fù)位電路、JTAG接口電路以及外圍電路組成。晶振的頻率越高，單片機(jī)處理數(shù)據(jù)的速度越快，而系統(tǒng)的功耗則會(huì)相應(yīng)增加，穩(wěn)定性也會(huì)下降，綜合考慮本文中選用頻率為12MHz的晶振。本文選用上電復(fù)位電路，其作用是在單片機(jī)剛剛接通電源時(shí)執(zhí)行復(fù)位。JTAG接口電路主要用于程序的讀入與調(diào)試。

速度反饋電路的主要作用是對(duì)編碼器的反饋信號(hào)進(jìn)行采集，確定直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)掃查器速度閉環(huán)控制，其電路如圖2所示。

圖2 速度反饋電路

數(shù)字系統(tǒng)中矩形脈沖在傳輸過(guò)程中易發(fā)生波形畸變，因此采用施密特觸發(fā)器HCF40106對(duì)編碼器返回的脈沖信號(hào)進(jìn)行整形，以獲得較理想的矩形脈沖。編碼器反饋脈沖信號(hào)的A相和B相相位相差90°，一路輸入到單片機(jī)中斷引腳，一路輸入到單片機(jī)I/O口引腳。編寫(xiě)程序時(shí)通過(guò)I/O口的高低電平判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)向，通過(guò)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)速[2]。

2.2 功率驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì)

功率驅(qū)動(dòng)模塊主要由PWM功率驅(qū)動(dòng)和光電隔離兩部分電路組成，其作用是將主控電路發(fā)送的PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)光電隔離后送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片以驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。

通過(guò)比較目前各種直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的特點(diǎn)，選擇LMD18245（美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DMOS全橋功率放大器）作為行走機(jī)構(gòu)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。LMD18245采用新型電流采樣方法取代了傳統(tǒng)的利用與電機(jī)串聯(lián)采樣電阻進(jìn)行有耗采樣電流的方法。它通過(guò)4位D/A轉(zhuǎn)換器可以直接用數(shù)字方式控制電機(jī)的電流。另外，在外加D/A轉(zhuǎn)換器的作用下，改變LMD18245中內(nèi)置的4位D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓還可以進(jìn)一步提高控制精度[3]。

圖3 直流電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路

直流電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，采用雙極性輸出方式驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，其中MOUT1、MOUT2作為芯片LMD18245的驅(qū)動(dòng)管腳與直流電機(jī)相連；3腳接RC阻容網(wǎng)絡(luò)，提供關(guān)斷時(shí)鐘信號(hào)；同時(shí)芯片11腳（DIRECTION）需要與微控制器的PWM信號(hào)輸出端相連，通過(guò)改變電壓脈沖占空比對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，此外微控制器通過(guò)改變M1～M4端的輸出信號(hào)，控制電機(jī)電流的閥值，以此控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小[4]。

6N137是高速光耦，主要起到光電隔離的作用。由于驅(qū)動(dòng)電路在工作時(shí)有可能產(chǎn)生較大的電流，并對(duì)控制輸入端產(chǎn)生信號(hào)干擾，嚴(yán)重時(shí)有可能燒壞元器件，因此由控制器發(fā)出的PWM信號(hào)必須首先經(jīng)過(guò)6N137對(duì)其進(jìn)行光電隔離。6N137內(nèi)部包括一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)光敏二極管， 2、3兩個(gè)引腳即為發(fā)光二極管的輸入和輸出端，當(dāng)PWM信號(hào)由主控制器傳來(lái)時(shí)，發(fā)光二極管便會(huì)隨著電平的高低變化而相應(yīng)發(fā)光，與發(fā)光二極管相鄰的光敏二極管在受到光源照射后隨之導(dǎo)通，并且經(jīng)過(guò)一系列的邏輯電路轉(zhuǎn)換，最終通過(guò)6腳輸出隔離后的PWM信號(hào)[5]。這樣就實(shí)現(xiàn)了輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的光電隔離。

2.3 功率驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì)

由于串行通信方式具有使用線路少、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此掃查器運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)與上位機(jī)之間采用串行通信。RS-232C接口是目前最常用的串行通信接口，它為全雙工通信，最高傳輸速率20kbps，傳輸距離可達(dá)15m，完全滿足系統(tǒng)與上位機(jī)的通信要求[6]。RS-232C傳送的數(shù)字量采用負(fù)邏輯，且與地對(duì)稱，因此與單片機(jī)連接時(shí)需要加入電平轉(zhuǎn)換芯片，MAX232是美信公司專門(mén)為RS-232C標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的電平轉(zhuǎn)換芯片，使用+5V單電源供電，功耗低，且內(nèi)部集成兩個(gè)RS-232C接收器。

圖4 RS-232C電平轉(zhuǎn)換電路圖

電平轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。第一部分是電荷泵電路，由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成，其主要作用是給RS-232串口供電。第二部分是由11、12、13、14腳構(gòu)成的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道；TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1 IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)后從T1 OUT傳送到上位機(jī)DB9插頭；DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1 IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1 OUT輸出。第三部分包括15腳GND和16腳VCC，主要作用是給芯片供電。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

掃查器運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)整體程序流程如圖5所示。首先在程序的開(kāi)始對(duì)定時(shí)器T1進(jìn)行初始化,通過(guò)對(duì)寄存器TCCR1置位實(shí)現(xiàn)定時(shí)器功能的選取，將 WGMn2，WGMn1，WGMn0置 1，WGMn3置 0，設(shè)置定時(shí)器工作于10位快速PWM模式[7]。由于控制系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為12MHz，因此在輸出PWM信號(hào)之前需要將CSn2，CSn0置1，CSn1置0來(lái)對(duì)其進(jìn)行1024分頻，則最終輸出PWM信號(hào)的頻率為：

式中：fPWM——輸出PWM信號(hào)的頻率(Hz)；

fCLK——時(shí)鐘頻率(Hz)，本文中為12MHz；

N——分頻因子，本文中為1024；

TOP——該工作模式下計(jì)數(shù)的最大值[6]。

另外，通過(guò)對(duì)COMnA1，COMnB1和COMnC0置1，COMnA0，COMnB0和COMnC0置0實(shí)現(xiàn)比較匹配時(shí)置位OCnA/OCnB/OCnC，在TOP 時(shí)清零OCnA/OCnB/OCnC，即可通過(guò)控制比較值OCRnA的大小實(shí)現(xiàn)控制PWM波占空比的目的，其中占空比=OCRnA/TOP。

掃查器速度閉環(huán)控制系統(tǒng)通過(guò)編碼器檢測(cè)掃查器行走速度實(shí)現(xiàn)反饋信號(hào)的輸入。由于編碼器輸出一組相位相差90°的脈沖信號(hào)，其中一路與單片機(jī)的INT4腳，PC3腳連接，另一路與單片機(jī)的INT5腳，PC4腳連接，在外部中斷觸發(fā)之后只需判斷PC3腳和PC4腳的輸入電平高低就可以確定電機(jī)的轉(zhuǎn)向；而后對(duì)兩路脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，以此確定電機(jī)轉(zhuǎn)速；最后，將反饋信號(hào)與給定信號(hào)進(jìn)行比較，若他們之間存在偏差則系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

PID控制器根據(jù)系統(tǒng)的偏差信號(hào)，經(jīng)過(guò)比例、積分、微分運(yùn)算變換后得出被控對(duì)象的控制規(guī)律[7]。

比例環(huán)節(jié)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用減小偏差；積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度；微分環(huán)節(jié)反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性[8]。

PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，本文通過(guò)工程整定法確定系統(tǒng)的控制參數(shù)：首先記錄電機(jī)空載時(shí)的轉(zhuǎn)速，然后給電機(jī)施加載荷使其轉(zhuǎn)速下降，通過(guò)調(diào)整PID控制器的參數(shù)，使電機(jī)在最短時(shí)間內(nèi)能夠盡量準(zhǔn)確的恢復(fù)到預(yù)定轉(zhuǎn)速，并選取PID控制參數(shù)的最優(yōu)值。

4 結(jié)論

本課題完成了管道環(huán)焊縫超聲掃查器工程樣機(jī)的制作，并依據(jù)環(huán)焊縫缺陷檢測(cè)設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行了管道環(huán)焊縫缺陷檢測(cè)試驗(yàn)。設(shè)置掃查器沿環(huán)形導(dǎo)軌行走速度為100mm/s，分別對(duì)試件環(huán)焊縫進(jìn)行A掃描、B掃描和扇形掃描。試驗(yàn)中掃查器行走平穩(wěn)，其速度變化率控制在2%以內(nèi)。通過(guò)試驗(yàn)證明掃查器設(shè)計(jì)合理，檢測(cè)速度快，檢測(cè)靈敏度高，完全滿足輸油管線對(duì)接環(huán)焊縫缺陷檢測(cè)的要求。

圖5 控制流程圖

[1] 江秀漢, 李琳, 孟立宏. 長(zhǎng)輸管道自動(dòng)化技術(shù)[M]. 西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2000.

[2] 王蘇鳴. 開(kāi)放式教學(xué)機(jī)械手設(shè)計(jì)[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2008.

[3] 田玉敏. LMD18245 DMOS全橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的原理及應(yīng)用[J]. 國(guó)外電子元器件. 2001, 3(3): 22-24.

[4] 郭振義, 鄧寬林. 智能集成功放電路LMD18245的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù). 2003, 158(15): 88-90.

[5] 張超, 孟憲軍. 光電隔離器6N137和6N136的使用. 中國(guó)煤炭學(xué)會(huì). 第十屆全國(guó)煤礦自動(dòng)化學(xué)術(shù)年會(huì)[C]. 黑龍江,安寧: 2000, 101-103.

[6] 朱定華. 微機(jī)原理、匯編與接口技術(shù)(第2版)[M]. 北京:清華大學(xué)出版社, 2010.

[7] 劉金琨. 先進(jìn)PID控制[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2004.

[8] 舒懷林. PID原理及其控制系統(tǒng)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2006.