核工業管道機器人驅動系統設計

姜玉濤 王寶迪 張博文 徐鵬程 李 洋

（1、黑龍江新諾機器人自動化有限公司，黑龍江 哈爾濱150000 2、中國核工業二三建設有限公司，北京100000）

1 核工業管道機器人簡介

核電站回路系統起到輸送核反應堆冷卻劑的作用。回路系統一旦泄露，會導致整個核反應堆的冷卻水泄漏，并伴隨著放射性物質的泄漏，引發核安全事故。而整個回路系統中最為薄弱的環節在于壓力邊界中的管道焊縫[1]。由于回路系統中介質的材質復雜，極易在焊縫處產生熱疲勞效應，從而影響焊縫質量。因此對管道焊縫的打磨拋光是有效消除熱疲勞效應的手段，本文所介紹的核工業管道機器人主要用于核電站回路系統內部管道焊縫打磨。

2 核工業管道機器人控制系統

核工業管道機器人的控制系統由機器人本體端、遙控端及連接線纜構成。目前，實現管道機器人控制主要有兩類方法：有線控制和無線控制[2]。無線控制有無需布線等優點，但機器人用于金屬管道內作業時，無線信號衰減嚴重，系統穩定性差。因此，本文設計的核工業管道機器人采用有線方式連接機器人，對機器人供電，并交互控制信號與反饋信息。

2.1 管道機器人本體端控制系統

電機驅動系統用于接收現場機器人主控系統發出的速度指令信息，驅動相應的電機，執行指令動作，機器人上的電機驅動系統主要包括爬行控制電機驅動系統、圓盤旋轉控制電機驅動系統、徑向進給控制電機驅動控制系統和打磨電機驅動控制系統，驅動控制系統如圖1 所示。所驅動的電機參數如下表所示。

圖1 驅動系統控制圖

現場機器人內部電機及參數列表

爬行驅動和圓盤旋轉采用的為DC24V 的BLDC 電機，這兩款BLDC 電機為三項梯形波繞組，換相反饋為數字霍爾傳感器，故采用門級驅動IC DRV8323 控制三個MOSFET 全橋，分別連接電機繞組的三個輸出端，通過六步換相法對電機進行驅動控制，門級驅動IC 的速度指令信號來自主控MCU 的定時器輸出的PWM波，通過調節占空比來控制電機轉速。為了精確的控制電機轉速，電機安裝有1000pulse/r 的編碼器作為反饋，此反饋給主控MCU 的IO 引腳[3]。

徑向進給采用直流有刷電機驅動，選用DRV8841 有刷電機驅動IC，最大驅動電流2.5A，均方根電流1.75A，電壓范圍DC8.2V～DC45V，速度控制指令為PWM波，有刷電機驅動電路如圖2所示。打磨電機為直接直流電源驅動，通過主控系統GPIO 經功率放大后驅動固態繼電器控制其啟停。

圖2 直流有刷驅動部分電路圖

驅動控制系統主要由以下部分構成。

主控模塊：機器人控制系統的核心，與遙控端通信，一方面根據遙控端的指令下發控制信號到驅動器，另一方面收集作業模塊的反饋信息回傳給遙控端做相應顯示；

爬行電機驅動模塊：負責驅動管道爬行器驅動輪電機，實現機器人在管道內壁的前進與后退；

旋轉圓盤電機驅動模塊：負責驅動周向旋轉圓盤電機，該驅動器兼容γ 射線檢測模塊和焊縫打磨模塊的圓盤電機，更換功能模塊時只需更換各自航空插頭，不影響電機工作；

限位裝置控制模塊：連接于主控和限位裝置之間，將限位裝置獲得的位置信號反饋到主控模塊；

電源轉換模塊：實現直流24V 轉12V，為供電電壓為12V的攝像頭供電；

485 通信模塊：實現主控與遙控端的通信，RS485 接口通信距離最大可達千米以上，且差分信號抗干擾能力強[4]；

24V 控制接口：通過連接線纜與遙控端連接，一組24V 供電接口，一組RS485 接口，一組視頻信號線；

打磨電機供電接口：通過連接線纜與遙控端連接，為打磨交流有刷電機供電，考慮到抗干擾及安全因素，需要與控制接口分開，單獨供電。

2.2 管道機器人遙控端控制系統

遙控器主要實現機器人本體運動指令的下發，并接收機器人本體回傳的狀態信息及工作圖像將其顯示在LED 屏上。遙控端的面板示意圖如圖3 所示。

圖3 遙控器的面板示意圖

遙控器控制系統共包括如下部分。

電源開關：由西門子型號為5SU9356-1CR20 的漏電保護器作為遙控端控制系統的總控制開關，額定電流20A；

24V 電源：24V，300W 的直流電源為機器人本體（除打磨電機）和遙控端供電，共有3 路輸出，分別為機器人本體、遙控器電路、屏幕及視頻記錄儀供電；

遙控器主控：作為遙控端的最主要部分，負責識別工作人員的操作請求，下發控制指令到機器人本體，并接收機器人的回傳信號；

485 通信模塊：實現遙控端與機器人本體的通信，RS485 接口具有通信距離長抗干擾的優勢；

屏幕供電處理模塊：24V 轉12V 電源處理模塊，由于系統電源為24V，屏幕及視頻記錄儀所需工作電壓為12V，因此需要進行電源轉換；

打磨電機控制模塊：由固態繼電器配合主控下發的控制信號，實現對交流打磨電機的開關控制。

2.3 管道機器人連接裝置

連接裝置主要指連接電纜和快速連接模塊。電纜內包括一組小功率電源線（+24V、GND），一組大功率電源線（+24V、GND），一組通信線（485_A、485_B），一組視頻線（視頻信號線）。機器人在作業時會拖拉電纜，對電纜的質量要求很高，電纜必須選用耐磨、抗拉伸型號，本方案選用定制拖拽電纜如圖4 所示。

圖4 拖拽電纜

快速連接模塊選用多個型號的航空插頭，主要負責爬行機構與砂輪打磨模塊、爬行機構、機器人本體與遙控端的電氣控制連接，同時可保證機器人在轉換工作模式時換裝方便快捷，帶自鎖功能可保證各部分連接穩定可靠不脫落[5]。

3 結論

本文介紹了核工業管道機器人的背景，闡述了管道機器人本體驅動系統的組成部分，并對各個驅動組成部分進行詳細的選型與設計，然后描述了管道機器人遙控端的控制系統設計，最后選取了各部分之間的連接方式，為今后管道機器人的研發調試提供了基礎。