【文章內(nèi)容簡介】 讀入換相周期計數(shù)器值達(dá)到換相周期值否自由換相子程序中斷結(jié)束步進(jìn)啟動子程序圖34 PWM中斷模塊 本章介紹了移動式管道機器人的總體結(jié)構(gòu)和機器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)，介紹了機器人的驅(qū)動行走方式、云臺的基本功能、本體的密封以及防腐等功能的實現(xiàn)，給出了所選電機的理論依據(jù)和基本參數(shù)，并對機器人軸端旋轉(zhuǎn)密封做了詳細(xì)介紹。四、移動式管道機器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 由于管道機器人的工作環(huán)境具有特殊性，它要在操作人員看不到的管道內(nèi)行走作業(yè)。為了提高工作效率和工作質(zhì)量，要依據(jù)管道的實際情況的不同，不斷地進(jìn)行加速和減速運動，并對承載CCD攝像頭的云臺的位置進(jìn)行調(diào)整。 從實用、穩(wěn)定、可靠性的角度來看，控制系統(tǒng)相當(dāng)于管道機器人的心臟，管道機器人的一切行為都在它的統(tǒng)一指揮下完成。本機器人要求控制系統(tǒng)必須做到以下幾點： 1．要求實現(xiàn)機器人的行走速度在0～12m／min之間無級可調(diào)；2．要求可以控制機器人正反兩個方向行走；3．要求可以對云臺在兩個自由度內(nèi)進(jìn)行位置調(diào)整；4. 要求對機器人采用遙控作業(yè)，遙控距離在200m以上；5．要求主控界面便于操作、使用。（一）管道機器人的常規(guī)控制形式 通常情況下，管道機器人控制系統(tǒng)都采用上下位機控制形式，要解決的關(guān)鍵問題有兩個：一個是管內(nèi)外遠(yuǎn)程通信的可靠性，另一個是下位機控制器的穩(wěn)定性。由于管道機器人在管線內(nèi)部作業(yè)，環(huán)境惡劣不允許出現(xiàn)管內(nèi)失控的重大事故，因此除了對機器人的能源動力系統(tǒng)等強電部分提出嚴(yán)格的要求之外,還對機器人的控制單元提出了極高的運行可靠性要求，以保證控制單元不受環(huán)境影像，在有效的控制策略下起到穩(wěn)定的控制作用。目前，管道機器人的常規(guī)控制形式有以下幾種：—PLC控制系統(tǒng)該系統(tǒng)中，上位機和下位機都采用PLC，構(gòu)成由PLC為控制核心,的主從二級制系統(tǒng)。管外控制部分作為主控制系統(tǒng)，管內(nèi)控制部分作為從控制系統(tǒng)，兩個控制器間通過專用的PLC擴展通信單元進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)。PLC系統(tǒng)本身可靠性很高，可維護(hù)性好，開發(fā)周期短，操作簡單，對于一些邏輯運算功能顯著，不過它也有一些缺點，比如運算速度慢、價格貴等。該系統(tǒng)中，上位機采用PC機，下位機采用單片機。目前研究的管道機器人大多數(shù)采用這種控制形式，例如由文獻(xiàn)[15]中，王卓軍、張曉華等人研制的基于視覺的管內(nèi)作業(yè)機器人的控制系統(tǒng)就是用的這種形式。作為上位機的PC機主要完成參數(shù)設(shè)置、視覺處理、控制命令的輸出及控制狀態(tài)的顯示等工作，而單片機負(fù)責(zé)接收控制命令、應(yīng)用速度和位置閉環(huán)控制算法及控制號輸出、現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集等工作。PC一單片機控制系統(tǒng)運算速度快，控制精度高，利于小型化和智能話，但是單片機系統(tǒng)的開發(fā)周期長，可靠性要不斷改進(jìn)。+DSP控制系統(tǒng)在有些系統(tǒng)中，把一些計算量比較大的工作(例如圖像處理)交給下位機來完成，這時候需要下位機有一定的計算和存儲能力，往往可以由單片機+DSP構(gòu)成雙機控制系統(tǒng)，其中單片機負(fù)責(zé)控制部分，DSP負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)的運算和處理。這種控制系統(tǒng)可以完成更為復(fù)雜的工作，不過在設(shè)計周期上有了一定的限制。（二）控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計 本控制系統(tǒng)也是采用上下位機的控制形式，上位機負(fù)責(zé)圖像處理和發(fā)送控制指令，下位機要負(fù)責(zé)底層的控制和機器人行走速度信號的反饋，包括對行走電機的控制，對云臺電機的控制。反饋機器人的速度信息，由于對圖像的處理部分在上位機進(jìn)行，運算量主要集中在上位機，所以使用的是PC單片機控制系統(tǒng)。上位機外圍電器LPC2114直流電機驅(qū)動直流電機HALL編碼器步進(jìn)電機驅(qū)動步進(jìn)電機驅(qū)動步進(jìn)電機1步進(jìn)電機2 圖 41 控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖41所示，PC機和單片機之間通過光纖進(jìn)行通信，CCD攝像頭拍攝的圖像信號直接通過光纖傳送給PC機，PC機一方面要采集CCD的圖像信號，并保存，一方面利用一個控制臺程序向下位機發(fā)送控制指令來實時地調(diào)節(jié)機器人的行走速度和云臺的姿態(tài)，同時接收下位機反饋回來的速度信號，顯示實時速度以及行走距離。下位機采用的是Philips公司的ARM7單片機LPC2114。下位機接收上位機的控制令并譯碼，相應(yīng)地控制各個電機，并通過對編碼器反饋回來的行走電機轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行處理并發(fā)送給上位機。為了方便試驗，在初期設(shè)計中我們使用一組八位的LED數(shù)碼管來顯示反饋回來的電機轉(zhuǎn)速。（三）電機驅(qū)動器設(shè)計 由于管道機器人的行走電機選用的是無刷直流電機，而控制云臺位姿的電機選用的是步進(jìn)電機，所以電機驅(qū)動器的設(shè)計分解為兩個方面，即直流電機驅(qū)動器設(shè)計和步進(jìn)電機驅(qū)動器設(shè)計?！?6】 LPC21 14是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16／32位ARM7．TDMI．S CPU，并帶有128kB嵌入的高速Flash存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。對代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30％，而性能的損失卻很小。由于LPC21 14／2124非常小的64腳封裝、極低的功耗、多個32位定時器、4路lO位ADC、6路PWM輸出、46個GPIO以及多達(dá)9個外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問控制和電子收款機、機器人控制等領(lǐng)域。由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，它們也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、嵌入式軟件調(diào)制解調(diào)器以及其它各種類型的應(yīng)用。行走電機采用maxon公司的稀土永磁無刷直流電動機，額定功率為120W，配帶霍爾傳感器和500線的數(shù)字編碼器。稀土永磁無刷直流電動機作為一種新型電動機，具有結(jié)構(gòu)簡單、運行效率高、調(diào)速性能好、可靠性高等優(yōu)點，同時由于不受機械換向的限制，易于做到大容量、高轉(zhuǎn)速。近年來，隨著大功率開關(guān)器件、集成電路及高性能的磁性材料的快速發(fā)展，無刷直流電動機(BLDCM)在航空航天、機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療及實驗室設(shè)備、家電等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[17]。 基于LPC2114的無刷直流電動機控制系統(tǒng)主要由控制電路、驅(qū)動電路、檢測電路和顯示電路組成，其系統(tǒng)組成如圖4．2所示。位于地面的上位機通過串行通信經(jīng)過光纖向位于管道中的下位機控制系統(tǒng)傳送控制指令，下位機控制系統(tǒng)接受控制指令并譯碼。根據(jù)相應(yīng)的控制策略，實現(xiàn)對無刷直流電機的控制。 上位機顯示電路 LPC 2114位置傳感器驅(qū)動電路電流檢測無刷直流電機數(shù)字編碼器圖42 直流電機驅(qū)動設(shè)計框圖（1） 驅(qū)動電路功率驅(qū)動部分采用三相全橋驅(qū)動方式，功率MOSFET管用IRF620，其前置驅(qū)動器用IR213l，它是一個高電壓、高速度的MOSFET和IGBT驅(qū)動器，具有獨立的三個高電平和三個低電平參考輸出通道，LPC2114的六路PWM輸出與IR2131的六路輸入直接相連，IR2131的輸出通過電阻與功率MOSFET管的輸入相連。（2） 檢測電路檢測電路分為三個部分，即轉(zhuǎn)予位置檢測，速度檢測和電流檢測。轉(zhuǎn)子位置檢測采用霍爾傳感器，如圖4．3所示，無刷直流電機的霍爾傳感器產(chǎn)生ABC路信號，通常高低電平相互覆蓋，兩相輸出之間的相位差Y9120[18]。根據(jù)霍爾傳感器三路輸出信號的每次跳變，對電機驅(qū)動橋路進(jìn)行控制，當(dāng)檢測到霍爾傳感器輸出信號發(fā)生跳變時，控制器進(jìn)入中斷處理，以改變六路PWM輸出的狀態(tài)。通過LPC2114的CAP0．0CAP0．3捕獲霍爾傳感器三路輸出信號的跳變，每次跳變將引發(fā)一次中斷，改變PWM輸出序列，來控制驅(qū)動橋路的導(dǎo)通順序。 A B C 0 120 240 360 480 600 720 圖 43 霍爾傳感器的輸出信號為了提高測速精度，速度檢測采用500線的數(shù)字編碼器，編碼器輸出三路差分信號，經(jīng)過RS422線驅(qū)動器和線接收器送給控制器LPC2114，控制器對輸入脈沖進(jìn)行計數(shù)，應(yīng)用軟件計算出電機的轉(zhuǎn)速并判斷電機的旋轉(zhuǎn)方向。在橋式整流電路的低壓端和地之間接一個采樣電阻，用來檢測主回路的電流，當(dāng)電路板電流達(dá)到最大允許值時，采樣電阻能激活I(lǐng)R213I內(nèi)置的過流保護(hù)電路。采樣電阻上的電壓經(jīng)過放大送至rJLPC2114的ADC模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，作為電流環(huán)控制的反饋。一定要在新的PWM產(chǎn)生之前裝入電流檢測值，與給定的參考值一起控制PwM的寬度。（3） 顯示電路LPC2114把計算出來的電機轉(zhuǎn)速通過12C傳給SAAl064，SAAl064是帶有12C接13的四位LED驅(qū)動器[]。通過兩片SAAl064動態(tài)地驅(qū)動8位LED，顯示電機的轉(zhuǎn)速。（4）控制電路控制電路主要是以LPC21 14為核心處理器，利用它的一些模塊，如定時器、ADC模塊、PWM、12C、ADC以及一些外圍電路配合相應(yīng)的軟件程序來實現(xiàn)控制邏輯。由于云臺的運動需要的電機功率并不大，所以采用步進(jìn)電機，兩個步進(jìn)電機分別控制云臺的旋轉(zhuǎn)動作和俯仰動作，步進(jìn)電機使用的是北京和利時公司的兩相電機42BYG250C。步進(jìn)電機接收數(shù)字控制信號[]，并轉(zhuǎn)換成與之相對應(yīng)的角位移或直線位移，它本身就是一個完成數(shù)字／模擬轉(zhuǎn)換的執(zhí)行元件。而且它可以實現(xiàn)開環(huán)位囂控制，輸入一個脈沖信號就得到一個規(guī)定的位置增量，這樣的增量位置控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的直流伺服系統(tǒng)相比，其成本明顯降低，幾乎不必進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整，因此，隨著運動控制系統(tǒng)數(shù)字化到來，步進(jìn)電機的應(yīng)用日益廣泛，例如在計算機外圍設(shè)備、現(xiàn)代辦公室設(shè)備、儀器設(shè)備、數(shù)控機床、機器人等中獲得大量應(yīng)用。它具有以下優(yōu)點：（1）步進(jìn)電機控制原理步迸電機有磁阻式、混合式和永磁式三種，它們必須與相應(yīng)的電子驅(qū)動電路配套使用，而其工作性能很大程度上取決于所設(shè)計的驅(qū)動電路。盡管步進(jìn)電機各相繞組之間、定轉(zhuǎn)子之問存在強耦合，電磁關(guān)系存在較嚴(yán)重的非線性，但從驅(qū)動電路角度來看，對一臺步進(jìn)電機的控制，就是按一定順序向多相線圈通電，對各相電流的控制以產(chǎn)生必要的轉(zhuǎn)矩的問題。因此，就步進(jìn)電機控制而言，各相通電順序的產(chǎn)生和電流波形的控制是主要的問題，其次要解決的是一些保護(hù)問題。 圖44給出了典型的步進(jìn)電機控制系統(tǒng)框圖。由運動控制器給出的輸入指令是輸入時鐘和方向信號，他們在脈沖分配器中經(jīng)過邏輯組合轉(zhuǎn)換成各相通斷的時序邏輯信號，導(dǎo)通程序邏輯信號送至功率驅(qū)動級，轉(zhuǎn)換成其內(nèi)部功率開關(guān)的基極(或柵極)驅(qū)動信號。功率驅(qū)動級除包括功率開關(guān)及其驅(qū)動電路外，可能還包括一些電流反饋控制和限流、限壓、過熱保護(hù)等輔助電路部分。按步進(jìn)電機相繞組流過的電流是單向的還是雙向的，其驅(qū)動方式可分為單極性驅(qū)動和雙極性驅(qū)動。通常三相、四相步進(jìn)電動機采用單極性驅(qū)動，而兩相步進(jìn)電動機必須采用雙極性驅(qū)動，從步進(jìn)電機繞組利用率來講，雙極性比單極性利用率要高。從功率驅(qū)動級電路結(jié)構(gòu)來看，可區(qū)分為電壓驅(qū)動和電流驅(qū)動兩種驅(qū)動方式。電壓驅(qū)動方式包括串聯(lián)驅(qū)。運動控制器 脈沖分配器功率驅(qū)動器步進(jìn)電機負(fù)載電流控制保護(hù)電路 圖 44 步進(jìn)電機控制系統(tǒng)框圖（2）步進(jìn)電機驅(qū)動電路本文步進(jìn)電機驅(qū)動電路圖圖4．5所示，基于LPC2114，MICROELECTRONICS公司出產(chǎn)的集成芯片L29L298實現(xiàn)對步進(jìn)電機的控制，對于云臺的兩個步進(jìn)電機，其控制電路大致相同。L297是單片步進(jìn)電機控制器集成電路，適用于雙極性兩相步進(jìn)電機或者單極性四相步進(jìn)電機的控制，采用模擬／數(shù)字電路兼容的12L工藝，20腳DIP塑料封裝，以+5V供電，全部信號線都是ITUCMOS兼容的。 IOPA7 IOPA6 IOPA5 IOPA4 IOPA3IOPBOIOPA7VDDVSSV0ECS1CS2R/WRSDB0DB7R=10KΩΩΩΩΩΩΩΩΩΩΩΩΩΩ+5VGND 圖 45 步進(jìn)電機驅(qū)動電路（四）外圍電路設(shè)計 由于LPC2114本身集成了許多常用的外圍部件，如12C、PWM、ADC等，而且具有128K Flash無需擴展存儲器，所以給外圍電路的設(shè)計提供了方便。主要有電源電路、時鐘電路、復(fù)位以及RS232電平轉(zhuǎn)換電路。 LPC2114的供電電源電路。由于LPC2114使用兩組電源，I／，內(nèi)核及片內(nèi)外設(shè)供電電源為1．8v，為了保持系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性，采用兩