【文章內容簡介】 讀入換相周期計數(shù)器值達到換相周期值否自由換相子程序中斷結束步進啟動子程序圖34 PWM中斷模塊 本章介紹了移動式管道機器人的總體結構和機器人的結構參數(shù)，介紹了機器人的驅動行走方式、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和基本參數(shù)，并對機器人軸端旋轉密封做了詳細介紹。四、移動式管道機器人控制系統(tǒng)硬件設計 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行走作業(yè)。為了提高工作效率和工作質量，要依據管道的實際情況的不同，不斷地進行加速和減速運動，并對承載CCD攝像頭的云臺的位置進行調整。 從實用、穩(wěn)定、可靠性的角度來看，控制系統(tǒng)相當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；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進行位置調整；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，要解決的關鍵問題有兩個：一個是管內外遠程通信的可靠性，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部作業(yè)，環(huán)境惡劣不允許出現(xiàn)管內失控的重大事故，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擴展通信單元進行通信聯(lián)絡。PLC系統(tǒng)本身可靠性很高，可維護性好，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[15]中，王卓軍、張曉華等人研制的基于視覺的管內作業(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，而單片機負責接收控制命令、應用速度和位置閉環(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。+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構成雙機控制系統(tǒng)，其中單片機負責控制部分，DSP負責對數(shù)據的運算和處理。這種控制系統(tǒng)可以完成更為復雜的工作，不過在設計周期上有了一定的限制。（二）控制系統(tǒng)硬件總體設計 本控制系統(tǒng)也是采用上下位機的控制形式，上位機負責圖像處理和發(fā)送控制指令，下位機要負責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直流電機驅動直流電機HALL編碼器步進電機驅動步進電機驅動步進電機1步進電機2 圖 41 控制系統(tǒng)的總體結構 控制系統(tǒng)的整體結構如圖41所示，PC機和單片機之間通過光纖進行通信，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，相應地控制各個電機，并通過對編碼器反饋回來的行走電機轉速信號進行處理并發(fā)送給上位機。為了方便試驗，在初期設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速。（三）電機驅動器設計 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電機，所以電機驅動器的設計分解為兩個方面，即直流電機驅動器設計和步進電機驅動器設計?！?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構使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。對代碼規(guī)模有嚴格控制的應用可使用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、機器人控制等領域。由于內置了寬范圍的串行通信接口，它們也非常適合于通信網關、協(xié)議轉換器、嵌入式軟件調制解調器以及其它各種類型的應用。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，具有結構簡單、運行效率高、調速性能好、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、高轉速。近年來，隨著大功率開關器件、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)療及實驗室設備、家電等領域得到了廣泛的應用[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。根據相應的控制策略，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 直流電機驅動設計框圖（1） 驅動電路功率驅動部分采用三相全橋驅動方式，功率MOSFET管用IRF620，其前置驅動器用IR213l，它是一個高電壓、高速度的MOSFET和IGBT驅動器，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，即轉予位置檢測，速度檢測和電流檢測。轉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]。根據霍爾傳感器三路輸出信號的每次跳變，對電機驅動橋路進行控制，當檢測到霍爾傳感器輸出信號發(fā)生跳變時，控制器進入中斷處理，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，來控制驅動橋路的導通順序。 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，經過RS422線驅動器和線接收器送給控制器LPC2114，控制器對輸入脈沖進行計數(shù)，應用軟件計算出電機的轉速并判斷電機的旋轉方向。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，當電路板電流達到最大允許值時，采樣電阻能激活IR213I內置的過流保護電路。采樣電阻上的電壓經過放大送至rJLPC2114的ADC模塊進行模數(shù)轉換，作為電流環(huán)控制的反饋。一定要在新的PWM產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速通過12C傳給SAAl064，SAAl064是帶有12C接13的四位LED驅動器[]。通過兩片SAAl064動態(tài)地驅動8位LED，顯示電機的轉速。（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，所以采用步進電機，兩個步進電機分別控制云臺的旋轉動作和俯仰動作，步進電機使用的是北京和利時公司的兩相電機42BYG250C。步進電機接收數(shù)字控制信號[]，并轉換成與之相對應的角位移或直線位移，它本身就是一個完成數(shù)字／模擬轉換的執(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，幾乎不必進行系統(tǒng)調整，因此，隨著運動控制系統(tǒng)數(shù)字化到來，步進電機的應用日益廣泛，例如在計算機外圍設備、現(xiàn)代辦公室設備、儀器設備、數(shù)控機床、機器人等中獲得大量應用。它具有以下優(yōu)點：（1）步進電機控制原理步迸電機有磁阻式、混合式和永磁式三種，它們必須與相應的電子驅動電路配套使用，而其工作性能很大程度上取決于所設計的驅動電路。盡管步進電機各相繞組之間、定轉子之問存在強耦合，電磁關系存在較嚴重的非線性，但從驅動電路角度來看，對一臺步進電機的控制，就是按一定順序向多相線圈通電，對各相電流的控制以產生必要的轉矩的問題。因此，就步進電機控制而言，各相通電順序的產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問題。 圖44給出了典型的步進電機控制系統(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過邏輯組合轉換成各相通斷的時序邏輯信號，導通程序邏輯信號送至功率驅動級，轉換成其內部功率開關的基極(或柵極)驅動信號。功率驅動級除包括功率開關及其驅動電路外，可能還包括一些電流反饋控制和限流、限壓、過熱保護等輔助電路部分。按步進電機相繞組流過的電流是單向的還是雙向的，其驅動方式可分為單極性驅動和雙極性驅動。通常三相、四相步進電動機采用單極性驅動，而兩相步進電動機必須采用雙極性驅動，從步進電機繞組利用率來講，雙極性比單極性利用率要高。從功率驅動級電路結構來看，可區(qū)分為電壓驅動和電流驅動兩種驅動方式。電壓驅動方式包括串聯(lián)驅。運動控制器 脈沖分配器功率驅動器步進電機負載電流控制保護電路 圖 44 步進電機控制系統(tǒng)框圖（2）步進電機驅動電路本文步進電機驅動電路圖圖4．5所示，基于LPC2114，MICROELECTRONICS公司出產的集成芯片L29L298實現(xiàn)對步進電機的控制，對于云臺的兩個步進電機，其控制電路大致相同。L297是單片步進電機控制器集成電路，適用于雙極性兩相步進電機或者單極性四相步進電機的控制，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 步進電機驅動電路（四）外圍電路設計 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計提供了方便。主要有電源電路、時鐘電路、復位以及RS232電平轉換電路。 LPC2114的供電電源電路。由于LPC2114使用兩組電源，I／，內核及片內外設供電電源為1．8v，為了保持系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性，采用兩