专利名称：高压带电作业机器人专用遥控剥皮器控制器的制作方法
技术领域：
高压带电作业机器人专用遥控剥皮器控制器技术领域[0001]本实用新型属于高压带电作业电动工具控制系统领域，特别涉及一种发送、接 收无线信号并进行电机电流闭环控制，以便控制高压带电作业机器人配电线路专用剥皮 器的转动方向、速度和转矩的高压带电作业机器人专用遥控剥皮器控制器。
背景技术：
[0002]为了提高带电作业的自动化水平和安全性，减轻操作人员的劳动强度和强电磁 场对操作人员的人身威胁，从80年代起许多国家都先后开展了带电作业机器人的研究， 如日本、西班牙、美国、加拿大、法国等国家先后开展了对带电作业机器人的研究。 2002年我国也进行了高压带电作业机器人产品化样机的研制。目前带电作业所用的剥皮 器工具是高压带电作业机器人的专用作业工具，其主要功能是剥除IOKV配电线路绝缘外 皮，为完成其他作业任务做好准备。目前应用的剥皮器工具多是手动控制，操作安全性 不高，不适合高压带电作业机器人作业的需要。发明内容[0003]本实用新型的目的在于解决下述问题，提供一种高压带电作业机器人专用遥控 剥皮器控制器，它采用无线遥控的方式，以ATMEGAU8作为主控制器，电源模块具 有过压、过流、低压、防反接保护功能，选用集成度高的电机驱动芯片，采用积分分离 PID控制电流反馈方法，可以对高压带电作业机器人遥控剥皮器进行速度、方向和扭矩控 制。这种遥控剥皮器通过遥控器进行远程控制，比手动剥皮器更加安全、可靠，操作也 更加方便，满足高压带电机器人作业任务的要求。[0004]为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案[0005]一种高压带电作业机器人专用遥控剥皮器控制器，它由发射启动遥控器和接收 与电机驱动器组成；其中所述发射启动遥控器包括微处理器I，它与人机接口单元连接， 同时微处理器I还与无线通信单元连接；所述接收与电机驱动器包括无线接收器，无线接 收器与微处理器II连接，微处理器II通过转换电路与电机驱动电路连接，电机驱动电路 与电机连接；同时，微处理器I、微处理器II和电机驱动电路分别与电源连接；电机驱动 电路通过电流反馈电路与微处理器II构成闭环连接。[0006]所述人机接口单元包括键盘和状态指示单元，它们分别与微处理器I连接。[0007]所述微处理器II输出使能信号到电机驱动电路，电机驱动电路为PWM功率驱动直ο[0008]所述微处理器I和微处理器II均采用ATMEGA128芯片。[0009]所述无线通信单元包括调制编码信号电路，它的输入端与微处理器I连接，输出 端与载波振荡电路输入端连接，载波振荡电路输出端与无线放大发射电路输入端连接。[0010]所述电流反馈电路包括电流传感器、运算放大器，电流传感器采集电机驱动电 路的电流，送入运算放大器，放大后的信号送入微处理器II，微处理器II控制电机驱动电3[0011]所述电源电路包括12V升压芯片MAX734，其6脚经一二极管与电感L3串 联，电感L3—端经电容C8接地，另一端通过串联的电阻R3和LED3接地；升压芯片 MAX734的1脚与6脚间连接电感L4，同时1脚还与电容C6连接；3脚与电容C5连接， 同时1脚还经反接的二极管Dl与78L05芯片输入连接，78L05芯片产生5V电源；78L05 芯片的输出端与电感Ll连接，电感Ll输出5V电压，同时电感Ll的该端还分别经过电 容C4以及串联的电阻R2、LED2接地；78L05芯片的输入端还与电容C3连接，接头P3 通过自恢复保险丝LT160与该输入端连接；自恢复保险丝LT160还与自恢复保险丝LT260 一端连接，自恢复保险丝LT^O另一端则与接头P1、电容Cl、串联的电阻Rl和LEDl 以及电容C2并联。[0012]本实用新型的无线遥控剥皮器控制器，由发射启动遥控器和接收与电机驱动器 组成。其中，发射启动遥控器由下述部分组成，包括微处理器I、无线通信单元、人机接 口单元和状态指示单元；[0013]无线通信单元负责射频信号的发射，调制编码信号电路输出端经过载波振荡电 路和无线放大发射电路输出调制载波编码信号。[0014]微处理器I负责射频部分的调制编码信号处理，以及对人机接口单元的输入处理 以及状态的输出指示。[0015]人机接口单元包括键盘和状态指示单元，它用来完成人机交互的工作，包括启 动剥皮器驱动器的上电/掉电、电机速度、电机方向的控制。[0016]状态指示单元完成信号发送状态的指示。[0017]无线接收与电机控制器，包括无线接收器、微处理器II、DA转换电路、电机驱 动电路、电机、电流反馈电路、供电电源。其中[0018]无线接收器，用于接收来自遥控器的无线信号，并进行解码处理，输出到微处 理器；[0019]微处理器器II，用来接收来自无线接收器或其他部分的信息并进行判断和处 理；[0020]DA转换电路，它连接至微处理器II和电机驱动电路，用于接收微处理器II的输 出模拟控制信号；[0021]电机驱动电路，它连接至DA转换电路和微处理器II，用于在接收到微处理器的 开关信号下控制驱动电路的上电/掉电和接收到DA转换电路的控制下输出驱动信号；[0022]电机，它连接至所述电机驱动电路，用来在所述驱动信号的控制下按所需要的 方向、速度和转矩旋转；[0023]电流反馈电路，由电流传感器、运算放大器构成。通过电流传感器采集电机驱 动电路的电流，经过单电源运算放大器放大后，接到微处理器II的AD转换接口，并加上 积分分离PID控制算法，以便输出扭矩快速稳定在要求水平。[0024]电源电路，电源电路带过压、过流、低压、防反接保护，向两个微处理器、无 线接收器、电机驱动电路等各电路提供电源。[0025]为了适应高压带电作业机器人应用的要求，本实用新型采用高集成度驱动模 块，并由ATMEGAU8单片机控制，带过流、过载、过压保护。这种剥皮器工具遥操作控制系统通过遥控器进行远程控制，比手动剥皮器工具更加安全、可靠，操作也更加方 便，满足了高压带电机器人作业任务的要求。[0026]采用上述方案，本实用新型具有以下优点，一是剥皮器遥操作控制器通过遥控 器进行远程控制，比手动剥皮器工具更加安全、可靠，操作也更加方便，满足了高压带 电机器人作业任务的要求。二是电源电路带过压、过流、低压、防反接保护，可靠性 高。三是本遥控器可以进行无极变速，正反转控制，控制灵活，可靠性高。三是本剥皮 器控制器带有电流反馈控制，并采用积分分离PID控制算法，消除剥皮器工作不稳定对 控制系统动态性能的影响。四是剥皮器控制器与其他工具控制通用，便于今后工具系列 化。
[0027]图1是本实用新型通用遥控器的组成图；[0028]图2是本实用新型接收与电机控制器的组成图；[0029]图3是本实用新型电源电路图；[0030]图4是本实用新型电机驱动与电流反馈电路图；[0031]图5是本实用新型电流反馈控制原理框图；[0032]图6是本实用新型积分分离PID控制程序流程图。[0033]其中，1.微处理器I，2.键盘，3.状态指示单元，4.调制编码信号电路，5.载波 振荡电路，6.无线放大发射电路，7.无线接收器，8.微处理器II，9.D/A转换电路，10.电 机驱动电路，11.电机，12.电源，13.电流反馈电路，14.电流传感器，15.运算放大器具体实施方式
[0034]
以下结合附图与实施例对本实用新型做进一步说明。[0035]本实用新型由发射启动遥控器和接收与电机驱动器组成；[0036]其中所述发射启动遥控器如图1所示，它包括微处理器II，它与人机接口单元连 接，同时微处理器Il还与无线通信单元连接；人机接口单元包括键盘2和状态指示单元 3，它们分别与微处理器Il连接。无线通信单元包括调制编码信号电路4，它的输入端与 微处理器Il连接，输出端与载波振荡电路5输入端连接，载波振荡电路5输出端与无线 放大发射电路6输入端连接。[0037]当发射启动遥控器要向剥皮器发送控制命令时，微处理器Il根据采集键盘2的 数据，得到相应的控制指令，并交给无线通信单元电路；无线通信单元电路完成调制、 载波振荡、功率放大后，将控制信号以射频的形式发送出去。[0038]图2中，所述接收与电机驱动器包括无线接收器7，无线接收器7与微处理器 118,微处理器118通过D/A转换电路9与电机驱动电路10连接，电机驱动电路10与电 机11连接；同时，微处理器II、微处理器Π8和电机驱动电路10分别于电源12连接； 电机驱动电路10通过电流反馈电路13与微处理器Π8构成闭环连接。微处理器Π8还输 出使能信号到电机驱动电路10。[0039]无线接收器7用于接收来自遥控器的无线信号，并进行解码处理，输出到微处 理器Π8 ；微处理器118用来接收来自无线接收器或其他部分的信息并进行判断和处理；D/A转换电路9连接至微处理器Π8和电机驱动电路10，用于接收微处理器118的控制下 输出模拟控制信号；电机驱动电路10连接至DA转换电路9和微处理器118，用于在接收 到微处理器118的开关信号下控制电机驱动电路10的上电/掉电和接收到DA转换电路9 的控制下输出驱动信号；电机11连接至所述电机驱动电路10，用来在所述驱动信号的控 制下按所需要的方向、速度和转矩旋转；电流反馈电路13由电流传感器14、运算放大器 15构成，它通过采集电机驱动电路10的电流，经过单电源运算放大器15，接到微处理 器118的AD转换接口，并加上积分分离PID控制算法，以便输出扭矩快速稳定在要求水 平；电源12带过压、过流、低压、防反接保护，向所述两个微处理器、无线接收器7、 电机驱动电路10等各个需要供电的电路提供电源。[0040] 电流反馈电路13包括电流传感器14、运算放大器15，电流传感器14采集电机 驱动电路10的电流，送入运算放大器15，放大后的信号送入微处理器118，微处理器118 采用积分分离PID控制算法处理后控制电机驱动电路10。 微处理器Il和微处理器118均采用ATMEGA128芯片。[0042]图3中电源电路10带过压、过流、低压、防反接保护。[0043]它包括12V升压芯片MAX734，其6脚经一二极管与电感L3串联，电感L3 — 端经电容C8接地，另一端通过串联的电阻R3和LED3接地；升压芯片MAX734的1脚 与6脚间连接电感L4，同时1脚还与电容C6连接；3脚与电容C5连接，同时1脚还经 反接的二极管Dl与78L05芯片输入连接，该芯片产生5V电源。该芯片的输出端与电感 Ll连接，电感Ll输出5V电压，同时电感Ll的该端还分别经过电容C4以及串联的电阻 R2、LED2接地。该芯片的输入端还与电容C3连接，接头P3通过自恢复保险丝LT160 与该输入端连接；自恢复保险丝LT160还与自恢复保险丝LT260 —端连接，自恢复保险 丝LT^O另一端则与接头Pl连接，同时该端还与电容Cl、串联的电阻Rl和LEDl以及 电容C2并联。[0044]为了防止电机驱动电路10和微处理器118相互干扰，通过一个电感L2实现不 共地。为了微处理器Π8和电机驱动电路10发生短路，在前序电路都加上自恢复保险丝 LT260> LT160。[0045]剥皮器在作业过程中，由于受力不均勻，电压会被拉低，所以在电源部分加上 了 12V升压芯片MAX734，产生基准电源+12V，给电机驱动芯片供基准电压。由于电 池充满时，电压能达14.4V，超过了 MAX734的供电电压，所以在MAX734的前端反接 了个3.3V稳压二极管D1。通过78L05产生5V的电源，给所述两个微处理器供电。Pl 端子给电机驱动电路10供电。P2端子给接5V、+12V。[0046]图4中，电机驱动电路10采用PWM功率驱动装置，它利用大功率管的开关特 性来调制直流电源，使其按固定的频率通、断。改变一个周期内通、断时间的长短，即 改变输出电压的“占空比”，从而改变平均电压，控制输出功率。其结构可分为两大部 分从主电源将能量传递给负载的电路称为功率转换电路，其余部分为控制电路。[0047]功率转换电路包括桥式驱动电路，它12v电源连接；输出端通过RC阻容网络 与电机11连接，以抑制瞬时泵升电压的产生。电阻选用100欧姆2W，电容选择IOOOpf 100V。[0048]控制电路改变脉冲占空比可以实现电动机转速的调节，但首先需要将控制转速的指令信号转换为具有相应占空比的脉冲信号。它包括阳5定时器，555定时器外接 270pf的电容产生45KHZ的三角波。270pf的电容与比较器一输入端连接，该输入端还分 别与连个电感串联后接12V电源，这个两个电感也与555定时器连接；比较器另一输入 端接指令信号，输出端则输出PWM信号到桥式驱动电路。[0049]当控制指令信号电压大于或等于三角波电压时，输出信号为比较器电源正电压 Ucc;当控制指令信号小于三角波电压时，输出信号为电源地信号0V。[0050]所述电流反馈电路包括电流传感器14，它接在桥式驱动电路的两端，电流传感 器14两端还分别经过一个二极管接地，同时这两端还分别通过电阻R2和电阻R3与运算 放大器15—端连接，电阻R2还净电阻R4接地；运算放大器另一端经过电阻Rl接地， 同时该端还经过电阻Rf与输出端反馈连接，输出端与微处理器118连接。[0051]它通过0.01欧姆精密电阻对电流取样，取样电流经过单电源运算放大器LM324 的相加和放大10倍后，接到微处理器118的AD转换接口。[0052]图5、图6中，本实用新型在电流反馈环节加上了积分分离PID控制算法，电流 传感器14采集电机驱动电路10的电流值i(k)，通过与给定的电流值r(k)相比较，产生 的差值经过积分分离PID算法处理，输出控制信号控制驱动器输出驱动信号。设ε为 PID控制算法的积分分离阀，在控制过程中，当|e(k)|> ε时，采用PD控制，以减少超 调量；当|e(k) 一 ε时，则采用PID控制，以保证电流反馈控制精度。
权利要求1.一种高压带电作业机器人专用遥控剥皮器控制器，其特征是，它由发射启动遥控 器和接收与电机驱动器组成；其中所述发射启动遥控器包括微处理器I，它与人机接口单 元连接，同时微处理器I还与无线通信单元连接；所述接收与电机驱动器包括无线接收 器，无线接收器与微处理器II连接，微处理器II通过转换电路与电机驱动电路连接，电 机驱动电路与电机连接；同时，微处理器I、微处理器II和电机驱动电路分别与电源连 接；电机驱动电路通过电流反馈电路与微处理器II构成闭环连接。
2.如权利要求1所述的高压带电作业机器人专用遥控剥皮器控制器，其特征是，所述 人机接口单元包括键盘和状态指示单元，它们分别与微处理器I连接。
3.如权利要求1所述的高压带电作业机器人专用遥控剥皮器控制器，其特征是，所述 微处理器II输出使能信号到电机驱动电路，电机驱动电路为PWM功率驱动装置。
4.如权利要求1所述的高压带电作业机器人专用遥控剥皮器控制器，其特征是，所述 微处理器I和微处理器II均采用ATMEGA128芯片。
5.如权利要求1所述的高压带电作业机器人专用遥控剥皮器控制器，其特征是，所述 无线通信单元包括调制编码信号电路，它的输入端与微处理器I连接，输出端与载波振荡 电路输入端连接，载波振荡电路输出端与无线放大发射电路输入端连接。
6.如权利要求1所述的高压带电作业机器人专用遥控剥皮器控制器，其特征是，所述 电流反馈电路包括电流传感器、运算放大器，电流传感器采集电机驱动电路的电流，送 入运算放大器，放大后的信号送入微处理器II，微处理器II控制电机驱动电路。
7.如权利要求1所述的高压带电作业机器人专用遥控剥皮器控制器，其特征是，所述 电源电路包括12V升压芯片MAX734，其6脚经一二极管与电感L3串联，电感L3 —端 经电容C8接地，另一端通过串联的电阻R3和LED3接地；升压芯片MAX734的1脚与 6脚间连接电感L4，同时1脚还与电容C6连接；3脚与电容C5连接，同时1脚还经反 接的二极管Dl与78L05芯片输入连接，78L05芯片产生5V电源；78L05芯片的输出端 与电感Ll连接，电感Ll输出5V电压，同时电感Ll的该端还分别经过电容C4以及串联 的电阻R2、LED2接地；78L05芯片的输入端还与电容C3连接，接头P3通过自恢复保 险丝LT160与该输入端连接；自恢复保险丝LT160还与自恢复保险丝LT260 —端连接， 自恢复保险丝LT260另一端则与接头P1、电容Cl、串联的电阻Rl和LEDl以及电容C2 并联。
专利摘要本实用新型涉及一种高压带电作业机器人专用遥控剥皮器控制器。它由发射启动遥控器和接收与电机驱动器组成；其中所述发射启动遥控器包括微处理器I，它与人机接口单元连接，同时微处理器I还与无线通信单元连接；所述接收与电机驱动器包括无线接收器，无线接收器与微处理器II连接，微处理器II通过转换电路与电机驱动电路连接，电机驱动电路与电机连接；同时，微处理器I、微处理器II和电机驱动电路分别与电源连接；电机驱动电路通过电流反馈电路与微处理器II构成闭环连接。它可以对高压带电作业机器人遥控剥皮器进行速度、方向和扭矩控制，通过遥控器进行远程控制，比手动剥皮器更加安全、可靠，操作也更加方便，满足高压带电机器人作业任务的要求。
文档编号G05B19/042GK201812169SQ20102025352
公开日2011年4月27日 申请日期2010年7月12日 优先权日2010年7月12日
发明者戚晖, 李健, 赵玉良, 陈凡明 申请人:山东电力研究院