基于嵌入式系统和CAN总线的检修机械臂控制系统

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        以蒸汽发生器六自由度检修机械臂为应用背景,给出六自由度检修机械臂的硬件体系结构和上下位机软件设计方法。本设计方法在检修机械臂控制系统的设计开发中取得了良好的效果。
          

       蒸汽发生器(Steam Generator)是核动力装置中一、二回路之间的连接枢纽,也是核动力装置运行中发生故障最多的设备之一。蒸汽发生器的故障大多是由于各种腐蚀使传热管或管与管板接头处发生泄漏,从而影响动力装置的安全运行。由于蒸汽发生器中存在放射性物质,当发生泄漏时,人不能进入其中进行维修,这时就需要机械臂代替人完成维修工作。机械臂检修系统即通过六自由度机械臂对蒸汽发生器内部进行检修和维护。该机械臂有六个关节,六轴联动;主要用于蒸汽发生器(SG)一回路侧检修活动。机械臂的手端装有适配器,可以携挂不同的检修工具,即可根据需要对蒸汽发生器实施不同程度的维护。
   

       由于该机械臂的工作环境的特殊性,所以对机械臂整个控制系统的可靠性提出了更高的要求,这就需要良好的硬件电路设计、功能更强大的微处理器和更好的软件实现方法。本文以蒸汽发生器六自由度检修机械臂为应用背景,给出六自由度检修机械臂的硬件体系结构和上下位机软件设计方法。在硬件上采用TI公司的TMS320LF2407处理器作为主控制芯片组成SMC控制器,采用工控机作为监控计算机,SMC控制器与监控计算机用CAN总线连接。监控计算机主要完成机械臂控制算法、数据记录以及实时监控,SMC控制器实现机械臂的控制、传感器数据采集与通讯功能。在软件上,SMC控制器采用μC/OS-II嵌入式实时操作系统,并采用模块化程序设计方法,方便软件系统管理和后续升级,在监控计算机上采用Visual C++与OpenGL设计监控软件。

       1 检修机械臂系统描述
   

       机械臂控制系统的组成框图如图1所示。

                 

        
      系统主要由分布在三个区域的装置组成。

       (1)位于核反应堆厂房外面的集装箱内的配电系统和监控系统;

       (2)位于蒸汽发生器附近的SMC控制器,最大距离可达到100m;

       (3)位于蒸汽发生器下封头附近的机械臂本体、检修工具、监控摄像头,其中集装箱与SMC控制器最大距离可达到150m。
   

       下面介绍三部分之间的连接关系及主要功能。
   

       (1)集装箱与SMC控制器:

       ①由集装箱内配电系统向SMC控制器提供220VAC、48VAC等电源输出;

       ②集装箱内监控系统与SMC控制器采用现场总线通讯;

       ③集装箱内监控系统向SMC控制器提供远程复位(Reset)信号;④SMC控制器向集装箱内监控系统提供自身工作状态信号。
   

        (2)SMC控制器与机械臂本体:①SMC控制器向机械臂本体各直流伺服电机分别提供PWM直流伺服驱动信号;②SMC控制器向机械臂本体各旋转变压器提供中频励磁信号;③SMC控制器向机械臂本体安装偏差检测电位器提供激励信号;④R旋转变压器向SMC控制器提供角度反馈信号;⑤偏差检测电位器向SMC控制器提供偏差检测信号。
   

       (3)集装箱与机械臂本体:①由集装箱内配电系统向机械臂本体供应检修工具电源、监控摄像头电源、散热装置电源;②SG附近监控摄像头向集装箱内监控系统提供监控视频。
   

       由于机械臂控制算法计算量大、控制复杂,所以采用上、下位机的分布式控制方法来设计整个控制系统。

       2 硬件电路设计
   

       机械臂控制系统有三个主要部件,即工控机、SMC控制器和机械臂本体。工控机主要负责机械臂控制算法、正反解算法、工作状态显示、数据记录以及实时监控,保持与SMC控制器中六个关节控制板的实时通讯;SMC控制器是机械臂的直接控制部件,它接收工控机通过CAN通讯传过来的机械臂角度、速度及加速度信息,对机械臂本体进行相应的控制,同时将机械臂的关节角度及运行状态参数通过CAN通讯传给工控机,机械臂本体接收SMC控制器的指令,并按照指令要求做出机械动作,并将角度信号反馈给SMC控制器。

       2.1 SMC控制器硬件电路设计
   

       系统的硬件框图如图2所示。系统处理器采用TI公司的TMS320LF2407,它是TI公司新推出的高性能16位数字信号处理器,是24X家族中的新成员,专门为电极控制与运动控制数字化实现而设计。完全履行CAN2.0规范,支持11位标准和29位扩展标识符,完全能满足系统对电机控制与CAN通讯功能。

                  
   

        (1)为了反馈关节电机的位置,提高控制精度,使系统运行更加平稳,在电机轴上和减速器后分别安装了一只位置检测元件旋转变压器,用旋转变压器-数字转换器(RDC)进行轴角解码,将关节的位置转换成21位的自然二进制码送给DSP,实现位置反馈。
   

        (2)电机选取瑞士MAXON公司的RE系列石墨电刷直流电机,额定电压为24V,电源由一个24V的开关电源提供。电机驱动桥采用SA60脉冲调制型的运算放大器,原理图如图3所示。它能给负载提供10A的连续电流,全桥运放可在较宽的电源电压范围内工作。

                           
     (3)关节电机电流检测采用电流霍尔器件,经过运算放大器输入到DSP的A/D转换中,用于检测机械臂关节电机是否过流,由此判断关节电机是否堵转。

       2.2 通讯接口设计

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