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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更新于2008-07-30 11:57:38

嵌入式系统 CAN 工控机 机械臂 蒸汽发生器 监控

　　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。

文章出处：电子技术应用 作者：陆军 刘其端 朱齐丹

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