CN105005332B - 变电站带电水冲洗机器人液压伺服驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种变电站带电水冲洗机器人液压伺服驱动系统，包括：6路液压伺服阀驱动器和1路手爪部分驱动器分别通过25线连接器与变电站带电水冲洗机器人连接；每一路液压伺服阀驱动器包括：输入信号经第一调理电路接入第一加法器的第一输入端，第一加法器的输出端依次经过第一比例放大电路和第一电流转换电路接入25线连接器，所述25线连接器输出反馈信号接入第二调理电路，所述第二调理电路的输出端接入第一加法器的第二输入端；本发明有益效果：针对变电站水冲洗机器人的控制需要,对变电站水冲洗机器人的运行进行有效的伺服控制；设计一系列的保护措施，充分保证了机器人的安全运行。

Description

变电站带电水冲洗机器人液压伺服驱动系统

技术领域

本发明涉及变电站水冲洗机器人领域，尤其涉及一种变电站带电水冲洗机器人液压伺服驱动系统。

背景技术

变电站设备因在户外运行，设备表面形成污秽层，遇潮湿极易发生污闪，造成大面积停电事故。需定期对变电站绝缘子等设备表面上的污物进行带电清洗。传统的清洗方法大多是由清洗技术人员手持冲洗设备进入现场进行作业，人工冲洗不仅依赖于天气情况，还需要清洗人员具备较高技术水平及熟练的操作流程，对绝缘子进行带电水冲洗时需要高规格的安全防护，以避免短路电流造成的安全事故，引发人员伤亡，这类作业方式存在安全隐患；因此，带电水冲洗机器人应运而生。

带电水冲洗机器人有6个自由度及手爪组成，由液压源驱动，液压伺服阀控制。为能够控制水冲洗机器人的运动，需对其各关节的液压伺服阀进行有效控制，以便精确控制机器人的冲洗位置。现有的机器人伺服驱动系统存在如下缺陷：

(1)现有的液压伺服驱动系统不能精确控制各关节的运动，并且关节在运动过程中，经常容易出现抖动或者因为电流过大而损坏内部设备的情况。

(2)在遇到电压过大时，极易损害伺服阀线圈，造成了使用成本的增加。

(3)液压伺服阀存在零点泄漏，在断电和液压卸荷时，机器人机械臂不能立即停止运动，常常会出现颤抖现象。

发明内容

本发明提供了一种变电站带电水冲洗机器人液压伺服驱动系统，该系统针对7自由度液压水冲洗机器人的伺服控制器，能够驱动和控制液压伺服阀的运行，进而控制机器人的运行。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种变电站带电水冲洗机器人液压伺服驱动系统，包括：多路液压伺服阀驱动器、手爪部分驱动器和连接器；所述每一路液压伺服阀驱动器和手爪部分驱动器分别与连线器连接，所述连线器分别连接变电站带电水冲洗机器人的电磁阀和伺服阀；

给定电压Ui1控制液压伺服阀的开通位置，机器人位置反馈电位器给出反馈电压Ui2，所述两个电压信号输入液压伺服阀驱动器或手爪部分驱动器进行加法或减法运算，经过电流转换后，输出电流信号给液压伺服阀控制机器人的运动，使机器人各关节到达给定位置。

所述多路液压伺服阀驱动器为6路液压伺服阀驱动器；所述每一路液压伺服阀驱动器包括：输入信号经第一调理电路接入第一加法器的第一输入端，第一加法器的输出端依次经过第一比例放大电路和第一电流转换电路接入25线连接器，所述25线连接器输出反馈信号接入第二调理电路，所述第二调理电路的输出端接入第一加法器的第二输入端；

所述第一比例放大电路还与第一放大倍数调节电路连接，所述第一电流转换电路还与第一限流电路连接；所述第一加法器还与第一零点调节电路连接。

所述手爪部分驱动器包括：

输入信号经过第三调理电路接入第二加法器的第一输入端，第二加法器的输出端依次经过第二比例放大电路和第二电流转换电路接入25线连接器，所述25线连接器输出反馈信号接入第四调理电路，所述第四调理电路的输出端经过光MOS继电器后接入第二加法器的第二输入端；

所述第二比例放大电路还与第二放大倍数调节电路连接，所述第二电流转换电路还与第二限流电路连接；所述第二加法器还与第二零点调节电路连接。

所述6路液压伺服阀驱动器中的3路液压伺服阀驱动器集成在一块3路液压伺服阀驱动电路板上，另外3路液压伺服阀驱动器和1路手爪部分驱动器集成在一块4路液压伺服阀驱动电路板上，所述两块电路板通过插座软线连接。

所述3路液压伺服阀驱动电路板还包括：供电电源和电磁阀控制开关；所述电磁阀控制开关用于控制电磁阀的通断；

所述供电电源与电磁阀控制开关的一端连接，电磁阀控制开关的另一端接端子；若所述端子接地，则电磁阀接通，液压接入机械臂，若所述端子空置，则电磁阀断开，液压断开。

所述第一调理电路或者第二调理电路为由运放构成的射随器，起阻抗变换功能。

所述零点调节电路和比例放大电路具体为：

比例放大器U2的正向输入端端经电阻R2后接地，比例放大器U2的反向输入端经电阻R1连接反馈信号Ui2，比例放大器U2的输出端依次串联电阻R4、放大器倍数调节电位器W1后与反向输入端连接，比例放大器U2的反向输入端经电阻R3与零点调节电位器连接。

所述限流电路具体为：

三极管Q1的基极依次串联二极管D1、二极管D2和电阻R5后与三极管Q1的发射极连接，三极管Q1的基极经过电阻R6与三极管Q1的集电极连接。

本发明的有益效果：

1.针对变电站水冲洗机器人的控制需要,对变电站水冲洗机器人的运行进行有效的伺服控制。

2.为使变电站水冲洗机器人能够安全运行，设计一系列的保护措施，充分保证了机器人的安全运行，具体包括：使用限流电路，可以防止反馈电压过大，保护液压伺服阀线圈的使用安全；使用静态零点调整，可以准确调节机器人机械臂的静态零点；加入放大倍数调整，通过调整输出电压倍率控制输出电流，控制机器人的关节运动速度。

使用光MOS继电器，光MOS继电器由光电二极管信号控制，而非线圈控制，并且继电器导通电阻小，能够起到电路通断作用，同时保证电路中不会产生电磁干扰。

3.系统不仅能够应用于变电站水冲洗机器人的伺服控制，还可应用到相关的液压驱动机器人的伺服驱动控制。

附图说明

图1为本发明液压伺服阀驱动器结构示意图；

图2为本发明手爪部分结构示意图；

图3为本发明3路液压伺服阀驱动电路板结构示意图；

图4为本发明4路液压伺服阀驱动电路板结构示意图。

图5为本发明调理电路原理示意图。

图6为本发明零点调节和放大倍数调节原理示意图。

图7为本发明限流电路原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

本系统是针对7自由度液压水冲洗机器人的伺服控制器，通过驱动和控制液压伺服阀的运行，进而控制机器人的准确运行。

变电站带电水冲洗机器人液压伺服驱动系统，包括：6路液压伺服阀驱动器和1路手爪部分驱动器，所述6路液压伺服阀驱动器和1路手爪部分驱动器分别通过25线连接器与变电站带电水冲洗机器人连接；控制信号，反馈信号，输入输出信号，机械臂供电电源等均由25线插座和机器人相连接。

每一路液压伺服阀驱动器如图1所示，包括：输入信号经第一调理电路接入第一加法器的第一输入端，第一加法器的输出端依次经过第一比例放大电路和第一电流转换电路接入25线连接器，所述25线连接器输出反馈信号接入第二调理电路，所述第二调理电路的输出端接入第一加法器的第二输入端；

第一比例放大电路还与第一放大倍数调节电路连接，所述第一电流转换电路还与第一限流电路连接；所述第一加法器还与第一零点调节电路连接。

输入信号用于设定关节运动的目标位置。

①输入信号、反馈信号调理电路：通过射随器进行信号调理，同时进行阻抗匹配和幅度匹配调理。

②加法器电路：调理后信号进行加法运算。

③比例放大电路：比例放大电路具有放大倍数调节的功能，通过调节放大倍数，控制各关节的运动速度，到机器人最佳运动状态。每一关节都需进行调节，使机器人运动流畅，无抖动。机器人到达目标位置时平稳，停止运动。

放大倍数的调节范围为1—20倍连续调节。

④电流转换电路是将电压信号转换为±20mA电流信号，控制液压伺服阀的运行。因液压伺服阀属贵重元件，因此，在电流转换电路内部设有限流电路，限定电流≤±20mA，保护液压伺服阀的安全使用。

⑤液压伺服阀有零点泄漏，表现在机器人机械臂上为颤抖现象。为消除机械臂的颤抖，在加法器上加入了零点调节电路。

手爪部分驱动器如图2所示，包括：

输入信号经过第三调理电路接入第二加法器的第一输入端，第二加法器的输出端依次经过第二比例放大电路和第二电流转换电路接入25线连接器，所述25线连接器输出反馈信号接入第四调理电路，所述第四调理电路的输出端经过光MOS继电器后接入第二加法器的第二输入端；

第二比例放大电路还与第二放大倍数调节电路连接，所述第二电流转换电路还与第二限流电路连接；所述第二加法器还与第二零点调节电路连接。

在加法器前面加入了光MOS继电器，为防止干扰，不能使用普通的继电器开关，而特选用光MOS继电器作为开关。通过控制光MOS继电器的通断，控制反馈信号的通断。光MOS继电器接通，反馈信号接入，手爪运行为360°旋转方式；光MOS继电器断开，反馈信号断开，手爪运行仅由输入控制，为连续运行方式。

光MOS继电器由光电二极管信号控制，非线圈控制。继电器导通电阻小，起电路通断作用，电路中又不会产生电磁干扰。

7路液压伺服驱动器集成一体，由两块电路板组成。

一块有3路液压伺服阀驱动器和供电电源组成，如图3所示；

其中，12V电源接电磁阀控制开关的一端，电磁阀控制开关的另一端接端子；若端子接地，则电磁阀接通，液压接入机械臂，若所述端子空置，则电磁阀断开，液压断开。为防止电磁阀线圈通断反压损坏设备，电源需通过二极管接入。

板子另有信号输入，3路驱动器，板间信号连接端子等组成。25线D型插座用于控制器和机器人的连接。

另一块由4路液压伺服驱动器组成，有输入信号，4路驱动电路，光MOS控制开关端子，及板间连线等。如图4所示。

图5所示为第一调理电路或者第二调理电路的原理示意图。调理电路为由运放构成的射随器，起阻抗变换功能。输入信号经射随器处理后，进入后面电路。由于射随器的处理，输入和反馈信号可以为电压、电位器等。由于调理电路的应用，拓宽了输入信号的适用范围。

图6为零点调节和放大倍数调节电路原理示意图。

图6中，零点调节电位器W2输出经加法器和Ui2相加。进入放大器。

图6放大电路部分，在反馈环节加入电位器W1，通过调节电位器W1的阻值调节系统的放大倍数，控制后续电流的输出，以控制机器人伺服阀的开度，达到控制机器人关节运动速度的目的。放大倍数调节范围为1—20倍。

图7为限流电路原理示意图。

限流电路原理如下：

V1为电压输入电压，V4为输出电压，同时V4端输出电流信号。在二极管D1通道中，

V2＝V1+Vbe＝V1+0.7V

V3＝V2-Vbe＝V1

R5＝35Ω，VR5＝35×Io

当Io<20mA时，V4＝V3-VR5＝V3-IoR5，VR5＝35×Io<0.7V，二极管D2截止。

当Io＝20mA时，VR5＝35×0.02＝0.7V，V4＝V3-0.7V＝V1-0.7V。

在二极管D2通道中，V4＝V1-0.7V。这时二极管D1，D2两个通道电压平衡。

当Io>20mA时，VR5＝35×Io>0.7V，二极管D2导通，这时输入电压V1下降，使输出电流下降。达到限流目的。

变电站带电水冲洗机器人液压伺服驱动系统，完成了对液压伺服阀的闭环控制功能。由给定电压控制液压伺服阀的开通位置，机器人位置反馈电位器给出反馈电压。这两个电压信号进行加法或减法运算，输出电流信号给液压伺服阀控制机器人的运动，使机器人各关节逐渐到达给定位置。当各关节到达给定位置时，输出电流控制信号也趋于零，机器人停止运动。

根据系统特点，系统加入了消除液压伺服阀泄漏的调零功能，驱动液压伺服阀的过流保护功能，由电磁阀控制液压源是否有效的液压使能功能等。首次将光MOS继电器应用到手爪控制，由光MOS继电器的开关控制手爪作360°或连续旋转运动。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种变电站带电水冲洗机器人液压伺服驱动系统，其特征是，包括：多路液压伺服阀驱动器、手爪部分驱动器和连接器；每一路液压伺服阀驱动器和手爪部分驱动器分别与连线器连接，所述连线器分别连接变电站带电水冲洗机器人的液压电磁阀和液压伺服阀；

给定电压Ui1控制液压伺服阀的开通位置，机器人位置反馈电位器给出反馈电压Ui2，两个电压信号输入液压伺服阀驱动器或手爪部分驱动器进行加法或减法运算，经过电流转换后，输出电流信号给液压伺服阀控制机器人的运动，使机器人各关节到达给定位置；

所述手爪部分驱动器包括：

输入信号经过第三调理电路接入第二加法器的第一输入端，第二加法器的输出端依次经过第二比例放大电路和第二电流转换电路接入25线连接器，所述25线连接器输出反馈信号接入第四调理电路，所述第四调理电路的输出端经过光MOS继电器后接入第二加法器的第二输入端；

所述第二比例放大电路还与第二放大倍数调节电路连接，所述第二电流转换电路还与第二限流电路连接；所述第二加法器还与第二零点调节电路连接。

2.如权利要求1所述的一种变电站带电水冲洗机器人液压伺服驱动系统，其特征是，所述多路液压伺服阀驱动器为6路液压伺服阀驱动器；所述每一路液压伺服阀驱动器包括：输入信号经第一调理电路接入第一加法器的第一输入端，第一加法器的输出端依次经过第一比例放大电路和第一电流转换电路接入25线连接器，所述25线连接器输出反馈信号接入第二调理电路，所述第二调理电路的输出端接入第一加法器的第二输入端；

所述第一比例放大电路还与第一放大倍数调节电路连接，所述第一电流转换电路还与第一限流电路连接；所述第一加法器还与第一零点调节电路连接。

3.如权利要求2所述的一种变电站带电水冲洗机器人液压伺服驱动系统，其特征是，所述6路液压伺服阀驱动器中的3路液压伺服阀驱动器集成在一块3路液压伺服阀驱动电路板上，另外3路液压伺服阀驱动器和1路手爪部分驱动器集成在一块4路液压伺服阀驱动电路板上，两块电路板通过插座软线连接。

4.如权利要求3所述的一种变电站带电水冲洗机器人液压伺服驱动系统，其特征是，所述3路液压伺服阀驱动电路板还包括：供电电源和电磁阀控制开关；所述电磁阀控制开关用于控制电磁阀的通断；

所述供电电源与电磁阀控制开关的一端连接，电磁阀控制开关的另一端接端子；若所述端子接地，则电磁阀接通，液压接入机械臂，若所述端子空置，则电磁阀断开，液压断开。

5.如权利要求2所述的一种变电站带电水冲洗机器人液压伺服驱动系统，其特征是，所述第一调理电路或者第二调理电路为由运放构成的射随器，起阻抗变换功能。

6.如权利要求2所述的一种变电站带电水冲洗机器人液压伺服驱动系统，其特征是，所述零点调节电路和比例放大电路具体为：

比例放大器U2的正向输入端端经电阻R2后接地，比例放大器U2的反向输入端经电阻R1连接反馈信号Ui2，比例放大器U2的输出端依次串联电阻R4、放大器倍数调节电位器W1后与反向输入端连接，比例放大器U2的反向输入端经电阻R3与零点调节电位器连接。

7.如权利要求1所述的一种变电站带电水冲洗机器人液压伺服驱动系统，其特征是，所述限流电路具体为：

三极管Q1的基极依次串联二极管D1、二极管D2和电阻R5后与三极管Q1的发射极连接，三极管Q1的基极经过电阻R6与三极管Q1的集电极连接。