CN110701428B - 一种用于管道检测机器人的内置电流闭环电机驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及管道机器人电机驱动技术领域，提供一种用于管道检测机器人的内置电流闭环电机驱动器，集成度高，大幅减小了微控制器的运算量，降低了中断优先级的配置难度，有利于管道检测机器人的正常运行。上述内置电流闭环电机驱动器包括单片机，单片机的信号输入端连接上一级微控制器的信号输出端，单片机的信号输出端连接H桥电路模块的信号输入端，H桥电路模块的信号输出端连接电机，H桥电路模块的信号输出端还连接电流采集电路模块的信号输入端，电流采集电路模块的信号输出端连接单片机的另一信号输入端。解决了现有电机驱动除电机驱动器外还需额外增加编码器或电流采集传感器等模块，设计成本高，微控制器数据运算量大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及管道检测机器人电机驱动技术领域，特别是涉及一种用于管道检测机器人的内置电流闭环电机驱动器。
背景技术
油气管道大多埋敷于地下，为保证管道的安全使用，及时发现管道变形、腐蚀等损伤情况，需要定期进行管道内部检测，事先发现各种缺陷和损伤，了解各管段的危险程度，采取相应措施，从而有效预防和减少管线事故、节约管道维修资金。管道检测机器人是进行管道内检测的理想设备，它可以沿管道内壁自动行走，而且通常搭载有一种或多种传感器及操作机械，在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下，能够进行一系列管道检测作业。
管道检测机器人主要分为双足机器人、三足机器人、四足机器人、六足机器人等，其中三足管道检测机器人的三个支撑足绕机架中心周向均匀分布，三个支撑足能够可靠地抵住管道内壁，实现沿管道内壁的稳定行走。现有的三足管道检测机器人的电机驱动控制方式如图1所示，微控制器通过电机驱动器控制电机的转速和方向，以PWM信号控制方式为例：当微控制器向电机驱动器发出PWM信号后，根据PWM信号占空比的不同，电机的转速也会不同，理想状态下，微控制发出的PWM信号对应于电机的一个确定转速(即理论转速值)，但是受电机所带负载等情况的影响，电机实际转速值与理论转速值相比会有偏差，容易导致机器人速度失衡，使机器人的运动失控。为了解决这个问题，现有技术多采用以下两种方式：①外接光电编码器，用于测量电机的实际转速，并将测得的速度值反馈给微控制器；②外接霍尔传感器，用于测量电机的实际电流(电流也是体现速度的一种方式，电流越大速度越快)，并将测得的电流值反馈给微控制器。当微控制器获得电机当前时刻的实际转速值或实际电流值后，分析当前实际转速值与理论转速值或实际电流值与理论电流值相差多少，进而通过控制算法(如增量式PID、位置式PID等)计算得到下一时刻应输出的转速值及其对应的PWM信号占空比，并发送给电机驱动器，从而实现电机转速的修正。
但是上述方法存在以下问题：①如果采用外接光电编码器的方式，由于编码器齿轮随着啮合失效会产生所测速度周期性不均的问题，并且需要额外空间进行安装，无疑增加了设计难度，而如果采用外接霍尔传感器的方式，则需要另行定制相关电路，同样增加了电路开发难度和成本；②三足管道检测机器人的控制系统需要处理来自红外激光雷达、摄像头、漏磁模块等数十种传感器的检测数据，而微控制器的主频只有百兆左右，上述外接光电编码器或外接霍尔传感器的方式，会导致反馈数据增多，增加了微控制器的负担，导致微控制器运算量增大、处理速度不足、中断优先级配置复杂等问题。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术的管道检测机器人的电机驱动除电机驱动器外还需额外增加编码器或电流采集传感器等模块，设计成本高、微控制器数据运算量大，而提供一种集成度高、无需额外电路设计、微控制器数据运算量小的用于管道检测机器人的内置电流闭环电机驱动器。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种用于管道检测机器人的内置电流闭环电机驱动器，包括单片机，所述单片机的信号输入端连接上一级微控制器的信号输出端，所述单片机的信号输出端连接H桥电路模块的信号输入端，所述H桥电路模块的信号输出端连接电机，所述H桥电路模块的所述信号输出端还连接电流采集电路模块的信号输入端，所述电流采集电路模块的信号输出端连接所述单片机的另一信号输入端。
优选地，所述电流采集电路模块包括霍尔传感器、第一运算放大器、第二运算放大器、电阻R10、电阻R11、电阻R13、电阻R15、电阻R17、电容C19、电容C20、电容C21以及电容C22；
所述霍尔传感器的正极输入端连接所述电机，所述霍尔传感器的2管、所述第一运算放大器和所述第二运算放大器的4管、所述电阻R13的一端、所述电阻R17的一端、所述电容C19的一端、所述电容C20的一端、所述电容C21的一端以及所述电容C22的一端均连接至地；所述霍尔传感器的1管、所述第一运算放大器和所述第二运算放大器的8管、所述电容C21的另一端以及所述电阻R15的一端连接电源；
所述霍尔传感器的输出端连接所述R11的一端，所述电阻R11的另一端、所述电容C20的另一端连接所述第二运算放大器的同相输入端，所述第二运算放大器的反相输入端连接所述第二运算放大器的输出端，所述第二运算放大器的所述输出端连接所述电阻R10的一端，所述R10的另一端、所述电阻R13的另一端、所述电容C19的另一端连接所述第一运算放大器的同相输入端，所述第一运算放大器的输出端和所述第一运算放大器的反相输入端连接在一起，所述电阻R15的另一端、所述电阻R17的另一端、所述电容C22的另一端连接在一起。
优选地，所述电阻R10、所述电阻R11、所述电阻R13、所述电阻R15和所述电阻R17均为1KΩ，所述电容C19、所述电容C20、所述电容C21和所述电容C22均为100nF。
优选地，所述霍尔传感器采用ACS758LCB-50B，所述第一运算放大器和所述第二运算放大器采用LMV358，所述单片机采用STM32F103RCT6。
优选地，所述电机采用直流有刷电机。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明提供的用于管道检测机器人的内置电流闭环电机驱动器，内置电流闭控制环电路，用于监测和修正电机实际转速，集成度高，大幅减小了微控制器的运算量，并且减少了微控制器处理中断的种类，降低了中断优先级的配置难度，有利于管道检测机器人的正常运行。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是现有三足管道检测机器人的电机驱动控制方式示意图；
图2是本发明涉及管道检测机器人的结构示意图一；
图3是本发明涉及管道检测机器人的结构示意图二；
图4是本发明内置电流闭环电机驱动器的控制原理图；
图5是本发明内置电流闭环电机驱动器中电流采集电路模块的示意图；
图6是本发明中所采用单片机STM32F103RCT6的最小系统示意图；
图7是本发明中内置电流闭环电机驱动器中H桥电路模块的示意图。
图中附图标记表示为：1-主体支架，2-连接支架，3-底部支架，4-履带轮，5-第一延伸支架，6-电动推杆，7-电机，8-第二延伸支架。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明涉及的管道检测机器人是三足履带式管道检测机器人，其具体结构如图2、3所示。所述三足履带式管道检测机器人包括主体支架1和绕所述主体支架1周向均布的三组行走组件(即支撑足)，所述支撑足包括底部支架3和设置在所述底部支架3上的履带轮4，所述底部支架3通过连接支架2与所述主体支架1连接。所述主体支架1为正三棱柱状，所述连接支架2与所述主体支架1、所述底部支架3均为铰接。所述连接支架2与所述主体支架1之间还设有电动推杆6，所述电动推杆6的一端与所述主体支架1铰接，另一端与所述连接支架2的中部铰接，通过电动推杆6的伸缩运动，使机器人在管道内运行过程中能够与管道内壁贴合，获得合适的正压力。所述履带轮4上通过同步带轮安装有大功率电机7，所述电机7的电机控制线与本电机驱动器相连，本电机驱动器与上级主控芯片相连，实现对电机的速度控制，本实施例中，所述主控芯片(即MCU，Microcontroller Unit，微控制单元)采用恩智浦公司的rt1052芯片。由于机器人的行进动作等不会影响主体支架，主体支架的稳定性强且空间大，因此主体支架内部可根据需要设置多种传感器、控制单元、电池等等，负载能力强。
所述主体支架1上设置有红外激光雷达、摄像头、陀螺仪、温湿度传感器和气体浓度传感器，每个所述履带轮4上设置有薄膜压力传感器、漏磁模块和编码器，所述主体支架1外侧的第一延伸支架5和第二延伸支架8上分别设置有红外测距传感器和里程轮模块。
具体地，所述红外激光雷达和所述摄像头设置于所述主体支架1朝向行进方向的一侧，并且所述摄像头安装在设置于所述主体支架1上的二自由度舵机上；所述陀螺仪、所述温湿度传感器和所述气体浓度传感器设置于所述主体支架1的内部，优选地所述陀螺仪设置于所述主体支架1内部的中心位置；所述薄膜压力传感器设置于所述履带轮4的夹层中；所述漏磁模块设置均匀分布于所述履带轮4的内侧；所述编码器设置于所述履带轮4所搭载的电机7上。
所述红外激光雷达，用于在机器人行进过程中对管道内壁进行二维360°扫描，构建管道内壁二维点云图像，实现障碍物情况检测，包括障碍物的大小和位置(角度)。所述摄像头，用于回传和存储管道内检测图像。所述陀螺仪，用于检测机器人的运行加速度和机器人运行时偏差初始入管的角度。所述温湿度传感器，用于检测管道内环境的温度和湿度，作为衡量管道腐蚀情况的依据。所述气体浓度传感器，用于检测管道内有害气体(如甲烷等)的浓度。所述薄膜压力传感器，用于检测各个履带与管道内壁之间的正压力。所述漏磁模块，用于检测管道内壁漏磁场信号，以判断管道缺陷位置。所述编码器，用于实时检测和反馈履带轮的行走速度。所述红外测距传感器，用于检测所述机器人与前方阻挡物的距离，及时调整机器人运行速度通过弯管。所述里程轮模块，用于检测所述机器人的行进距离。
本发明的管道检测机器人针对1016mm大型石油管道设计，以顺应中国制造2025中关键岗位机器人替代、智能化和国家输油输气管道趋于大型化的趋势，能够搭载多种检测模块和传感器，能够实时检测管道内环境和实时监测机器人自身传感器状态。
如图4所示，是本发明用于管道检测机器人的内置电流闭环电机驱动器的优选实施例。所述内置电流闭环电机驱动器包括单片机，所述单片机的信号输入端连接上一级微控制器的信号输出端，所述单片机的信号输出端连接H桥电路模块的信号输入端，所述H桥电路模块的信号输出端连接电机，所述H桥电路模块的所述信号输出端还连接电流采集电路模块的信号输入端，所述电流采集电路模块的信号输出端连接所述单片机的另一信号输入端。
在本实施例中，所述单片机采用STM32F103RCT6，其最小系统如图6所示。该芯片使用高级定时器Tim1的通道1和Tim8的通道1对PWM信号输入捕获，获得PWM信号的周期和占空比。如图7所示，所述H桥电路模块的开启芯片采用IR2104，四片N-MOS LR7843作为4个桥臂。所述电机采用直流有刷电机。
如图5所示，所述电流采集电路模块包括霍尔传感器、第一运算放大器、第二运算放大器、电阻R10、电阻R11、电阻R13、电阻R15、电阻R17、电容C19、电容C20、电容C21以及电容C22。在本实施例中，所述霍尔传感器采用ACS758LCB-50B，所述第一运算放大器和所述第二运算放大器采用LMV358，所述电阻R10、所述电阻R11、所述电阻R13、所述电阻R15和所述电阻R17均为1KΩ，所述电容C19、所述电容C20、所述电容C21和所述电容C22均为100nF。
所述霍尔传感器的正极输入端(4管)连接电机，所述霍尔传感器的2管、所述第一运算放大器和所述第二运算放大器的4管、所述电阻R13的一端、所述电阻R17的一端、所述电容C19的一端、所述电容C20的一端、所述电容C21的一端以及所述电容C22的一端均连接至地；所述霍尔传感器的1管、所述第一运算放大器和所述第二运算放大器的8管、所述电容C21的另一端以及所述电阻R15的一端连接电源。
所述霍尔传感器的输出端(3管)连接所述R11的一端，所述电阻R11的另一端、所述电容C20的另一端连接所述第二运算放大器的同相输入端(5管)，所述第二运算放大器的反相输入端(6管)连接所述第二运算放大器的输出端(7管)，所述第二运算放大器的所述输出端(7管)连接所述电阻R10的一端，所述R10的另一端、所述电阻R13的另一端、所述电容C19的另一端连接所述第一运算放大器的同相输入端(3管)，所述第一运算放大器的输出端(1管)和所述第一运算放大器的反相输入端(2管)连接在一起(注：此处输出的是采集到的实际电流值所对应的电压值，该电压值体现出流过霍尔传感器的电流值，电压越大电流越大)，所述电阻R15的另一端、所述电阻R17的另一端、所述电容C22的另一端连接在一起(注：此处输出的是电源电压波动电压的一半，若电源电压为5V，那么此处输出的是2.5V波动电压，用于后续计算获得实际电流值)。
将霍尔传感器ACS758串联至电机驱动通路，采集到的实际电流信号经两次低通滤波去除高频噪声、一次分压后送入单片机STM32F103RCT6的ADC输入端口。两路LMV358作为电压跟随器，利用电压跟随器Ui＝Uo和输入电阻无穷大的特性，可以避免分压和无源滤波器对输出结果的影响。
霍尔传感器ACS758的采集输出方式为电压输出：
对于本实施例而言，霍尔传感器ACS758LCB-50B的k＝40V/m，电流I取mA级，电流正反方向通过I的正负号来体现。图4中，使用单片机的ADC_IN7端口对ACS758的输出Vout分压后的一半(即Vout/2)进行采集，在设置电流采集部分的同时，还使用单片机的ADC_IN6对VCC分压后的一半(即VCC/2)进行采集输入，即VCC取一个实际采集的动态量，而非常量。这是由于本实例中所使用稳压电路中的开关电源芯片LM2596输出的5V并不是一个稳定量，可能会有上下波动的误差。对于本实例而言即：2*ADC_IN7＝(ADC_IN6+kI)
故实际电流值：
本发明提供的内置电流闭环电机驱动器的工作过程如下：
本发明电机驱动器的信号输入端连接上级微控制器，信号输出端连接有刷直流电机，控制方式为PWM信号。当上级微控制器输出PWM波后，本发明电机驱动器内部的单片机STM32通过定时器进行PWM输入捕获，可得到PWM的频率及占空比。电流采集电路模块实时将通过霍尔传感器的电流(即实际电流值)通过ADC传输至单片机STM32，单片机STM32将输入捕获的微控制器发出的PWM信号和电流采集电路的反馈信号(即实际电流值)进行叠加，进而通过控制算法(如增量式PID、位置式PID等)计算得到修正后的占空比，再通过TIM2和通道1和通道2输出PWM信号至H桥电路模块，进而驱动电机，实现对电机转速的修正。
在其他实施例中，可根据需要选用其他型号的单片机、第一运算放大器、第二运算放大器、霍尔传感器等，同样各个电阻的阻值和电容的电容值也可根据实际设计情况灵活选择。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (4)
1.一种用于管道检测机器人的内置电流闭环电机驱动器，包括单片机，所述单片机的信号输入端连接上一级微控制器的信号输出端，所述单片机的信号输出端连接H桥电路模块的信号输入端，所述H桥电路模块的信号输出端连接电机，其特征在于：所述H桥电路模块的所述信号输出端还连接电流采集电路模块的信号输入端，所述电流采集电路模块的信号输出端连接所述单片机的另一信号输入端；
所述电流采集电路模块包括霍尔传感器、第一运算放大器、第二运算放大器、电阻R10、电阻R11、电阻R13、电阻R15、电阻R17、电容C19、电容C20、电容C21以及电容C22；
所述霍尔传感器的正极输入端连接所述电机，所述霍尔传感器的2管、所述第一运算放大器和所述第二运算放大器的4管、所述电阻R13的一端、所述电阻R17的一端、所述电容C19的一端、所述电容C20的一端、所述电容C21的一端以及所述电容C22的一端均连接至地；所述霍尔传感器的1管、所述第一运算放大器和所述第二运算放大器的8管、所述电容C21的另一端以及所述电阻R15的一端连接电源；
所述霍尔传感器的输出端连接所述R11的一端，所述电阻R11的另一端、所述电容C20的另一端连接所述第二运算放大器的同相输入端，所述第二运算放大器的反相输入端连接所述第二运算放大器的输出端，所述第二运算放大器的所述输出端连接所述电阻R10的一端，所述R10的另一端、所述电阻R13的另一端、所述电容C19的另一端连接所述第一运算放大器的同相输入端，所述第一运算放大器的输出端和所述第一运算放大器的反相输入端连接在一起，所述电阻R15的另一端、所述电阻R17的另一端、所述电容C22的另一端连接在一起。
2.根据权利要求1所述的用于管道检测机器人的内置电流闭环电机驱动器，其特征在于：所述电阻R10、所述电阻R11、所述电阻R13、所述电阻R15和所述电阻R17均为1KΩ，所述电容C19、所述电容C20、所述电容C21和所述电容C22均为100nF。
3.根据权利要求2所述的用于管道检测机器人的内置电流闭环电机驱动器，其特征在于：所述霍尔传感器采用ACS758LCB-50B，所述第一运算放大器和所述第二运算放大器采用LMV358，所述单片机采用STM32F103RCT6。
4.根据权利要求1所述的用于管道检测机器人的内置电流闭环电机驱动器，其特征在于：所述电机采用直流有刷电机。
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