一种基于管道机器人的全闭环直流电机控制系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于管道机器人的全闭环直流电机控制系统，包括依次连接的主控单元MU、驱动单元MT、直流电机DM和检测单元DU；所述驱动单元MT包括输出可调电源单元AP和电机换向单元MR；所述可调电源单元AP用于控制直流电机DM的转速和扭力；所述电机换向单元MR用于控制管道机器人的运动状态；所述检测单元DU用于实时检测直流电机DM的运行电压、运行电流、运行温度，以及实时检测可调电源单元AP的运行温度和负载电流，并将采集到的信号接入到主控单元MU中；通过实时监测电机和电源模块的运行参数，避免电机反电动势反串和电源过热降额导致驱动能力下降，确保系统稳定工作。

A full closed loop DC motor control system based on pipeline robot

【技术实现步骤摘要】
一种基于管道机器人的全闭环直流电机控制系统
本专利技术属于机器人控制
，具体是一种基于管道机器人的全闭环直流电机控制系统。
技术介绍
依靠管道机器人对管道进行检测和维护，提高了管道检测的便捷性和安全性，具有较强管道环境适应性的机器人，可有效促进地下管线普查的发展，高效、稳定的驱动方式是决定管道机器人管道适应能力的关键因素。常规管道机器人的电机驱动方式主要由主控单元、电气隔离单元、大功率直流电源单元、电机驱动单元、直流电机几部分组成。大功率直流电源单元输出直接接在电机驱动单元，主控单元与电机驱动单元相关连的功能引脚，通过电气隔离单元连接，主要起到前后级隔离保护，电机驱动单元的输出端与直流电机连接。系统上电后，依据上位机指令，主控单元输出一定占空比的方波信号，通过电气隔离单元接入电机驱动单元的信号输入端，通过改变方波信号的占空比，即可改变电机驱动单元输出端的平均电压，最终实现电机调速；常规直流电机驱动单元一般由两路输入信号控制一路直流电机运行，而电机换向则是通过改变两信号输入端的信号实现，如信号输入端1输入信号，信号输入端2输入为0，电机正转；信号输入端1输入为0，信号输入端2输入信号，电机反转。现有的管道机器人的电机驱动方式主要存在以下两个问题：1)发热问题，大功率直流电源单元、电机驱动单元、直流电机发热量较大，一旦温度达到一定范围，电源模块输出降额、电机驱动单元负载能力下降，当温度持续升高时，会出现管道机器人驱动能力明显下降甚至无法运行，根本原因是内部电源模块和电机驱动单元出现过温降额甚至过热保护无输出，由于管道机器人内部是密封腔体且机械结构限制，对发热模块做导热散热处理效果也并不理想。2)开环控制，电机堵转和反电动势是直流电机驱动无法避开的两个问题，常规的驱动方式在处理电机堵转时常用的处理方式为在选型阶段，依据直流电机的额定功率，选择留有一定负载余量的电源模块和电机驱动芯片，依靠这两个模块自带的输出过流保护避免电机持续堵转，这种方式对电源和电机驱动芯片要求较高，且当电机参数出现差异时，整个驱动方案得重新考虑；电机反电动势反串，一般是通过在电机驱动芯片的输出端并接二极管或者TVS管来避免，防止反电动势损坏前级电机驱动芯片甚至电源模块，这种反电动势保护方式只能防止瞬间的，若反电动势持续增加，例如当管道机器人回退时，外力拉扯致使机器人实际回退速度远大于其正常运行回退的速度且持续时间较长时，TVS管无法释放电压，导致反电动势电压持续升高，会由于过压损坏电机驱动芯片和电源模块。另外，常规的直流电机驱动方式很少对直流电机的工作电压、工作电流、实时温度同时进行监测，从而无法从源头处理电机堵转和反电动势问题；采用大功率电源模块结合电机驱动芯片的控制方式，电源模块过热输出降额和驱动芯片导致的驱动功率损耗无法避免。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于管道机器人的全闭环直流电机控制系统，在提高驱动效率、减少发热源的同时，通过实时监测电机和电源模块的运行参数，可避免电机反电动势反串和电源过热降额导致驱动能力下降，确保系统稳定工作。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于管道机器人的全闭环直流电机控制系统，包括依次连接的主控单元MU、驱动单元MT、直流电机DM和检测单元DU，所述检测单元DU还分别与驱动单元MT、主控单元MU连接；所述驱动单元MT包括输出可调电源单元AP和电机换向单元MR，所述可调电源单元AP与电机换向单元MR连接；所述可调电源单元AP用于控制直流电机DM的转速和扭力；所述电机换向单元MR用于控制管道机器人的前进、后退、左转、右转和停止；所述检测单元DU包括：电机电压检测单元VD，用于实时检测直流电机DM的运行电压，并将采样信号接入到主控单元MU中；电机电流检测单元CD，用于实时检测直流电机DM的运行电流，并将采样信号接入到主控单元MU中；电机温度检测单元MT，用于实时检测直流电机DM的运行温度，并将采样信号接入到主控单元MU中；电源温度检测单元PT，用于实时检测可调电源单元AP的运行温度，并将采样信号接入到主控单元MU中；电源电流检测单元PC，用于实时检测可调电源单元AP的负载电流，并将采样信号接入到主控单元MU中；本专利技术控制系统的原理为：主控单元MU接收上位机指令，通过改变可调电源单元AP的输出电压和输出电流，实现对直流电机DM的转速和扭矩进行控制，通过电机换向单元MR，实现对直流电机DM换向，最终实现对管道机器人换向和转弯进行控制，同时通过检测单元DU对可调电源单元AP和直流电机DM运行参数进行监测，若出现某一指标超出安全阈值，则通过改变可调电源单元AP输出电压/电流或关断电源输出，避免由于电机长时间堵转、反电动势、电源过温降额等因素导致整个驱动系统出现异常，确保整个驱动系统稳定运行。本专利技术采用电压/电流输出可调的电源模块结合由继电器组成换向单元的控制方式，实现对电机转速平稳控制的同时，通过限流避免电机堵转工作电流持续增大导致电机过热保护甚至损坏前级电源模块；采用继电器组成的换向单元替换传统的电机驱动芯片，在减少发热源的同时，避免了驱动功率由于驱动芯片本身造成的能量损耗，适用于管线检测场景，避免管道机器人由于密封腔体且结构紧凑给设计造成的不便，提高管道机器人的生命周期和便捷性。具体地，所述电机换向单元MR包括3个大功率继电器，所述3个大功率继电器分别与主控单元MU连接，通过主控单元MU控制3个大功率继电器的通断电，对管道机器人的运动状态进行调整。具体地，所述直流电机DM一般由2个直流电机DM1、DM2组成，用于实现管道机器人的前进、后退及转弯。具体地，所述电机电压检测单元VD包括轨到轨运算放大器U2、多个电压取样电阻和多个滤波电容。具体地，所述电机电流检测单元CD包括电流取样电阻、轨到轨运算放大器U3和多个分压电阻。具体地，所述电机温度检测单元MT、电源温度检测单元PT均为温度传感器，其测温范围为-40℃～125℃。具体地，所述电源电流检测单元包括电流取样电阻和轨到轨运算放大器U4。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术采用输出可调电源单元AP结合由继电器组成的电机换向单元MR控制直流电机DM的方式，减少了发热源，避免了电机驱动芯片导致的驱动功率损耗；(2)本专利技术通过调节可调电源单元AP的输出电压调速，相对常规的PWM控制实现的平均电压调速，前者调速方式更加平稳；同时通过调节可调电源单元AP的输出电流，可改变直流电机DM的驱动扭力，且可避免电机堵转负载电流持续增大导致电机过热保护甚至损坏；(3)本专利技术通过实时监测直流电机DM和可调电源单元AP的运行参数，可避免电机反电动势反串和电源过热降额导致驱动能力下降，该全闭环控制系统确保整个驱动系统稳定运行，可适用于密封环境、机械结构紧凑、驱动能力要求较大的管道检测机器人。附图说明图1为本专利技术一种基于管道机器人的全本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于管道机器人的全闭环直流电机控制系统，其特征在于，包括依次连接的主控单元MU、驱动单元MT、直流电机DM和检测单元DU，所述检测单元DU还分别与驱动单元MT、主控单元MU连接；/n所述驱动单元MT包括输出可调电源单元AP和电机换向单元MR，所述可调电源单元AP与电机换向单元MR连接；所述可调电源单元AP用于控制直流电机DM的转速和扭力；所述电机换向单元MR用于控制管道机器人的前进、后退、左转、右转和停止；/n所述检测单元DU包括：/n电机电压检测单元VD，用于实时检测直流电机DM的运行电压，并将采样信号接入到主控单元MU中；/n电机电流检测单元CD，用于实时检测直流电机DM的运行电流，并将采样信号接入到主控单元MU中；/n电机温度检测单元MT，用于实时检测直流电机DM的运行温度，并将采样信号接入到主控单元MU中；/n电源温度检测单元PT，用于实时检测可调电源单元AP的运行温度，并将采样信号接入到主控单元MU中；/n电源电流检测单元PC，用于实时检测可调电源单元AP的负载电流，并将采样信号接入到主控单元MU中；/n所述主控单元MU用于接收上位机指令信号，通过改变可调电源单元AP的输出电压和输出电流，实现对直流电机DM的转速和扭矩进行控制；通过电机换向单元MR，实现对直流电机DM换向；通过检测单元DU对可调电源单元AP和直流电机DM的运行参数进行监测，并将监测数据反馈至主控单元，主控单元根据监测数据对所述可调电源单元的输出进行控制。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于管道机器人的全闭环直流电机控制系统，其特征在于，包括依次连接的主控单元MU、驱动单元MT、直流电机DM和检测单元DU，所述检测单元DU还分别与驱动单元MT、主控单元MU连接；
所述驱动单元MT包括输出可调电源单元AP和电机换向单元MR，所述可调电源单元AP与电机换向单元MR连接；所述可调电源单元AP用于控制直流电机DM的转速和扭力；所述电机换向单元MR用于控制管道机器人的前进、后退、左转、右转和停止；
所述检测单元DU包括：
电机电压检测单元VD，用于实时检测直流电机DM的运行电压，并将采样信号接入到主控单元MU中；
电机电流检测单元CD，用于实时检测直流电机DM的运行电流，并将采样信号接入到主控单元MU中；
电机温度检测单元MT，用于实时检测直流电机DM的运行温度，并将采样信号接入到主控单元MU中；
电源温度检测单元PT，用于实时检测可调电源单元AP的运行温度，并将采样信号接入到主控单元MU中；
电源电流检测单元PC，用于实时检测可调电源单元AP的负载电流，并将采样信号接入到主控单元MU中；
所述主控单元MU用于接收上位机指令信号，通过改变可调电源单元AP的输出电压和输出电流，实现对直流电机DM的转速和扭矩进行控制；通过电机换向单元MR，实现对直流电机DM换向；通过...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘守华，付海，谌四华，毛勇强，柴露，柳竹青，高飞平，
申请(专利权)人：武汉中岩科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42