步进电机控制管理论文提纲

论文题目：变电站轨道式巡检机器人控制系统设计

摘要：为了提高供电可靠性,我国电力公司花费了大量的人力进行变电站的运维管理工作。目前电力变电站运维过程中,存在工作量大、安全风险高、巡检质量不可控、巡检频次低等问题难题。为此,近年出现了专用于电力变电站的室外智能机器人。但室内仍需人工进行巡检工作,所以需要研发新型室内巡检机器人。本文所述控制系统用于变电站轨道式巡检机器人,系统主要由主控制器、电机运动控制模块、导航定位校准模块、安全防护模块、通信模块、电源管理模块等组成。配合程序控制处理,控制系统通过通信模块从后台管理软件获取运动指令,并根据指令内容控制机器人到达指定位置,然后业务模块在后台管理软件的管理下完成相应巡检工作。在硬件设计方面,轨道式巡检机器人控制系统采用了ST公司的STM32单片机作为主控制器,其具有高性能、低功耗、抗干扰能力强、资源丰富等特点,适合工业场景使用。通过主控制器产生电机驱动信号控制集成SANYO公司的集成步进电机控制芯片LV8727实现了三路步进电机（机器人行走、机器人检测设备升降、检测设备伸缩）控制。同时在主控制器通用输入输出接口（GPIO）扩展了多路红外雷达,实现机器人在运行过程中实时监测前进方向的障碍物。在供电方面采用滑触供电方式,并设计了具备电源滤波、电压电流监控、外设电源控制等功能电源管理电路,以保证系统的运行安全。轨道式巡检机器人控制系统软件基于Free RTOS操作系统开发。通过里程计数实现在一维轨道上导航定位,但该方式可能会因步进电机失步、行走轮打滑等原因,导致里程计数存在积累误差。本控制系统引入了S曲线电机控制方案,并结合RFID位置校准和零位位置校准,可有效消除积累误差,实现多路电机的加速、减速、匀速运行。同时为了防止机器人运动过程中的碰撞,设计了相应安全保护程序,保证了系统的安全可靠运行。在通信方面,采用以太网方式与后台管理软件通信,同时也保持了和业务系统相同的通信接口,一定程度上降低了成本。通过结合机器人本体对轨道式巡检机器人控制系统进行软硬件联合调试,最终实现了变电站轨道式巡检机器人的运动控制和精确定位。目前已在多个变电站室内开关柜等设备的无人化自动巡检,为供电可靠性提高贡献了一点力量。

关键词：巡检机器人;运动控制;位置校准;S曲线

学科专业：电气工程

摘要

abstract

第1章 绪论

1.1 研发背景

1.2 变电站轨道式巡检机器人国内外研究现状

1.3 变电站轨道式巡检机器人控制系统相关技术

1.4 课题主要内容及论文结构安排

1.4.1 主要内容

1.4.2 论文结构

第2章 变电站轨道式机器人控制系统总体方案设计

2.1 系统设计的需求分析

2.2 机器人控制系统总体方案设计

2.2.1 系统开发平台选择

2.2.2 通信方案选择

2.2.3 导航定位方案选择

2.2.4 运动控制方案选择

2.2.5 电源管理方案选择

2.2.6 安全防撞方案选择

2.3 本章小结

第3章 变电站轨道式机器人控制系统硬件设计与实现

3.1 控制系统硬件总体方案设计

3.2 控制系统关键硬件电路设计

3.2.1 STM32主控制器电路

3.2.2 电源管理电路

3.2.3 步进电机驱动电路

3.2.4 通信电路

3.2.5 RFID校准电路

3.3 系统硬件总体电路图

3.4 本章小结

第4章 变电站轨道式机器人控制系统软件设计与实现

4.1 控制系统软件总体方案设计

4.2 主程序任务

4.2.1 主程序任务过程

4.2.2 系统任务创建过程

4.3 运动控制程序

4.3.1 运动控制程序工作原理

4.3.2 运动控制程序过程

4.4 中断定位及校准程序

4.4.1 定位及位置校准工作原理

4.4.2 定位及位置校准过程

4.5 安全保护程序

4.5.1 安全工作原理

4.5.2 安全保护过程

4.6 以太网通信程序

4.6.1 以太网通信流程

4.6.2 LwIP协议栈介绍

4.7 ModbusTCP通信程序

4.7.1 ModbusTCP简介

4.7.2 ModbusTCP程序逻辑过程

4.7.3 ModbusTCP地址分配

4.8 其他功能模块

4.8.1 状态指示灯

4.8.2 电源管理

4.9 本章小结

第5章 变电站轨道式机器人控制系统调试结果及分析

5.1 系统调试测试

5.1.1 电源调试

5.1.2 主控制器时钟及程序烧录

5.1.3 网口硬件调试

5.1.4 RFID接口调试

5.1.5 保护电路调试

5.1.6 电机驱动调试

5.1.7 状态指示调试

5.1.8 Modbus协议调试

5.1.9 电机运动控制调试

5.1.10 位置校准功能调试

5.1.11 安全保护功能调试

5.1.12 系统测试

5.2 测试数据分析

5.3 现场应用

5.4 本章小结

总结

致谢

参考文献

附录1 RCU电源模块电路图

附录2 RCU主控制器电路图

附录3 RCU电机控制模块电路图

附录4 RCU通信模块电路图

附录5 RCU其他模块电路图

附录6 RFID读卡器模块电路图

附录7 控制系统主程序

附录8 电机运动控制核心中断程序

附录9 中断定位及校准程序

附录10 安全防护程序

附录11 LwIP以太网通信程序的初始化

附录12 Modbus的输入寄存器回调和保持寄存器回调代码