基于MSP430F149的無線遙控智能螺栓緊固器

田濤 ， 黃冰 ， 黃祖榮 ， 張臻 ， 戴德嵩 ， 陳昊

(1.江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 南京 210000；2.東南大學 電氣工程學院，江蘇 南京 210000)

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基于MSP430F149的無線遙控智能螺栓緊固器

田濤1， 黃冰1， 黃祖榮1， 張臻1， 戴德嵩2， 陳昊1

(1.江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 南京 210000；2.東南大學 電氣工程學院，江蘇 南京 210000)

基于MSP430F149芯片，提出一種無線遙控智能螺栓緊固器。通過無線控制的方式對螺栓進行緊固操作，并實時檢測螺栓緊固器的工作情況。闡述了螺栓緊固器的設(shè)計方案，組成模塊及其工作原理。實踐證明，螺栓緊固器可以滿足電力行業(yè)中大型螺栓緊固的嚴格要求，同時避免作業(yè)人員直接操作可能帶來的安全問題。

MSP430F149；螺栓緊固；無線控制；實時檢測；智能設(shè)計

0 引 言

在電力生產(chǎn)中，輸電線路帶電檢修、停電檢修或工程驗收工作中，對跳線引流板等導(dǎo)線側(cè)金具螺栓的緊固和緊固情況的檢測，作業(yè)人員需要通過笨重的專用工具才能進入作業(yè)部位作業(yè)，勞動強度大，工作效率低，作業(yè)危險性高，特別是等電位緊固引流設(shè)備松動發(fā)熱螺栓，存在較高的風險。如果采用人員等電位進行消缺處理，存在極大的安全隱患，因此研究一種安全、高效的作業(yè)技術(shù)非常必要[1]。本文基于MSP430F149芯片，提出一種無線遙控智能螺栓緊固器。能夠通過無線控制的方式對螺栓進行緊固操作，并實時檢測螺栓緊固器的工作情況。

1 總體設(shè)計方案

無線遙控智能螺栓緊固器由手持端和操作端兩部分組成。手持端由一塊微處理器芯片MSP430F149為核心，連接顯示模塊，按鍵模塊，語音模塊和無線傳輸模塊，可以預(yù)設(shè)扭矩值，無線啟動整套設(shè)備工作，并實時接收和顯示當前工作的扭矩值。操作端同樣以MSP430F149為核心，連接ADC采樣模塊和無線傳輸模塊。接收手持端發(fā)送的電機控制命令，驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn)，實時采集扭矩信息，通過無線模塊將數(shù)據(jù)傳輸回手持端。圖1為無線遙控智能螺栓緊固器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為操作端的結(jié)構(gòu)。

圖1 無線遙控智能螺栓緊固器的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 無線遙控智能螺栓緊固器操作端外觀示意圖

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 主控芯片的選用

本文選用低功耗微處理器MSP430F149為主控芯片。該芯片的特點是低電壓、超低功耗。工作電壓3.6 V～1.8 V ，正常工作模式電流為280 μA，待機模式1.6 μA，RAM數(shù)據(jù)保存的掉電模式下0.1 μA。能夠快速蘇醒，從待機模式下恢復(fù)工作，只需要不到6 μs時間。具有12位ADC，內(nèi)部含參考電壓源，并且具有采樣、保持、自動掃描等功能。具有12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以得到較高的采樣精度，并且省去了使用專門的模數(shù)轉(zhuǎn)換器給設(shè)計電路板帶來的麻煩[2]。

2.2 扭矩數(shù)據(jù)的采集處理電路設(shè)計

無線遙控智能螺栓緊固器驅(qū)動直流電機進行工作，而直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流有關(guān)。直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩如下：

(1)

式中CT與電機構(gòu)造有關(guān)，對已制成的電機是一個常數(shù)；磁通φ與電壓有關(guān)，該螺栓緊固器采用鋰電池供電，可將φ視為常數(shù)。由此得出：該螺栓緊固器的電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比，因此只需要采集電機的電流即可反映轉(zhuǎn)矩的大小[3]。由于ADC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只能采集電壓值，使用霍爾電流傳感器，將電流轉(zhuǎn)化為電壓進行采集。該傳感器輸出電壓與電流關(guān)系為：

(2)

式中Ip為當前檢測的實時電樞電流值，Ipn為霍爾電流傳感器的額定電流值 。

MSP430F149芯片內(nèi)置的ADC采樣模塊選取的基準電壓為2.5 V，為保證單片機的安全使用，在ADC采集電壓數(shù)據(jù)前添加一個數(shù)據(jù)處理電路，主要是利用精密電阻進行分壓，運算放大器作為電壓跟隨器，保證采集的數(shù)據(jù)波動小，且在采集量程內(nèi)。圖3為ADC數(shù)據(jù)采集的前端處理電路。

圖3 ADC數(shù)據(jù)采集的前端處理電路

2.3 手持端與操作端的無線通訊模塊

圖4 NRF24L01與MSP430F149的接口

基于低功耗低電壓的設(shè)計原則，手持端和操作端都選用NRF24L01無線模塊。NRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過軟件進行配置。在空曠的環(huán)境下，其傳輸距離大約是40 m到50 m[4]，滿足無線遙控智能螺栓緊固器的通信距離需求。NRF24L01與MSP430F149的接口如圖4所示。

發(fā)射數(shù)據(jù)時，首先將NRF24L01配置為發(fā)射模式，把接收節(jié)點地址和有效數(shù)據(jù)按照時序由SPI口寫入NRF24L01發(fā)送緩存寄存器中(接收節(jié)點地址在發(fā)射時寫入一次即可)。CE需置為高電平并保持至少10 μs，延遲130 μs后激發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送。數(shù)據(jù)發(fā)送后，若CE為低則NRF24L01進入空閑模式，等待下一條命令；若接收緩存寄存器中有數(shù)據(jù)且CE為高，則進入下一次發(fā)射。

接收數(shù)據(jù)時，首先將NRF24L01配置為接收模式，延遲130 μs后進入接收狀態(tài)準備接收數(shù)據(jù)。當接收方檢測到有效的地址時，就將接收到的數(shù)據(jù)包存儲在接收緩存寄存器中，同時中斷標志位置高，產(chǎn)生中斷，通知MCU去取數(shù)據(jù)[5]。

通過軟件的配置，NRF24L01可以在發(fā)射模式和接收模式之間任意切換，滿足無線遙控智能螺栓緊固器通信的靈活性要求。手持端可以發(fā)送工作命令，并且接收操作端的工作狀態(tài)信息，操作端可以接收工作命令，并且發(fā)送當前的扭矩信息到手持端，完成雙向通信。

2.4 電機控制電路的設(shè)計

螺栓緊固器操作端的主體部分為直流電機?，F(xiàn)階段，直流電機的調(diào)速主要通過改變電樞電壓來實現(xiàn)[6]。改變電樞電壓的方法有很多，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，更多的采用PWM的調(diào)壓方式[7]。利用功率MOSFET，在柵極脈沖周期相同的條件下，改變脈沖寬度(也就是占空比)，可以很方便的控制加載到電機兩端的電壓值，從而達到調(diào)速的目的，占空比高則轉(zhuǎn)速高，占空比低則轉(zhuǎn)速低[8]。

選用PWM調(diào)速系統(tǒng)，有以下優(yōu)點:使用的MOSFET為全控型器件，其脈寬調(diào)制電路的開關(guān)頻率高，因此系統(tǒng)的頻帶寬，響應(yīng)速度快，動態(tài)抗擾能力強；此時由于開關(guān)頻率高，僅靠電動機電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，同時電動機的損耗和發(fā)熱都較??；其次，在PWM系統(tǒng)中，主電路的電力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)，損耗小，裝置效率高，而且對交流電網(wǎng)的影響小，沒有晶閘管整流器對電網(wǎng)的“污染”，功率因數(shù)高，效率高；最后我們從經(jīng)濟方面考慮，主電路所需的功率元件少，線路簡單，控制方便[9]。

采用IR2101作為控制電路開關(guān)管的前端驅(qū)動芯片，配合功率MOS管IRF3205，完成直流電機的PWM調(diào)速控制電路[10]。IR2101具有兩路輸入HIN和LIN，分別輸出HO和LO兩路信號，其輸入輸出對應(yīng)關(guān)系如表1所示。圖5和圖6為完整的直流電機控制電路。

圖5 前段驅(qū)動芯片IR2101及其外圍電路

圖6 直流電機控制電路

3 應(yīng)用實例

MSP430F149芯片配合無線通訊模塊NRF24L01，連接信息處理電路以及電機驅(qū)動控制電路，外加手持端控制器，如圖7所示，組成了螺栓緊固器的完整工作系統(tǒng)。

表1 IR2101輸入輸出關(guān)系

圖7 螺栓緊固器的完整工作系統(tǒng)

根據(jù)此系統(tǒng)，為操作者設(shè)計的具體操作流程是：操作人員在手持端上通過按鍵模塊預(yù)先設(shè)定需要的扭矩值后，按下啟動按鍵，將開始工作命令無線發(fā)送到操作端。操作端接受命令后啟動扭矩扳手開始工作。ADC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始工作，實時獲取扭矩值信息。操作端的無線傳輸模塊將扭矩信息傳輸?shù)绞殖侄恕?/p>

圖8 手持端顯示模塊

手持端上的液晶屏實時顯示當前的扭矩值。如圖8所示，為正在工作的無線螺栓緊固器，液晶顯示屏上顯示的當前扭矩信息。當達到預(yù)設(shè)扭矩時，操作端自動停止工作，手持端語音播放模塊播報語音，提醒操作人員工作結(jié)束。

2015年11月在南京地區(qū)220 kV雙閘變電站進行了裝置現(xiàn)場測試。測試分為三部分：

(1) 常規(guī)測試：在變電站未投運間隔挑選斷路器螺栓4處(大型)，隔離開關(guān)螺栓1處(中型)，端子箱螺栓1處(小型)，進行了現(xiàn)場緊固、松脫試驗，各10次，試驗結(jié)果表明，能成功緊固、松脫螺栓，成功率100%，達到設(shè)計要求。

(2) 急停測試：在斷路器螺栓上設(shè)置限位點，使用緊固器強行緊固，裝置達到既定扭矩后，能及時停止，保護自身設(shè)備安全，多次試驗，裝置完好如常。無異常、發(fā)熱等問題，符合設(shè)計要求。

(3) 帶電測試：考慮到在實際的運行220 kV變電站帶電測試的危險性，該試驗沒有校核設(shè)計要求的35 kV帶電緊固螺栓，在試驗場地帶電380 V進行了模擬帶電緊固，試驗結(jié)果表明，能在帶電情況下，完成既定的緊固、松脫功能，符合設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

實踐證明，該螺栓緊固器可以滿足電力行業(yè)中大型螺栓緊固的嚴格要求。無線遙控的控制方式避免了帶電操作可能帶來的安全問題。在無需高壓線路停電的情況下進行檢測維修，大幅度節(jié)約了操作成本，具有較好推廣性。

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An Intelligent Bolt Fastener under Wireless Remote Control Based on MSP430F149

Tian Tao1, Huang Bing1, Huang Zurong1, Zhang Zhen1, Dai Desong2, Chen Hao1

(1.Jiangsu Electric Power Co., Maintenance Branch, Nanjing Jiangsu 210000, China;2. College of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing Jiangsu 210000, China)

Based on MSP430F149 chip, this paper presents an intelligent bolt fastener under wireless remote control. Bolts are fastened through wireless control, and working conditions of the bolt fastener is under real-time detection. This paper expounds the design scheme, component modules and operating principle of the bolt fastener. Practice shows that this bolt fastener can satisfy the strict requirements on the fastening of large bolts in the electric power industry and avoid security problems which might occur if operators do it by themselves.

MSP430F149;bolt fastening; wireless control; real-time detection;intelligent design

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.04.014

TM755

A

1000-3886(2016)04-0042-03

田濤(1972-)，男，江蘇南京人，高級工程師，碩士，從事變電檢修工作。

定稿日期: 2015-12-27