一種鋼芯鋁絞線修復(fù)裝置控制器的設(shè)計

陳凌峰 李安娜 吳淑樺 陳賢鈺

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院<電氣工程學(xué)院>，廣東 廣州510800）

0 引言

隨著我國電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，架空輸配電線路網(wǎng)絡(luò)覆蓋愈加廣泛，為保障國民的用電需求，當(dāng)輸配電線路出現(xiàn)故障時對絕緣線路以及鋼芯鋁絞線的修復(fù)工作至關(guān)重要。近年來，無人巡檢的普及使遠(yuǎn)程操控逐漸取代傳統(tǒng)人工現(xiàn)場操控，既保障了故障排查的實時性也保障了維修人員的工作安全性。而在維修工作中一款合適的控制器對操作過程中的各種精細(xì)動作發(fā)揮著不可替代的作用。而能夠遠(yuǎn)程遙控是整個控制器的工作流程中操作的重要環(huán)節(jié)，本文針對目前鋼芯鋁絞線破損修復(fù)裝置相關(guān)遠(yuǎn)程控制器較為缺乏的現(xiàn)狀，提出一種鋼芯鋁絞線修復(fù)裝置控制器的設(shè)計，并對控制器的設(shè)計以及硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡單的闡述和分析[1]。

1 總體設(shè)計方案

鋼芯鋁絞線修復(fù)裝置控制器主要分為兩部分：一部分是對鋼芯鋁絞線進(jìn)行修復(fù)的修復(fù)執(zhí)行裝置主控板，另一部分則是控制修復(fù)裝置執(zhí)行修復(fù)動作的遙控器。修復(fù)執(zhí)行裝置由修復(fù)執(zhí)行機械結(jié)構(gòu)和主控板組成，其中執(zhí)行機械結(jié)構(gòu)由鋁絞線復(fù)原、鋁管嵌套、液壓鉗驅(qū)動等裝置組成，而主控板硬件電路由增強型51單片機STC15W4K系列芯片、DM542步進(jìn)電機驅(qū)動模塊、NRF24L01無線模塊以及57112步進(jìn)電機等組成。遙控器硬件電路由增強型51單片機STC15W4K系列芯片、NRF24L01無線模塊以及按鍵模塊組成[2-4]。鋼芯鋁絞線修復(fù)裝置控制器總體設(shè)計方案如圖1所示[5-7]。

圖1 鋼芯鋁絞線修復(fù)裝置控制器總體設(shè)計方案

2 控制器硬件設(shè)計

2.1 步進(jìn)電機硬件設(shè)計

鋁絞線復(fù)原裝置、鋁管嵌套裝置以及液壓鉗驅(qū)動裝置均設(shè)計了相應(yīng)的機械執(zhí)行機構(gòu)，而驅(qū)動機械執(zhí)行機構(gòu)功能則需要步進(jìn)電機進(jìn)行配合。通過比較分析和測試，選用力矩為3.4NM，型號為57112步進(jìn)電機作為機械執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動器。

修復(fù)執(zhí)行裝置控制器的主控板硬件電路使用24V的鋰電池作為電源，經(jīng)LM2596-5.0V降壓模塊輸出+5V電壓給增強型51單片機STC15W4K系列芯片、NRF24L01無線通信模塊等供電。

DM542為57112步進(jìn)電機驅(qū)動模塊，其工作電壓范圍DC20~50 V，工作電流范圍1.0~4.2 A，脈沖細(xì)分400~25 600，支持3.3V/5V/24 V脈沖信號，帶載三代32位DSP處理器，具有穩(wěn)定耐用、性能好、噪音低、發(fā)熱量低特點[8]。

使用增強型51單片機STC154K系列芯片普通準(zhǔn)雙向口I/O與5個DM542步進(jìn)電機驅(qū)動模塊中的使能信號和方向信號一一連接，專用外設(shè)高精度PWM2~PWM6接口與步進(jìn)電機驅(qū)動模塊中的脈沖信號端口一一連接。修復(fù)執(zhí)行裝置主控板主控芯片與1個步進(jìn)電機連接的硬件電路設(shè)計如圖2所示。

圖2 主控芯片與1個步進(jìn)電機連接的硬件電路

2.2 NRF24L01無線通信模塊硬件設(shè)計

NRF24L01是一款具有嵌入式基帶協(xié)議引擎的2.4GHz收發(fā)器，適用于超低功耗無線應(yīng)用場景。只需要一個MCU和一些外部無源組件，可以通過串行外設(shè)接口（SPI）操作和配置nRF24L01。它具有用戶可配置的參數(shù)，例如頻道，輸出功率和空中數(shù)據(jù)速率。NRF24L01+支持250 kb/s，1 Mb/s和2Mb/s的空中數(shù)據(jù)速率。修復(fù)執(zhí)行裝置主控板主控芯片與NRF24L01無線通信模塊硬件電路設(shè)計如圖3所示。

圖3 主控芯片與NRF24L01無線模塊硬件電路

2.3 修復(fù)執(zhí)行裝置遙控器硬件設(shè)計

修復(fù)執(zhí)行裝置遙控器的硬件電路中使用9V的鋰電池作為電源，經(jīng)LM2596-5.0V降壓模塊輸出+5V電壓給增強型51單片機STC15W4K系列芯片、NRF24L01無線通信模塊、按鍵模塊等供電，增強型51單片機STC15W4K系列芯片使用專用SPI接口與NRF無線通信SPI接口連接，普通準(zhǔn)雙向口I/O與按鍵模塊連接。修復(fù)執(zhí)行裝置遙控器的硬件電路如圖4所示[9-10]。

圖4 絕緣修復(fù)裝置遙控器的硬件電路

3 修復(fù)裝置軟件設(shè)計

3.1 修復(fù)執(zhí)行裝置主控板的主程序設(shè)計

修復(fù)執(zhí)行裝置執(zhí)行機構(gòu)主要具備以下三點功能：①主控芯片通過專用的SPI同步串行通信方式對NRF24L01無線模塊進(jìn)行相關(guān)設(shè)置初始化并設(shè)置為接收模式；②NRF24L01無線模塊實時接收遙器發(fā)送過來的相關(guān)指令；③主控芯片根據(jù)NRF24L01無線模塊接收到的指令發(fā)出相應(yīng)的步進(jìn)電機控制信號以實現(xiàn)修復(fù)執(zhí)行裝置在輸電線上的行走、受損區(qū)域修復(fù)動作等。

修復(fù)執(zhí)行裝置的主控板主程序設(shè)計思路：主控芯片上電復(fù)位后對其I/O口、內(nèi)部資源定時器T0、專用的SPI同步串行通信、高精度PWM2~PWM6進(jìn)行初始化，接著對NRF24L01無線模塊進(jìn)行相應(yīng)的初始化配置，驅(qū)動步進(jìn)電機對修復(fù)執(zhí)行裝置各個機械結(jié)構(gòu)體進(jìn)行復(fù)位，最后實時判斷NRF24L01無線通信模塊是否接收到指令數(shù)據(jù)，并根據(jù)指令數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的執(zhí)行動作。修復(fù)執(zhí)行裝置主控板主程序設(shè)計流程如圖5所示。

圖5 修復(fù)執(zhí)行裝置主控板主程序設(shè)計流程圖

3.2 修復(fù)執(zhí)行裝置主控板主控芯片SPI功能初始化配置程序設(shè)計

因增強型51單片機STC15W4K系列芯片具備的高速串行通信接口SPI有三組引腳可進(jìn)行切換，所以需配合硬件線路連接引腳號對主控芯片SPI接口進(jìn)行選擇，同時配置主控芯片為主工作模式、數(shù)據(jù)最高位最先發(fā)送、時鐘頻率選擇為CPU_CLK/4、清楚SPI狀態(tài)位等初始化配置。主控芯片SPI初始化程序設(shè)計流程如圖6所示。

圖6 主控芯片SPI初始化程序設(shè)計流程圖

3.3 修復(fù)執(zhí)行裝置主控板主控芯片的高精度PWM初始化配置程序設(shè)計

增強型51單片機STC15W4K系列芯片集成一組可供6路15位高精度PWM使用的增強型PWM波形發(fā)生器，且每一路PWM均有兩組輸出引腳進(jìn)行切換。根據(jù)實際硬件線路連接，需對主控芯片PWM輸出接口、初始化電平、時鐘源以及占空比等參數(shù)進(jìn)行配置。PWM初始化配置程序設(shè)計流程如圖7所示。

圖7 PWM初始化配置程序設(shè)計流程圖

3.4 修復(fù)執(zhí)行裝置遙控器的主控芯片主程序設(shè)計

遙控器主要具備以下三點功能：①主控芯片通過專用的SPI同步串行通信方式對NRF24L01無線模塊進(jìn)行相關(guān)設(shè)置初始化并設(shè)置為發(fā)射模式；②NRF24L01無線模塊實時將用戶按下遙控器相關(guān)按鍵指令發(fā)送至修復(fù)執(zhí)行裝置控制器；③實時掃描遙控器相關(guān)功能按鍵，使用定時器延時掃描發(fā)消除按鍵抖動以獲得比較準(zhǔn)確的用戶按鍵指令。

遙控器主控芯片主程序設(shè)計思路：主控芯片上電復(fù)位后對其I/O口、內(nèi)部資源定時器T0、專用的SPI同步串行通信進(jìn)行初始化，接著對NRF24L01無線模塊進(jìn)行相應(yīng)的初始化配置，最后實時掃描遙控器各個按鍵，判斷用戶是否按下相應(yīng)按鍵并通過NRF24L01無線模塊發(fā)送對應(yīng)的功能指令數(shù)據(jù)。修復(fù)裝置遙控器主控芯片主程序設(shè)計流程如圖8所示。

圖8 修復(fù)裝置遙控器主控芯片主程序設(shè)計流程圖

4 實驗與分析

根據(jù)實際測試控制器可遠(yuǎn)程遙控修復(fù)裝置執(zhí)行修復(fù)動作，且能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能，目前尚處于實驗測試階段，控制器遙控距離更遠(yuǎn)、更加靈敏是一個大的改進(jìn)方向，也需要后期不斷探索、改進(jìn)以及測試驗證。

5 結(jié)論

隨著我國電網(wǎng)規(guī)模經(jīng)濟的不斷擴大發(fā)展，用戶對供電可靠性需求不斷提高，傳統(tǒng)運維方式已經(jīng)難以滿足未來電力系統(tǒng)的需求，假裝智能化修復(fù)裝置在輸配電線路中不僅可以降低運維人員所要面臨的高壓危險，而且還可以完成更精細(xì)化的絕緣修復(fù)工作。

本文所提出的一種鋼芯鋁絞線修復(fù)裝置控制器通過對修復(fù)裝置的精細(xì)化控制從而推動輔助智能維修的進(jìn)程，整個操作過程不需要斷電，實現(xiàn)由修復(fù)裝置替代人工的鋼芯鋁絞線修復(fù)工作，對減少能源消耗，節(jié)省人力資源，保障維修工作安全以及提升修復(fù)效率有著重要意義，為輸配電線路的智能化修復(fù)工作技術(shù)提供參考。