超高壓線路檢修作業(yè)遠程遙控智能牽引裝置研發(fā)

黎國根，劉 琦

（中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司柳州局，廣西 柳州 545006）

0 引 言

超高壓線路檢修作業(yè)中，經(jīng)常會起吊絕緣子、塔材、避雷器等較重物件。超高壓線路的鐵塔高度較高，傳統(tǒng)起吊較重物件的方式主要有手動絞磨機、機動絞磨機等[1,2]。手動絞磨機雖然質(zhì)量較輕、使用便捷，但是使用過程十分費力，需要多人操作，安全風(fēng)險大。機動絞磨機雖然起吊負荷大，但是其自身質(zhì)量大，使用并不便捷，在多山、泥濘等地形較復(fù)雜的區(qū)域很難操作[3]。針對上述問題，研制一種超高壓線路檢修作業(yè)遠程遙控智能牽引裝置。

1 設(shè)計原則

本文所設(shè)計的超高壓線路檢修作業(yè)遠程遙控智能牽引裝置以雙通道UCC27324芯片作為功率驅(qū)動核心，驅(qū)動多顆并聯(lián)開關(guān)管為負載電機提供強大電流。電機運行時實時監(jiān)測采集電流與轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，采集轉(zhuǎn)速后輸出脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）波進行比例-積分-微分（Proportional-Integral-Derivative，PID）增量控制，負載變化時穩(wěn)定速度輸出，通過電流監(jiān)測為電機提供異常保護[4]。裝置采用無線遙控與無線傳感，無線遙控用于控制牽引裝置工作狀態(tài)，無線傳感用于實時監(jiān)測起吊物的質(zhì)量、數(shù)據(jù)與控制系統(tǒng)的聯(lián)動[5,6]。射頻（Radio Frequency，RF）遙控接收電機驅(qū)動部分，通過二進制頻移鍵控（Binary Frequency Shift Keying，2FSK）、高斯頻移鍵控（Gauss Frequency Shift Keying，GFSK）調(diào)制提高數(shù)據(jù)抗突發(fā)干擾和隨機干擾能力。該智能牽引裝置的設(shè)計原則主要有以下5個方面。

（1）輕量化。裝置體積?。?00 mm×230 mm×250 mm）、質(zhì)量輕（15 kg），整體結(jié)構(gòu)輕巧緊湊，1個人即可攜帶至現(xiàn)場，尤其適合山區(qū)野外檢修作業(yè)。

（2）安裝適應(yīng)性強?？梢园惭b在不同尺寸的桿塔塔腿角鋼上，安裝便捷，只需緊固4顆螺栓就能完成安裝與固定。

（3）智能數(shù)顯。安裝發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）顯示屏，LED顯示屏與主機聯(lián)動，用于顯示起吊物的質(zhì)量、電機工作、異常狀態(tài)數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)異常時，顯示屏閃爍，起到警示作用。

（4）遠程遙控。裝置搭配RF遙控接收電機驅(qū)動部分，可以實現(xiàn)300 m范圍內(nèi)的遠程操控。塔上人員可以通過遙控裝置控制塔下裝置牽引，便于對較重的器材進行安裝。

（5）安全性能高。牽引裝置具備掉電自動機械剎車功能，采用雙電源冗余設(shè)計。當(dāng)主電池放電完成后切換至輔助電池放電，當(dāng)出現(xiàn)異常操作或大電流短路時，控制部分自動斷開大電流負載電機，輔助電池為控制器等低功耗負載供電。雙電源采用金屬氧化物半導(dǎo)體（Metal Oxide Semiconductor，MOS）管切換，切換時間為0.1 μs，能夠確?？刂破鞑坏綦?。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 雙電源智能切換電源系統(tǒng)設(shè)計

超高壓線路檢修作業(yè)現(xiàn)場大多處于野外，路途一般較遠，因此工具的可靠性十分重要。遠程遙控智能牽引裝置屬于機電一體化裝置，可以為處理器、傳感器、無線模組、機械剎車以及電機提供電源[7-10]。電機負載在開、閉瞬態(tài)與異常工作時會出現(xiàn)大電流或短路，為了確?？刂破鞯蓉撦d不掉電、不重啟，整機系統(tǒng)采用雙電源冗余設(shè)計。

雙電源系統(tǒng)控制原理如圖1所示，其中POW1和POW2為主電源輸入接口和從電源輸入接口，VOUT為電源輸出接口。采樣器由R1與R4組成，用于監(jiān)測主電池組放電電壓。當(dāng)主電源電壓高于設(shè)定放電電壓時，VOUT輸出電源由主電源電池組提供電能；當(dāng)主電源放電到低于設(shè)定放電電壓時，VOUT輸出電源由電源電池組提供電能。實際使用中，R1可由數(shù)字電位器代替，從而靈活控制切投電壓值。

圖1 雙電源系統(tǒng)控制原理

2.2 電機驅(qū)動力反饋設(shè)計

電機驅(qū)動是牽引裝置的核心，主要由牽引電機、采集通信驅(qū)動單元以及主控單元組成，如圖2所示。在采集通信驅(qū)動單元驅(qū)動牽引電機的同時，實時進行力矩采集。

圖2 電機驅(qū)動組成

如果起吊物的質(zhì)量超過牽引裝置的額定值，電機可能會出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)，產(chǎn)生較大的電流。如果不采取電機驅(qū)動保護措施，那么電路控制部分可能損壞，這樣整套設(shè)備就無法操作控制?；诖?，需要建立控制信號與反饋力的系統(tǒng)模型。

電機轉(zhuǎn)矩公式為

式中：Km為與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)；φ為電機磁通量，Wb；I為驅(qū)動電流，A。

直流電機轉(zhuǎn)速公式為

式中：U為電機端電壓，V；Ke、Km為與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)；R為電機電阻，Ω。

當(dāng)相位角趨于最大時，直流電機轉(zhuǎn)速n=0，由式（1）、式（2）可得

電機堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下，在電驅(qū)電阻R和磁通量φ均不變的條件下，電機輸出轉(zhuǎn)矩與電機端電壓成正比?；诖?，采用雙通道UCC27324芯片作為功率驅(qū)動的核心，通過PWM占空比驅(qū)動開關(guān)管的方式控制電機電壓。

2.3 主控板與驅(qū)動設(shè)計

2.3.1 主控板設(shè)計

遠程遙控智能牽引裝置嵌入式硬件主控選用SMT32FX系列微處理器，同時擴展了外部看門狗、外部實時時鐘（Real Time Clock，RTC）電路。外部看門狗電路保障主板工作不會死機，RTC為系統(tǒng)工作提供精準時鐘。采集部分主要包括電流傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器以及采集按鍵，其中電流傳感器用于判斷電機負載工作狀態(tài)，轉(zhuǎn)速傳感器負責(zé)監(jiān)測電機實時工作速度。通過PWM控制輸出電壓，微處理器PWM驅(qū)動信號通過光電隔離驅(qū)動雙通道半橋芯片UCC27324。主控系統(tǒng)框架如圖3所示。

圖3 主控系統(tǒng)框架

2.3.2 驅(qū)動設(shè)計

電動絞磨機在啟動瞬間、超載、堵轉(zhuǎn)等情況下都會產(chǎn)生較大的電流，因此需要設(shè)計帶載能力較強的驅(qū)動電路。采用多個開關(guān)管進行并聯(lián)設(shè)計，其中Q1、Q2、Q3、Q8、Q9以及Q10構(gòu)成半橋驅(qū)動。Q1、Q2、Q3選用P溝道MOS管IRF4905構(gòu)成上半橋，用于控制電機正極電路；Q8、Q9、Q10選用N溝道MOS管IFR3205構(gòu)成下半橋，用于控制電機負極電路。驅(qū)動信號由UCC27324提供，通過控制UCC27324輸出PWM的占空比，從而控制輸出電壓大小。該電路具有驅(qū)動能力強、速度連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點，電路構(gòu)成如圖4所示。

圖4 電機驅(qū)動電路

2.4 電機智能保護設(shè)計

選用寬電壓、高增益放大器MAX4048T測量電機的運行電流，通過電流智能判斷電機工作狀態(tài)。采樣電阻R5經(jīng)過信號放大器進行放大，從芯片5腳輸出。通過穩(wěn)壓二極管D1將電壓控制在微控制單元（Micro Controller Unit，MCU）允許電壓范圍內(nèi)，再將經(jīng)C2濾波后的信號送給處理器進行模擬數(shù)字（Analog Digital，AD）采樣。為了確保測量準確，電源的紋波要盡量小，線路板電源電路部分的布線要合理。應(yīng)用中測量到電機發(fā)生電流異常時會及時報警，報警發(fā)生后驅(qū)動電路將控制電機的運行狀態(tài)從而保護電機。電機智能保護電路如圖5所示。

圖5 電機智能保護電路

2.5 微功耗無線射頻傳輸設(shè)計

無線傳輸主要分為2部分，即無線遙控與無線傳感。無線遙控用于控制牽引裝裝置工作狀態(tài)，無線傳感用于實時監(jiān)測起吊物的質(zhì)量。裝置搭配RF遙控接收電機驅(qū)動，工作頻段為433～442 MHz，最大發(fā)射功率為50 mW，靈敏度為-106 dBm。射頻傳輸性能優(yōu)良，能夠?qū)崿F(xiàn)300 m范圍內(nèi)的可靠傳輸。

3 現(xiàn)場使用

超高壓線路檢修作業(yè)中的吊裝比較危險，在使用智能牽引裝置時需要嚴格按照規(guī)定進行操作，確?，F(xiàn)場作業(yè)人員和作業(yè)設(shè)備的安全。

安裝前要細致檢查智能牽引裝置的零部件，確定裝置主機、導(dǎo)向滑輪、負荷滑輪的安裝位置。確定位置后，使用角鋼鏈接器將智能牽引裝置主機固定在角鋼上。通線電源線啟動電源開關(guān)，空載試機。將牽引繩纏繞在繞線盤上（不少于3圈），牽引繩的地面端由1名工作人員手持。在工作人員握住牽引繩的情況下，按下遙控器按鍵控制電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，并密切注意智能牽引裝置面板指示燈及蜂鳴器是否發(fā)出警報。檢修作業(yè)結(jié)束關(guān)閉所有電源，將智能牽引裝置從桿塔上拆除并整理裝箱。

4 結(jié) 論

通過開展雙電源智能切換電源系統(tǒng)、大功直流電機驅(qū)動、電機智能保護以及無線射頻傳輸研究，最終設(shè)計出超高壓線路檢修作業(yè)遠程遙控智能牽引裝置。該裝置具備體積小、質(zhì)量輕、便于安裝以及操作簡單等優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)300 m以內(nèi)遠程遙控、過負荷牽引保護，解決人工拉繩費力、機動絞磨難搬運等問題，有效提高工作效率。