远端稳压模块的设计与研究

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1、远端稳压模块的设计与研究DesignandInvestigationofRemoteVoltageControlSystem周嘉璐丁国清ZhouJialu,DingGuoqing摘要:本论文提出了一种区别于常规稳压的方案，使油、气管道机器人能够在电流变化的情况下工作在电压波动允许的范围内。本文对远端稳压总体方案、器件的设计原理做了说明，完成了系统的构建。关键词:远端稳压、IGBT、电流反馈、检测模块Abstract:Anewvoltagecontrolmethoddifferentfromthattraditionally

2、usedisdesigned,sothatthevariationofthevoltagecanbecontrolledwithinanacceptablerangewhenthecurrentthroughthePIGfluctuates.Thegeneralremotevoltagecontrolschemeaswellasthemechanismofeachmoduleandcomponentisintroducedinthispaper.Keyword:RemoteVoltageControl,IGBT,Curre

3、ntFeedback,InspectionModule1引言管道检测机器人（国外一般统称为PipelineIntelligentPig，简称Pig）是集无损检测、机器人、计算机、数据分析和处理等多项技术于一体的实用化工程。和普通机器人相比，管道机器人一般工作在一个特殊的环境，比如油、气管道等。这些管道大多埋于地下，常规探测很难适应其检测要求，管道经过长年使用后，焦油、萘、硫化铁、粉尘、铁锈等杂质在管道中的沉积也增加了检测难度。由于油、气管道机器人系统工作环境的特殊性，机器人的总体设计一般采用有缆式，信息和电力采用同一根缆线

4、传输。因此，保证电力的稳定传输是管道机器人研究中的一项关键技术。由于机器人在不同的动作时，流经机器人的电流会发生变化，而加载在机器人两端的电压需要保持稳定，如果导线上的压降可以忽略，这是非常容易实现的。可是，因为电力传输电缆长达1000多米，等效电阻不能被视作零欧姆，所以导线上的压降不能被忽略，而且这个压降最高可以达到几十伏特，最终影响到机器人的工作电压剧烈波动。因此必须采取措施补偿这个变化的压降，使机器人工作于稳定电压之下，本课题中的稳定电压为（110±10％）V。由此可见，稳压模块是机器人正常工作的首要保障。基于管道机

5、器人的工作特性，本远端稳压模块须达到以下预期目标：1)实时性好，由电流反馈信号控制的输出电压为实时电流跟随，响应时间快，使机器人两端的电压始终保持在（110±10%）V；2)模块输出没有尖峰脉冲，可以很好地保护机器人；3)模块输出为纯正弦波，使机器人工作在连续、稳定的状况下。2设计框图与原理图1为远端稳压系统总体框图。图中，220V的电源电压，经过调节电源模块后输出电压为U2，U2经过等效电阻R1、R2（R1、R2为1000米导线的等效电阻，大小分别为3.5Ω），产生一定的压降，最终加载到机器人两端的电压为U3，U3即为机

6、器人（可变负载）的工作电压。虚线框内为远端稳压系统。套在调节电源输出端的导线端部的电流传感器将感应到的电流信号送至电流检测反馈模块进行处理，然后反馈至电源调节模块，调节电源根据反馈信号做出即时电压调节，使U3保持恒。换而言之，电源调节模块的输出，为电流跟随，可以补偿导线上的压降。因此，无论机器人工作在什么动作下，电流达到多少，加载到机器人两端的电压都能保持在机器人的正常工作电压110V附近，波动率在±10％以内。电流传感器R1负载电流IL调节220V可变电源U2U3~负载R2电流测量反馈（电源输出控制）控制端（近端）R1、

7、R2为电缆等效电阻负载端（远端）图1稳压系统总体设计框图3调节电源模块原理电源模块原理如图2所示。该系统采用三相桥式逆变电路，选择IGBT作为主控器件。单片机、专用集成电路SA8282、隔离驱动电路、保护电路形成了控制回路。其中单片机与专用集成电路SA8282为核心部件，用于产生驱动信号。输出信号的电压和频率都是由IGBT的门极控制脉冲决定的，而调节SA8282的输出脉冲的占空比就可以得到所需要的输出电压。考虑到远端稳压系统的预期目标，在电源中采用微机控制技术和正弦波脉宽调制技术（SPWM），用微处理器产生SPWM驱动信号

8、。采用查表法，通过三角载波和正弦调制波相比较来确定开关时刻，根据不同的调制度和调制信号的角频率，先离线计算出各开关器件的通断时刻，把计算结果存于存储器中，运行时查表读出所需要的数据进行实施控制。这样占用机时少，响应速度快，真正做到“实时控制”。IGBT(InsulatedGateBipolarTrans