缆索机器人无线控制系统研究

论文摘要

由于不同直径的缆索在工程应用中不断增多,缆索检测和维护等相关问题日益突出并得到重视,随着研究不断深入,缆索检测与维护技术得到较大发展,但其小型化,可靠性和适应性还不尽如人意,本文着重研究构建稳定、可靠、小型化缆索检测机器人控制系统的相关技术。首先从工程的实际需求出发,提出设计要求,论证设计方案。通过合理简化驱动系统力学模型的方式,分析、计算和设计了以步进电机为驱动件的驱动部分。通过比较各种通信方式的优劣,结合本系统轻型化的设计要求,通过选用与控制器相匹配的通信模块的方式,构建无线通讯系统。最后通过分析和比较,提出了控制器的嵌入式解决方案,并选择相应模块或者芯片完成系统的构建。对于控制器的硬件实现过程,主要包括硬件电路的EDA分析和实现、PCB电路的电磁兼容设计两部分内容。文中着重对控制器性能有重要影响的部分进行了详细分析和阐述,如电源电路部分、复位电路部分、编码器接口部分以及步进电机驱动部分。基于电磁兼容理论,本文分析了PCB的微带线走线在高频信号传输中的特性,进行有针对性的旁路去耦电容设计、传输线的特性阻抗匹配、平行走线串扰模型的构建和分析以及探寻RF干扰的形成原因和抑制措施。嵌入式系统是软件和硬件的结合体,在软件方面,文中分析了关键功能的实现流程,通过封装MCX314芯片控制函数的方式,实现控制器的软件系统。同时在软件设计上通过设置同步处理容限等措施,提高系统的可靠性。通过上述的分析和设计,得到针对性的设计数据和措施,极大地提高了控制器的可靠性,有利于实现运动控制系统稳定驱动的设计目标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 缆索检测的国内外研究现状
• 1.2 课题研究的学术和实用意义
• 1.3 课题研究的主要内容
• 2 运动控制系统分析与构建
• 2.1 系统特性分析
• 2.2 机器人机械结构分析以及运动控制要求
• 2.2 子系统方案分析与构建
• 2.2.1 机器人驱动方案
• 2.2.2 人机通信方案
• 2.2.3 控制器方案
• 2.3 机器人驱动执行元件设计
• 2.3.1 驱动系统受力分析
• 2.3.2 驱动执行元件选择与性能分析
• 2.4 本章小结
• 3 机器人控制器硬件设计
• 3.1 主要集成电路芯片的功能分析与选型
• 3.1.1 CPU 芯片
• 3.1.2 步进电机运动控制芯片
• 3.1.3 步进电机驱动芯片
• 3.1.4 无线遥控模块
• 3.2 控制器硬件设计的关键技术
• 3.2.1 EDA 技术与设计流程
• 3.2.2 系统电源电路设计与仿真分析
• 3.2.3 复位电路设计
• 3.2.4 系统时钟电路
• 3.2.5 UART 以及JTAG 接口电路
• 3.2.6 步进电机驱动接口电路
• 3.2.7 编码器反馈接口电路
• 3.2.8 SPI 数显功能电路
• 3.3 本章小结
• 4 控制器PCB 设计与制造关键技术分析
• 4.1 PCB 设计原则
• 4.2 控制器PCB 的EMC 设计
• 4.2.1 电磁兼容（EMC）概述
• 4.2.2 旁路和去耦电容设计
• 4.2.3 传输线的特性阻抗匹配
• 4.2.4 平行走线的串扰模型分析
• 4.2.5 PCB 走线的RF 干扰分析
• 4.2.6 电源电路的EMC 设计原则
• 4.3 控制器PCB 制造工艺分析
• 4.4 控制器PCB 图
• 4.5 本章小结
• 5 控制系统功能分析与软件实现
• 5.1 ADS1.2 集成开发环境简介
• 5.2 系统控制流程与关键功能实现
• 5.2.1 系统控制流程分析
• 5.2.2 步进电机同步驱动控制流程与软件实现
• 5.2.3 遥控信号调速控制流程分析
• 5.3 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 结论
• 6.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• B：系统原理图
• C：控制器PCB 图