超高壓線路檢修作業遠程遙控智能牽引裝置研發

黎國根，劉 琦

（中國南方電網有限責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中，經常會起吊絕緣子、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，安全風險大。機動絞磨機雖然起吊負荷大，但是其自身質量大，使用并不便捷，在多山、泥濘等地形較復雜的區域很難操作[3]。針對上述問題，研制一種超高壓線路檢修作業遠程遙控智能牽引裝置。

1 設計原則

本文所設計的超高壓線路檢修作業遠程遙控智能牽引裝置以雙通道UCC27324芯片作為功率驅動核心，驅動多顆并聯開關管為負載電機提供強大電流。電機運行時實時監測采集電流與轉速數據，采集轉速后輸出脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）波進行比例-積分-微分（Proportional-Integral-Derivative，PID）增量控制，負載變化時穩定速度輸出，通過電流監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，無線傳感用于實時監測起吊物的質量、數據與控制系統的聯動[5,6]。射頻（Radio Frequency，RF）遙控接收電機驅動部分，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）調制提高數據抗突發干擾和隨機干擾能力。該智能牽引裝置的設計原則主要有以下5個方面。

（1）輕量化。裝置體積小（500 mm×230 mm×250 mm）、質量輕（15 kg），整體結構輕巧緊湊，1個人即可攜帶至現場，尤其適合山區野外檢修作業。

（2）安裝適應性強。可以安裝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）智能數顯。安裝發光二極管（Light Emitting Diode，LED）顯示屏，LED顯示屏與主機聯動，用于顯示起吊物的質量、電機工作、異常狀態數據。當數據異常時，顯示屏閃爍，起到警示作用。

（4）遠程遙控。裝置搭配RF遙控接收電機驅動部分，可以實現300 m范圍內的遠程操控。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，采用雙電源冗余設計。當主電池放電完成后切換至輔助電池放電，當出現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體（Metal Oxide Semiconductor，MOS）管切換，切換時間為0.1 μs，能夠確?？刂破鞑坏綦姟?/p>

2 系統設計

2.1 雙電源智能切換電源系統設計

超高壓線路檢修作業現場大多處于野外，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、閉瞬態與異常工作時會出現大電流或短路，為了確保控制器等負載不掉電、不重啟，整機系統采用雙電源冗余設計。

雙電源系統控制原理如圖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，用于監測主電池組放電電壓。當主電源電壓高于設定放電電壓時，VOUT輸出電源由主電源電池組提供電能；當主電源放電到低于設定放電電壓時，VOUT輸出電源由電源電池組提供電能。實際使用中，R1可由數字電位器代替，從而靈活控制切投電壓值。

圖1 雙電源系統控制原理

2.2 電機驅動力反饋設計

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

圖2 電機驅動組成

如果起吊物的質量超過牽引裝置的額定值，電機可能會出現堵轉，產生較大的電流。如果不采取電機驅動保護措施，那么電路控制部分可能損壞，這樣整套設備就無法操作控制?；诖耍枰⒖刂菩盘柵c反饋力的系統模型。

電機轉矩公式為

式中：Km為與電機結構有關的常數；φ為電機磁通量，Wb；I為驅動電流，A。

直流電機轉速公式為

式中：U為電機端電壓，V；Ke、Km為與電機結構有關的常數；R為電機電阻，Ω。

當相位角趨于最大時，直流電機轉速n=0，由式（1）、式（2）可得

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

2.3 主控板與驅動設計

2.3.1 主控板設計

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為系統工作提供精準時鐘。采集部分主要包括電流傳感器、轉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，轉速傳感器負責監測電機實時工作速度。通過PWM控制輸出電壓，微處理器PWM驅動信號通過光電隔離驅動雙通道半橋芯片UCC27324。主控系統框架如圖3所示。

圖3 主控系統框架

2.3.2 驅動設計

電動絞磨機在啟動瞬間、超載、堵轉等情況下都會產生較大的電流，因此需要設計帶載能力較強的驅動電路。采用多個開關管進行并聯設計，其中Q1、Q2、Q3、Q8、Q9以及Q10構成半橋驅動。Q1、Q2、Q3選用P溝道MOS管IRF4905構成上半橋，用于控制電機正極電路；Q8、Q9、Q10選用N溝道MOS管IFR3205構成下半橋，用于控制電機負極電路。驅動信號由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。該電路具有驅動能力強、速度連續可調等優點，電路構成如圖4所示。

圖4 電機驅動電路

2.4 電機智能保護設計

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。采樣電阻R5經過信號放大器進行放大，從芯片5腳輸出。通過穩壓二極管D1將電壓控制在微控制單元（Micro Controller Unit，MCU）允許電壓范圍內，再將經C2濾波后的信號送給處理器進行模擬數字（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。應用中測量到電機發生電流異常時會及時報警，報警發生后驅動電路將控制電機的運行狀態從而保護電機。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，無線傳感用于實時監測起吊物的質量。裝置搭配RF遙控接收電機驅動，工作頻段為433～442 MHz，最大發射功率為50 mW，靈敏度為-106 dBm。射頻傳輸性能優良，能夠實現300 m范圍內的可靠傳輸。

3 現場使用

超高壓線路檢修作業中的吊裝比較危險，在使用智能牽引裝置時需要嚴格按照規定進行操作，確保現場作業人員和作業設備的安全。

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，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、反轉，并密切注意智能牽引裝置面板指示燈及蜂鳴器是否發出警報。檢修作業結束關閉所有電源，將智能牽引裝置從桿塔上拆除并整理裝箱。

4 結 論

通過開展雙電源智能切換電源系統、大功直流電機驅動、電機智能保護以及無線射頻傳輸研究，最終設計出超高壓線路檢修作業遠程遙控智能牽引裝置。該裝置具備體積小、質量輕、便于安裝以及操作簡單等優勢，能夠實現300 m以內遠程遙控、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。