一种钢芯铝绞线修复装置控制器的设计

陈凌峰 李安娜 吴淑桦 陈贤钰

（华南理工大学广州学院<电气工程学院>，广东 广州510800）

0 引言

随着我国电网规模的不断扩大，架空输配电线路网络覆盖愈加广泛，为保障国民的用电需求，当输配电线路出现故障时对绝缘线路以及钢芯铝绞线的修复工作至关重要。近年来，无人巡检的普及使远程操控逐渐取代传统人工现场操控，既保障了故障排查的实时性也保障了维修人员的工作安全性。而在维修工作中一款合适的控制器对操作过程中的各种精细动作发挥着不可替代的作用。而能够远程遥控是整个控制器的工作流程中操作的重要环节，本文针对目前钢芯铝绞线破损修复装置相关远程控制器较为缺乏的现状，提出一种钢芯铝绞线修复装置控制器的设计，并对控制器的设计以及硬件结构进行了简单的阐述和分析[1]。

1 总体设计方案

钢芯铝绞线修复装置控制器主要分为两部分：一部分是对钢芯铝绞线进行修复的修复执行装置主控板，另一部分则是控制修复装置执行修复动作的遥控器。修复执行装置由修复执行机械结构和主控板组成，其中执行机械结构由铝绞线复原、铝管嵌套、液压钳驱动等装置组成，而主控板硬件电路由增强型51单片机STC15W4K系列芯片、DM542步进电机驱动模块、NRF24L01无线模块以及57112步进电机等组成。遥控器硬件电路由增强型51单片机STC15W4K系列芯片、NRF24L01无线模块以及按键模块组成[2-4]。钢芯铝绞线修复装置控制器总体设计方案如图1所示[5-7]。

图1 钢芯铝绞线修复装置控制器总体设计方案

2 控制器硬件设计

2.1 步进电机硬件设计

铝绞线复原装置、铝管嵌套装置以及液压钳驱动装置均设计了相应的机械执行机构，而驱动机械执行机构功能则需要步进电机进行配合。通过比较分析和测试，选用力矩为3.4NM，型号为57112步进电机作为机械执行机构驱动器。

修复执行装置控制器的主控板硬件电路使用24V的锂电池作为电源，经LM2596-5.0V降压模块输出+5V电压给增强型51单片机STC15W4K系列芯片、NRF24L01无线通信模块等供电。

DM542为57112步进电机驱动模块，其工作电压范围DC20~50 V，工作电流范围1.0~4.2 A，脉冲细分400~25 600，支持3.3V/5V/24 V脉冲信号，带载三代32位DSP处理器，具有稳定耐用、性能好、噪音低、发热量低特点[8]。

使用增强型51单片机STC154K系列芯片普通准双向口I/O与5个DM542步进电机驱动模块中的使能信号和方向信号一一连接，专用外设高精度PWM2~PWM6接口与步进电机驱动模块中的脉冲信号端口一一连接。修复执行装置主控板主控芯片与1个步进电机连接的硬件电路设计如图2所示。

图2 主控芯片与1个步进电机连接的硬件电路

2.2 NRF24L01无线通信模块硬件设计

NRF24L01是一款具有嵌入式基带协议引擎的2.4GHz收发器，适用于超低功耗无线应用场景。只需要一个MCU和一些外部无源组件，可以通过串行外设接口（SPI）操作和配置nRF24L01。它具有用户可配置的参数，例如频道，输出功率和空中数据速率。NRF24L01+支持250 kb/s，1 Mb/s和2Mb/s的空中数据速率。修复执行装置主控板主控芯片与NRF24L01无线通信模块硬件电路设计如图3所示。

图3 主控芯片与NRF24L01无线模块硬件电路

2.3 修复执行装置遥控器硬件设计

修复执行装置遥控器的硬件电路中使用9V的锂电池作为电源，经LM2596-5.0V降压模块输出+5V电压给增强型51单片机STC15W4K系列芯片、NRF24L01无线通信模块、按键模块等供电，增强型51单片机STC15W4K系列芯片使用专用SPI接口与NRF无线通信SPI接口连接，普通准双向口I/O与按键模块连接。修复执行装置遥控器的硬件电路如图4所示[9-10]。

图4 绝缘修复装置遥控器的硬件电路

3 修复装置软件设计

3.1 修复执行装置主控板的主程序设计

修复执行装置执行机构主要具备以下三点功能：①主控芯片通过专用的SPI同步串行通信方式对NRF24L01无线模块进行相关设置初始化并设置为接收模式；②NRF24L01无线模块实时接收遥器发送过来的相关指令；③主控芯片根据NRF24L01无线模块接收到的指令发出相应的步进电机控制信号以实现修复执行装置在输电线上的行走、受损区域修复动作等。

修复执行装置的主控板主程序设计思路：主控芯片上电复位后对其I/O口、内部资源定时器T0、专用的SPI同步串行通信、高精度PWM2~PWM6进行初始化，接着对NRF24L01无线模块进行相应的初始化配置，驱动步进电机对修复执行装置各个机械结构体进行复位，最后实时判断NRF24L01无线通信模块是否接收到指令数据，并根据指令数据做出相应的执行动作。修复执行装置主控板主程序设计流程如图5所示。

图5 修复执行装置主控板主程序设计流程图

3.2 修复执行装置主控板主控芯片SPI功能初始化配置程序设计

因增强型51单片机STC15W4K系列芯片具备的高速串行通信接口SPI有三组引脚可进行切换，所以需配合硬件线路连接引脚号对主控芯片SPI接口进行选择，同时配置主控芯片为主工作模式、数据最高位最先发送、时钟频率选择为CPU_CLK/4、清楚SPI状态位等初始化配置。主控芯片SPI初始化程序设计流程如图6所示。

图6 主控芯片SPI初始化程序设计流程图

3.3 修复执行装置主控板主控芯片的高精度PWM初始化配置程序设计

增强型51单片机STC15W4K系列芯片集成一组可供6路15位高精度PWM使用的增强型PWM波形发生器，且每一路PWM均有两组输出引脚进行切换。根据实际硬件线路连接，需对主控芯片PWM输出接口、初始化电平、时钟源以及占空比等参数进行配置。PWM初始化配置程序设计流程如图7所示。

图7 PWM初始化配置程序设计流程图

3.4 修复执行装置遥控器的主控芯片主程序设计

遥控器主要具备以下三点功能：①主控芯片通过专用的SPI同步串行通信方式对NRF24L01无线模块进行相关设置初始化并设置为发射模式；②NRF24L01无线模块实时将用户按下遥控器相关按键指令发送至修复执行装置控制器；③实时扫描遥控器相关功能按键，使用定时器延时扫描发消除按键抖动以获得比较准确的用户按键指令。

遥控器主控芯片主程序设计思路：主控芯片上电复位后对其I/O口、内部资源定时器T0、专用的SPI同步串行通信进行初始化，接着对NRF24L01无线模块进行相应的初始化配置，最后实时扫描遥控器各个按键，判断用户是否按下相应按键并通过NRF24L01无线模块发送对应的功能指令数据。修复装置遥控器主控芯片主程序设计流程如图8所示。

图8 修复装置遥控器主控芯片主程序设计流程图

4 实验与分析

根据实际测试控制器可远程遥控修复装置执行修复动作，且能够实现预期功能，目前尚处于实验测试阶段，控制器遥控距离更远、更加灵敏是一个大的改进方向，也需要后期不断探索、改进以及测试验证。

5 结论

随着我国电网规模经济的不断扩大发展，用户对供电可靠性需求不断提高，传统运维方式已经难以满足未来电力系统的需求，假装智能化修复装置在输配电线路中不仅可以降低运维人员所要面临的高压危险，而且还可以完成更精细化的绝缘修复工作。

本文所提出的一种钢芯铝绞线修复装置控制器通过对修复装置的精细化控制从而推动辅助智能维修的进程，整个操作过程不需要断电，实现由修复装置替代人工的钢芯铝绞线修复工作，对减少能源消耗，节省人力资源，保障维修工作安全以及提升修复效率有着重要意义，为输配电线路的智能化修复工作技术提供参考。