Page 206 - 现代化工程建设技术与理论创新

现代化工程建设技术与理论创新
Modern Engineering Construction Technology and Theoretical Innovation

（二）管道焊接机器人控制系统硬件设计
1. 主控单元设计
控制系统控制器选用基于 ARMCortex-M3 内核的 STM32F103 单片机为微控
制器，该芯片的 CPU 速度高达 72MHz，运行速度快，具有多种控制外设、USB

全速接口和 CAN 总线，可以满足整个系统的电机控制、电流电压的采集处理以
及不同单元间的通信。
控制系统网络组成如图 6-2 所示，控制系统由主控单元、手控器、数据采
集处理、数字化焊接电源组成，整个控制系统以 STM32 为控制核心。由于管

道焊接作业现场环境恶劣、干扰大，所以整个控制系统采用物理结构 RS485 通
信。RS485 采用平衡发送和差分接收，具有抑制共模干扰的能力。通信协议采
用 Modbus 协议。Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用协议，通过此
协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其他设备之间可以

通信。它已经成为通用工业标准。主控单元与手控器、数据采集处理单元通过
基于 RS485 的 Modbus 协议进行通信。主控单元由机器人本体驱动器、角度传
感器、数模转换模块组成。由于 STM32 产生的 PWM 波驱动能力弱，设计了通
过 SN74LVC4245 芯片的放大电路。主控单元中 STM32 产生的 PWM 波无法直

接驱动电机，步进电机驱动器是将电脉冲转化为角位移的执行机构，通过步进
电机驱动器控制步进电机，进而控制焊接机器人沿管道轴向摆动和径向升降。
利用伺服驱动器控制行走电机，实现焊接机器人沿轨道行走。通过数模转换芯
片 DAC7554 产生的 0 到 10V 模拟信号控制数字化焊接电源。角度传感器选用

LIS3DHTR，该器件具有超低功耗高性能三轴线性加速度计，具有数字 I2C/SPI
串行接口标准输出。在控制系统中 LIS3DHTR 与 STM32 采用 SPI 连接方式。由
于管道不同的位置需要匹配不同的焊接工艺参数，所以利用 LIS3DHTR 芯片实
时传感焊机器人的位置以匹配工艺参数。主控单元中的 OLED 显示屏实时显示

焊接参数。
2. 手控器设计
手控器通过 Modbus 协议与主控单元通信，将调节参数的控制指令发给主控
单元。通过手控器控制焊接电流、焊接速度、焊枪摆动幅度等参数，通信协议

如表 6-1 所示。表 6-1 列出了通信指令和主控单元控制对应的参数。手控器将待
调节参数发送到主控单元，主控单元解析指令和参数，控制焊机、步进电机等

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