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經(jīng)典巡線機(jī)器人電源系統(tǒng)研究

1引言　　機(jī)器人巡線是指用機(jī)器人攜帶檢測(cè)通信儀器沿全線路行駛作業(yè)，并由機(jī)器人完成對(duì)線路運(yùn)行故障的檢測(cè)和對(duì)安全事故隱患的巡視，并將所檢測(cè)的信息實(shí)時(shí)向地面?zhèn)魉?，由地面進(jìn)行分析處理。在常規(guī)地面運(yùn)作時(shí)，一般采用小型蓄電池定時(shí)更換方式。但是，高壓輸電線路分布在野外，跨越山川湖泊，巡線機(jī)器人作業(yè)時(shí)，能量消耗大，而現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有可供充電的電源，并且在巡線過(guò)程中頻繁的更換蓄電池會(huì)造成諸多不便，該因素會(huì)極大的限制巡線機(jī)器人的廣泛應(yīng)用。　　為此，本文研究了通過(guò)感應(yīng)取電的方式為機(jī)器人提供電源的供電系統(tǒng)。　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 　　為實(shí)現(xiàn)上述目的，設(shè)計(jì)鐵芯和線圈從高壓線路上獲取電能，獲取的電能通過(guò)開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)流源，并通過(guò)充電使能電路向鎳氫電池充電，同時(shí)，充電控制電路對(duì)電池電壓監(jiān)控以控制充電方式、是否充電、是否停機(jī)，并將信息傳送給巡線機(jī)器人主控制系統(tǒng)。　　3工作原理　　按照電磁場(chǎng)理論，環(huán)繞工作狀態(tài)的高壓輸電線路存在著交變磁場(chǎng)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，磁場(chǎng)中的回路將產(chǎn)生感應(yīng)電流。在近似認(rèn)為輸電線路為無(wú)限長(zhǎng)的前提下，輸電線路所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的磁通線為圍繞它的同心圓。如，輸電線路中的電流為I1，根據(jù)安培環(huán)路定理可以推出距輸電線距離為r的空間任一點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小為： H=I/2 πr（A/m）（1）　　磁感應(yīng)強(qiáng)度為： B=μI/2πr（T）（2）　　B的方面與中心位于導(dǎo)線上的圓相切，并垂直于導(dǎo)線的平面。如果將機(jī)器人等為一個(gè)電阻R，則由感應(yīng)線圈與機(jī)器人組成的回路中將產(chǎn)生電流I2，等效圖見(jiàn)圖1。　　圖1取電裝置電路等效圖　　機(jī)器人電源系統(tǒng)研究的核心內(nèi)容是如何高效率地從輸電線路四周的磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換為電能，其中關(guān)鍵部分是鐵芯和線圈的設(shè)計(jì)。　　4電源系統(tǒng)的構(gòu)成　　4.1鐵芯及線圈　　鐵芯的特性及身體尺寸對(duì)感應(yīng)裝置輸出功率的影響很大，如圖2所示，高壓輸電線路可視為只有一匝的初始繞組，按電磁感應(yīng)定律，R兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值為：　　忽略勵(lì)磁電流，I1與流經(jīng)R的電流I2滿(mǎn)足I1≈ NI2，按感應(yīng)電流計(jì)算，R的功率為：　　由式（4）可知，由于受機(jī)器人體積的限制，在S一定的情況下，應(yīng)選擇合適的鐵芯材料以提高磁感應(yīng)強(qiáng)度是提高輸出功率的途徑。高壓輸電線路中的電流受負(fù)載的影響而不斷變化，峰值電流是谷值電流的數(shù)百倍。在如此大的變化范圍之內(nèi)，為保證能為機(jī)器人連續(xù)供電，取電裝置必須在較小的電流時(shí)便能取得較高的能量，并且隨著電流不斷增加而增大。對(duì)應(yīng)于鐵芯，則要求其應(yīng)具有較高的初始磁導(dǎo)率及較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。在目前使用的軟磁材料中，由于硅鋼片具有較大的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度及疊片系數(shù)，能取得較大的功率，故取其作為鐵芯材料。　　為了避免磁場(chǎng)損耗，鐵芯應(yīng)是一個(gè)整體，以保證磁路中無(wú)氣隙。但由于高壓輸電線路無(wú)斷點(diǎn)，同時(shí)，機(jī)器人在行進(jìn)過(guò)程中需懸垂子、平衡錘等障礙。鐵芯必須設(shè)計(jì)成可以分合的兩部分，在正常工作時(shí)兩部分合為一體，跨越障礙時(shí)需通過(guò)機(jī)械手將其分開(kāi)。圖2 鐵芯結(jié)構(gòu)示意圖　　從式（1）、（2）中同樣可知，取電裝置所取功率同時(shí)受線圈匝數(shù)的影響。取能裝置若要取得最大能量，則P1及P2應(yīng)同時(shí)達(dá)到最大值，此時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足P1=P2，由此可推出　　此時(shí)，取電裝置能取得最大功率。此關(guān)系是在忽略漏磁、氣隙、勵(lì)磁電流的情況下推出的，為了驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，我們單獨(dú)對(duì)線圈匝數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，輸電線路電流I1=210A，此時(shí)，根據(jù)硅鋼的磁化曲線可查得，B≈1.8T，負(fù)載等效電阻R=800 Ω，電流頻率f=50Hz，理論計(jì)算值為N=738。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。　　可以看出，在700匝左右時(shí)，功率達(dá)到最大值，與理論值相近。　　4.2充電及控制電路　　鐵芯和線圈從高壓線路上獲取的電能通過(guò)開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)流源，并通過(guò)充電使能電路向鎳氫電池充電，同時(shí)，充電控制電路對(duì)電池電壓監(jiān)控以控制充電方式、是否充電、是否停機(jī)，并將信息傳送給巡線機(jī)器人主控制系統(tǒng)，圖3是系統(tǒng)控制流程圖。　　4.2.1開(kāi)關(guān)電源電路　　開(kāi)關(guān)電源中采用半橋變換電路進(jìn)行降壓，如圖4所示。為方便說(shuō)明，場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)關(guān)控制用兩個(gè)開(kāi)關(guān)代替（swdip22），開(kāi)關(guān)S1和S2交替導(dǎo)通，當(dāng)S1導(dǎo)通時(shí)，S2斷開(kāi)，然后反之。穩(wěn)態(tài)條件下，在C1= C2時(shí)，S1導(dǎo)通時(shí)，C1上的1/2VS加在原邊線圈上，副邊繞組電壓使D2導(dǎo)通。經(jīng)占空比所定時(shí)間后，S1關(guān)斷，S2導(dǎo)通，副邊繞組電壓使D1導(dǎo)通。場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)關(guān)控制是由KA7500B芯片9，10，12腳來(lái)控制的，控制電路利用變壓器耦合，驅(qū)動(dòng)MOSFET，驅(qū)動(dòng)BG3、BG4和BG7、BG8組成了橋式推挽功率放大電路。通過(guò)9腳輸出高電平時(shí)，10腳為低電平，BG4、BG7導(dǎo)通。變壓器TF1流過(guò)正向電流。變壓器TF1一次繞組上的電壓為反向，大小為從整流橋過(guò)來(lái)的總電壓的一半，如圖5所示。　　10腳輸出高電平時(shí)，9腳為低電平，BG8、BG3 導(dǎo)通。變壓器TF1流過(guò)反向電流。變壓器TF1一次繞組上的電壓為正向，大小同樣為從整流橋過(guò)來(lái)的總電壓的一半。　　4.2.2充電控制電路　　設(shè)計(jì)的充電電路須在電壓至峰值電壓時(shí)，停止充電，以防電池過(guò)充電;并且在充電快完成時(shí)，應(yīng)使用C/102C/15進(jìn)行補(bǔ)充充電，以防止由于電池的弱極化。充電使能電路如圖6所示，SR24是繼電器，CTL+，CTL-連接到線圈的輸出端，78L15為運(yùn)放提供穩(wěn)定的15V電源。使能電路的核心是CA3140，本電路不能采用開(kāi)環(huán)比較器電路，因?yàn)椋?氫電池在充電時(shí)也要工作，其 dv dt 的特性可能變化很大，ca3140接成schmitt觸發(fā)器的形式。　　圖7是充電控制電路，由CA3140組成schmitt 觸發(fā)器，穩(wěn)壓管的主要作用是穩(wěn)定輸出電壓的幅值，為三極管提供合適工作點(diǎn)。R5是保護(hù)電阻，起限流作用。兩個(gè)光隔，分別用于強(qiáng)制快充使能端和快速充電檢測(cè)，為機(jī)器人提供充電信息。　　機(jī)器人過(guò)障時(shí)電機(jī)提供的功率較大，充電電流可能小于放電電流，為避免電池的過(guò)放電而損壞電池，設(shè)計(jì)的保護(hù)電路，如圖8所示。　　當(dāng)蓄電池兩端電壓低于24V時(shí)，由于穩(wěn)壓管的非線性，三級(jí)管Q1基極的電位趨于0，Q1反相截止，電流經(jīng)R5，D2流入光隔D3，產(chǎn)生LOW信號(hào)，提示機(jī)器人停機(jī)充電。當(dāng)蓄電池電壓高于24V時(shí)，則Q1導(dǎo)通，電流由R5流入三極管Q1。　　機(jī)器人需要輸出32V，7A;24V，4A;12V，3A;5V，2A四路電壓，選用DC/DC模塊電源，把電池輸出端的電壓轉(zhuǎn)換成以上四種電壓。　　5結(jié)論　　本文對(duì)機(jī)器人電源系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析和實(shí)際設(shè)計(jì)，主要闡述了感應(yīng)取電裝置各參數(shù)（鐵芯磁性參數(shù)、幾何尺寸、線圈匝數(shù)等）對(duì)取電功率的影響，從理論上推出他們之間的關(guān)系，根據(jù)理論分析結(jié)果，進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn);同時(shí)，對(duì)電源系統(tǒng)的控制電路及充電電路工作原理進(jìn)行詳細(xì)的介紹。本系統(tǒng)研制，對(duì)于高壓作業(yè)設(shè)備的電能供給問(wèn)題，是一個(gè)很好的解決方案。更多機(jī)器人技術(shù)資料，電路圖及DIY設(shè)計(jì)，可參見(jiàn)本期Designs of week——當(dāng)中國(guó)制造遇上機(jī)器人技術(shù)，設(shè)計(jì)思維請(qǐng)跟上！

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