經(jīng)典巡線機(jī)器人電源系統(tǒng)分析

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】經(jīng)典巡線機(jī)器人電源系統(tǒng)分析1引言

機(jī)器人巡線是指用機(jī)器人攜帶檢測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)行故障的檢測和對(duì)安全事故隱患的巡視，并將所檢測的信息實(shí)時(shí)向地面?zhèn)魉停傻孛骈_展分析處理。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)場沒有可供充電的電源，并且在巡線過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)構(gòu)造

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，獲取的電能通過開關(guān)電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)流源，并通過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

按照電磁場理論，環(huán)繞工作狀態(tài)的高壓輸電線路存在著交變磁場，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，磁場中的回路將產(chǎn)生感應(yīng)電流。在近似認(rèn)為輸電線路為無限長的前提下，輸電線路所產(chǎn)生的磁場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)磁場強(qiáng)度的大小為：H=I/2πr（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)研究的內(nèi)容是如何高效率地從輸電線路四周的磁場能量轉(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)勢的有效值為：

忽略勵(lì)磁電流，I1與流經(jīng)R的電流I2滿足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。

為了防止磁場損耗，鐵芯應(yīng)是一個(gè)整體，以保證磁路中無氣隙。但由于高壓輸電線路無斷點(diǎn)，同時(shí)，機(jī)器人在行進(jìn)過程中需懸垂子、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)需通過機(jī)械手將其分開。

圖2鐵芯構(gòu)造示意圖

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。取能裝置若要取得能量，則P1及P2應(yīng)同時(shí)到達(dá)值，此時(shí)應(yīng)滿足P1=P2，由此可推出。

此時(shí)，取電裝置能取得功率。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)開展了試驗(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=800Ω，電流頻率f=50Hz，理論計(jì)算值為N=738。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

可以看出，在700匝左右時(shí)，功率到達(dá)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開關(guān)電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)流源，并通過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開關(guān)電源電路

開關(guān)電源中采用半橋變換電路開展降壓，如圖4所示。為方便說明，場效應(yīng)管的開關(guān)控制用兩個(gè)開關(guān)代替（swdip22），開關(guān)S1和S2交替導(dǎo)通，當(dāng)S1導(dǎo)通時(shí)，S2斷開，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。場效應(yīng)管的開關(guān)控制是由KA7500B芯片9,10,12腳來控制的，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流過正向電流。變壓器TF1繞組上的電壓為反向，大小為從整流橋過來的總電壓的一半，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來的總電壓的一半。

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，以防電池過充電；并且在充電快完成時(shí)，應(yīng)使用C/102C/15開展補(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。使能電路的是CA3140,本電路不能采用開環(huán)比較器電路，因?yàn)?，鎳氫電池在充電時(shí)也要工作，其dvdt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，為機(jī)器人提供充電信息。

機(jī)器人過障時(shí)電機(jī)提供的功率較大，充電電流可能小于放電電流，為防止電池的過放電而損壞電池，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)開展了理論分