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經典巡線機器人電源系統研究

1引言　　機器人巡線是指用機器人攜帶檢測通信儀器沿全線路行駛作業，并由機器人完成對線路運行故障的檢測和對安全事故隱患的巡視，并將所檢測的信息實時向地面傳送，由地面進行分析處理。在常規地面運作時，一般采用小型蓄電池定時更換方式。但是，高壓輸電線路分布在野外，跨越山川湖泊，巡線機器人作業時，能量消耗大，而現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造成諸多不便，該因素會極大的限制巡線機器人的廣泛應用。　　為此，本文研究了通過感應取電的方式為機器人提供電源的供電系統。　　2 系統結構　　為實現上述目的，設計鐵芯和線圈從高壓線路上獲取電能，獲取的電能通過開關電源轉換為穩流源，并通過充電使能電路向鎳氫電池充電，同時，充電控制電路對電池電壓監控以控制充電方式、是否充電、是否停機，并將信息傳送給巡線機器人主控制系統。　　3工作原理　　按照電磁場理論，環繞工作狀態的高壓輸電線路存在著交變磁場，根據電磁感應定律，磁場中的回路將產生感應電流。在近似認為輸電線路為無限長的前提下，輸電線路所產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，根據安培環路定理可以推出距輸電線距離為r的空間任一點磁場強度的大小為： H=I/2 πr（A/m）（1）　　磁感應強度為： B=μI/2πr（T）（2）　　B的方面與中心位于導線上的圓相切，并垂直于導線的平面。如果將機器人等為一個電阻R，則由感應線圈與機器人組成的回路中將產生電流I2，等效圖見圖1。　　圖1取電裝置電路等效圖　　機器人電源系統研究的核心內容是如何高效率地從輸電線路四周的磁場能量轉換為電能，其中關鍵部分是鐵芯和線圈的設計。　　4電源系統的構成　　4.1鐵芯及線圈　　鐵芯的特性及身體尺寸對感應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，按電磁感應定律，R兩端的感應電動勢的有效值為：　　忽略勵磁電流，I1與流經R的電流I2滿足I1≈ NI2，按感應電流計算，R的功率為：　　由式（4）可知，由于受機器人體積的限制，在S一定的情況下，應選擇合適的鐵芯材料以提高磁感應強度是提高輸出功率的途徑。高壓輸電線路中的電流受負載的影響而不斷變化，峰值電流是谷值電流的數百倍。在如此大的變化范圍之內，為保證能為機器人連續供電，取電裝置必須在較小的電流時便能取得較高的能量，并且隨著電流不斷增加而增大。對應于鐵芯，則要求其應具有較高的初始磁導率及較高的飽和磁感應強度。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強度及疊片系數，能取得較大的功率，故取其作為鐵芯材料。　　為了避免磁場損耗，鐵芯應是一個整體，以保證磁路中無氣隙。但由于高壓輸電線路無斷點，同時，機器人在行進過程中需懸垂子、平衡錘等障礙。鐵芯必須設計成可以分合的兩部分，在正常工作時兩部分合為一體，跨越障礙時需通過機械手將其分開。圖2 鐵芯結構示意圖　　從式（1）、（2）中同樣可知，取電裝置所取功率同時受線圈匝數的影響。取能裝置若要取得最大能量，則P1及P2應同時達到最大值，此時應滿足P1=P2，由此可推出　　此時，取電裝置能取得最大功率。此關系是在忽略漏磁、氣隙、勵磁電流的情況下推出的，為了驗證其準確性，我們單獨對線圈匝數進行了試驗。實驗時，輸電線路電流I1=210A，此時，根據硅鋼的磁化曲線可查得，B≈1.8T，負載等效電阻R=800 Ω，電流頻率f=50Hz，理論計算值為N=738。試驗數據見表1。　　可以看出，在700匝左右時，功率達到最大值，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開關電源轉換為穩流源，并通過充電使能電路向鎳氫電池充電，同時，充電控制電路對電池電壓監控以控制充電方式、是否充電、是否停機，并將信息傳送給巡線機器人主控制系統，圖3是系統控制流程圖。　　4.2.1開關電源電路　　開關電源中采用半橋變換電路進行降壓，如圖4所示。為方便說明，場效應管的開關控制用兩個開關代替（swdip22），開關S1和S2交替導通，當S1導通時，S2斷開，然后反之。穩態條件下，在C1= C2時，S1導通時，C1上的1/2VS加在原邊線圈上，副邊繞組電壓使D2導通。經占空比所定時間后，S1關斷，S2導通，副邊繞組電壓使D1導通。場效應管的開關控制是由KA7500B芯片9，10，12腳來控制的，控制電路利用變壓器耦合，驅動MOSFET，驅動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，10腳為低電平，BG4、BG7導通。變壓器TF1流過正向電流。變壓器TF1一次繞組上的電壓為反向，大小為從整流橋過來的總電壓的一半，如圖5所示。　　10腳輸出高電平時，9腳為低電平，BG8、BG3 導通。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　　設計的充電電路須在電壓至峰值電壓時，停止充電，以防電池過充電;并且在充電快完成時，應使用C/102C/15進行補充充電，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為運放提供穩定的15V電源。使能電路的核心是CA3140，本電路不能采用開環比較器電路，因為，鎳氫電池在充電時也要工作，其 dv dt 的特性可能變化很大，ca3140接成schmitt觸發器的形式。　　圖7是充電控制電路，由CA3140組成schmitt 觸發器，穩壓管的主要作用是穩定輸出電壓的幅值，為三極管提供合適工作點。R5是保護電阻，起限流作用。兩個光隔，分別用于強制快充使能端和快速充電檢測，為機器人提供充電信息。　　機器人過障時電機提供的功率較大，充電電流可能小于放電電流，為避免電池的過放電而損壞電池，設計的保護電路，如圖8所示。　　當蓄電池兩端電壓低于24V時，由于穩壓管的非線性，三級管Q1基極的電位趨于0，Q1反相截止，電流經R5，D2流入光隔D3，產生LOW信號，提示機器人停機充電。當蓄電池電壓高于24V時，則Q1導通，電流由R5流入三極管Q1。　　機器人需要輸出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換成以上四種電壓。　　5結論　　本文對機器人電源系統進行了理論分析和實際設計，主要闡述了感應取電裝置各參數（鐵芯磁性參數、幾何尺寸、線圈匝數等）對取電功率的影響，從理論上推出他們之間的關系，根據理論分析結果，進行了相應的試驗;同時，對電源系統的控制電路及充電電路工作原理進行詳細的介紹。本系統研制，對于高壓作業設備的電能供給問題，是一個很好的解決方案。更多機器人技術資料，電路圖及DIY設計，可參見本期Designs of week——當中國制造遇上機器人技術，設計思維請跟上！

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經典巡線機器人電源系統研究