經(jīng)典巡線(xiàn)機器人電源系統研究

　　1引言

　　機器人巡線(xiàn)是指用機器人攜帶檢測通信儀器沿 全線(xiàn)路行駛作業(yè)，并由機器人完成對線(xiàn)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(shí)時(shí)向地面傳送，由地面進(jìn)行分析處理。在常規地面運作時(shí)，一般采用小型蓄電池定時(shí)更換方式。但是，高壓輸電線(xiàn)路分布在野外，跨越山川湖泊，巡線(xiàn)機器人作業(yè)時(shí)，能量消耗大，而現場(chǎng)沒(méi)有可供充電的電源，并且在巡線(xiàn)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(xiàn)機器人的廣泛應用。

　　為此，本文研究了通過(guò)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(shí)現上述目的，設計鐵芯和線(xiàn)圈從高壓線(xiàn)路上獲取電能，獲取的電能通過(guò)開(kāi)關(guān)電源轉換為穩流源，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(xiàn)機器人主控制系統。

　　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(xiàn) 路存在著(zhù)交變磁場(chǎng)，根據電磁感應定律，磁場(chǎng)中的回路將產(chǎn)生感應電流。在近似認為輸電線(xiàn)路為無(wú)限長(cháng)的前提下，輸電線(xiàn)路所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的磁通線(xiàn)為圍繞它的同心圓。如，輸電線(xiàn)路中的電流為I1，根據安培環(huán)路定理可以推出距輸電線(xiàn)距離為r的空間任一點(diǎn)磁場(chǎng)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(xiàn)上的圓相切，并垂直 于導線(xiàn)的平面。 如果將機器人等為一個(gè)電阻R，則由感應線(xiàn)圈與機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

　　機器人電源系統研究的核心內容是如何高效率 地從輸電線(xiàn)路四周的磁場(chǎng)能量轉換為電能，其中關(guān)鍵部分是鐵芯和線(xiàn)圈的設計。

　　4電源系統的構成

　　4.1鐵芯及線(xiàn)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(xiàn)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(dòng)勢的有效值為：

　　忽略勵磁電流，I1與流經(jīng)R的電流I2滿(mǎn)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(xiàn)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(shí)便能取得較高的能量，并且隨著(zhù)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(chǎng)損耗，鐵芯應是一個(gè)整體，以保證磁路中無(wú)氣隙。但由于高壓輸電線(xiàn)路無(wú)斷點(diǎn)，同時(shí)，機器人在行進(jìn)過(guò)程中需懸垂子、平衡錘等障礙。鐵芯必須設計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)機械手將其分開(kāi)。

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(shí)受線(xiàn)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(shí)達到最大值，此時(shí)應滿(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、勵磁電流的情況下推出的，為了驗證其準確性，我們單獨對線(xiàn)圈匝數進(jìn)行了試驗。實(shí)驗時(shí)，輸電線(xiàn)路電流I1=210A，此時(shí)，根據硅鋼的磁 化曲線(xiàn)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(jiàn)表1。

　　可以看出，在700匝左右時(shí)，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(xiàn)圈從高壓線(xiàn)路上獲取的電能通過(guò)開(kāi)關(guān)電源轉換為穩流源，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(xiàn)機器人主控制系統，圖3是系統控制流程圖。

　　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交替導通，當S1導通時(shí)，S2斷開(kāi)，然后反之。穩態(tài)條件下，在C1= C2時(shí)，S1導通時(shí)，C1上的1/2VS加在原邊線(xiàn)圈上， 副邊繞組電壓使D2導通。經(jīng)占空比所定時(shí)間后，S1關(guān)斷，S2導通，副邊繞組電壓使D1導通。場(chǎng)效應管的開(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，驅動(dòng)MOSFET，驅動(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

　　設計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)，應使用C/102C/15進(jìn)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(xiàn)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(kāi)環(huán)比較器電路，因為，鎳 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(diǎn)。R5是保護電阻，起限流作用。兩個(gè)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(guò)障時(shí)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(guò)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(shí)，由于穩壓管的 非線(xiàn)性，三級管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，提示機器人停機充電。當蓄電池電壓高于24V時(shí)，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(jìn)行了理論分析和實(shí)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(xiàn)圈匝數等）對取電功率的影響，從理論上推出他們之間的關(guān)系，根據理論分析結果，進(jìn)行了相應的試驗;同時(shí)，對電源系統的控制電路及充電電路工作原理進(jìn)行詳細的介紹。本系統研制，對于高壓作業(yè)設備的電能供給問(wèn)題，是一個(gè)很好的 解決方案。