電流傳感器在巡線(xiàn)機器人夾緊力測量中的應用

1 引 言

高壓和超高壓架空電力線(xiàn)是長(cháng)距離輸配電力的主要方式。為確保供電可靠性，電力公司必須定期對線(xiàn)路設備進(jìn)行巡檢，及時(shí)發(fā)現早期損傷和缺陷，安排必要的維護和修復。目前，對輸電導線(xiàn)進(jìn)行巡檢的方法主要有2 種:

人工巡線(xiàn) 采用肉眼、望遠鏡或紅外成像儀等設備沿地面對轄區內的電力線(xiàn)進(jìn)行觀(guān)測。這種方法勞動(dòng)強度大，工作效率和探測精度低，可靠性差。

航測法 直升飛機巡線(xiàn)。這種方法存在巡線(xiàn)盲區和安全問(wèn)題，巡檢費用昂貴。

移動(dòng)機器人技術(shù)的發(fā)展，為架空電力線(xiàn)路巡檢提供了新的移動(dòng)平臺。高壓巡線(xiàn)機器人是沿架空高壓輸電線(xiàn)路進(jìn)行巡檢作業(yè)的全自動(dòng)化的巡線(xiàn)裝置，能夠帶電工作，沿輸電導線(xiàn)全程運行（包括沿輸電導線(xiàn)的直線(xiàn)段和耐張線(xiàn)段實(shí)現滾動(dòng)爬行，跨越及避讓?xiě)掖咕€(xiàn)夾、懸垂絕緣子、防震錘、耐張線(xiàn)夾、桿塔等結構型障礙） ，利用攜帶的傳感儀器對桿塔、導線(xiàn)及避雷線(xiàn)、絕緣子、線(xiàn)路金具、線(xiàn)路通道等實(shí)施接近檢測，代替工人進(jìn)行電力線(xiàn)路的巡檢工作，提高巡線(xiàn)的工作效率和巡檢精度。作者所在的課題組在國家863 計劃資助下，已研制出巡線(xiàn)機器人樣機，并通過(guò)了現場(chǎng)運行試驗。本文只討論巡線(xiàn)機器人中采用電流傳感器對夾緊力進(jìn)行測量的一種方法。

巡線(xiàn)機器人移動(dòng)平臺是由兩小臂操作手機構和一個(gè)公共的變長(cháng)大臂機構組成。在機器人爬行和跨越障礙物時(shí)，需要讓一個(gè)操作手夾緊導線(xiàn)，騰出另一操作手配合公共的變長(cháng)大臂在空間做動(dòng)作，此時(shí)操作手能否夾緊導線(xiàn)就顯得尤為關(guān)鍵:夾緊力過(guò)大，會(huì )損壞機械結構或驅動(dòng)電機;夾緊力不夠，機器人就可能從導線(xiàn)上掉下來(lái)。由于機器人工作在強電場(chǎng)、強磁場(chǎng)環(huán)境下，且高壓輸電導線(xiàn)為柔性導索，夾緊機構的夾持角度不固定，待夾導線(xiàn)和障礙的直徑也不相同，使其對夾緊力傳感器的選用十分苛刻，必須具備以下條件:（1）能避免強電場(chǎng)、強磁場(chǎng)的干擾。

（2） 能自適應夾緊不同直徑的物體。

（3） 結構小巧、重量輕、便于安裝。

本文采用磁補償式電流傳感器間接測量巡線(xiàn)機器人夾緊力，效果良好。

2 磁補償式電流傳感器原理

磁補償式電流傳感器由原邊線(xiàn)圈、聚磁磁芯、霍爾電極、次級線(xiàn)圈、放大電路等部分組成，如圖1 所示，其工作原理為:原邊電流I1 通過(guò)原邊線(xiàn)圈N1 產(chǎn)生磁場(chǎng)B1 ，其磁力線(xiàn)集中在磁芯氣隙周?chē)?。內置在磁芯氣隙中的霍爾電極產(chǎn)生和原邊磁力線(xiàn)成正比的mV 級電壓，后續電路將這個(gè)微小信號轉換成副邊補償電流I2 ，I2 流過(guò)次級線(xiàn)圈N2 產(chǎn)生補償磁場(chǎng)B2 。當原邊與副邊的磁場(chǎng)達到平衡時(shí)，補償電流I2 即可反映原邊電流I1 的值，即I1 N1 = I2 N2 。輸出電流I2 經(jīng)過(guò)測量電阻Rm ，則可以得到一個(gè)與原邊電流成正比的大小為幾伏的電壓輸出信號。

圖1 磁補償式電流傳感器原理圖

3 系統構成

整個(gè)電流傳感器測力系統由直流驅動(dòng)電機、電流傳感器、模擬/ 數字轉換（A/ D） 模塊、控制器及傳動(dòng)與夾緊機構組成，如圖2 所示。

圖2 系統構成簡(jiǎn)圖

其中直流電機通過(guò)傳動(dòng)機構驅動(dòng)夾緊機構動(dòng)作，電流傳感器串接在電機正極接線(xiàn)端子中，其輸出信號送入A/ D轉換模塊，控制器根據轉換結果控制電機的動(dòng)作。

4 電流傳感器測力原理

在電機工作時(shí)，其工作電流I g 與電機軸輸出轉矩M的關(guān)系為:

I g = f （ M）

當系統采用恒壓源供電時(shí)，I g 與M 成線(xiàn)性關(guān)系，令:

I g = C1 M + C2 （1）

而: M = Mf + Ml （2）

則: I g = C1 （ Mf + Ml） + C2

其中Mf 為機械摩擦阻力矩; Ml 為夾緊力反力矩。

在電機正常工作過(guò)程中Mf 可視為定值（設為C3 ） ，Ml是在夾緊過(guò)程中隨夾緊力F 變化的變量。由于在夾緊過(guò)程中Ml 的力臂保持不變，故Ml 與F 成線(xiàn)性關(guān)系，設:

Ml = C4 F + C5（3）

則: I g = C1 C3 + C1 C4 F + C1 C5 + C2

令: C1 C3 + C1 C5 + C2 = C6 ，C1 C4 = C7

則有:I g = C6 F + C7 （4）

以上各式中C1 ～ C7 均為常數。

由式（4） 可知，夾緊力F 與電機工作電流I g 成線(xiàn)性關(guān)系。用電流傳感器測出電機的工作電流I g ，通過(guò)標定即可轉換為相應的夾緊力F。

5 實(shí)驗數據處理

根據上述方法，選用CS005LX 型霍爾電流傳感器，原邊電流測量范圍- 5～5 A ，副邊額定輸出電壓4 V ，安裝在一臺220 kV 沿相線(xiàn)巡線(xiàn)機器人實(shí)驗樣機上。通過(guò)帶電運行實(shí)驗，測得電流傳感器在夾緊過(guò)程中的輸出如圖3 所示。

圖3 電流傳感器輸出

由于機械摩擦阻力矩隨傳動(dòng)機構的運動(dòng)而變化，電流傳感器的輸出有振動(dòng)現象，需要進(jìn)行相應的軟件濾波處理，以保證夾緊效果。采用連續多次判斷采樣電流大于閥值的方法即可方便地濾除干擾，如圖4 所示。

圖4 軟件濾波流程圖

6 結 論

通過(guò)對不同實(shí)驗條件下夾緊效果的檢測表明:采用電流傳感器測量夾緊力，根據預置閥值的不同可以達到不同的夾緊效果，反應靈敏，重復性較好;能自適應夾緊不同直徑的導線(xiàn)或障礙物，無(wú)需調整軟硬件;不受強電場(chǎng)、強磁場(chǎng)的干擾，符合實(shí)際應用要求。

采用電流傳感器測量高壓巡線(xiàn)機器人的夾緊力，是對電流傳感器用法的一種全新嘗試。他區別于一般的通過(guò)形變來(lái)測量力的方法，通過(guò)對系統功耗的轉化，用電機的驅動(dòng)電流間接地反應夾緊力。這種方法無(wú)需增加額外的儀器設備，不受結構的安裝位置限制，控制簡(jiǎn)單，成本低廉，可應用于過(guò)載保護、拉壓力控制等場(chǎng)合。 電流變送器相關(guān)文章:電流變送器原理
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