经典巡线机器人电源系统研究

XJzy

[导读] 机器人巡线是指用机器人携带检测通信仪器沿 全线路行驶作业，并由机器人完成对线路运行故障的检测和对安全事故隐患的巡视，并将所检测的信息实时向地面传送，由地面进行分析处理。
　1引言

　　机器人巡线是指用机器人携带检测通信仪器沿 全线路行驶作业，并由机器人完成对线路运行故障的检测和对安全事故隐患的巡视，并将所检测的信息实时向地面传送，由地面进行分析处理。在常规地面运作时，一般采用小型蓄电池定时更换方式。但是，高压输电线路分布在野外，跨越山川湖泊，巡线机器人作业时，能量消耗大，而现场没有可供充电的电源，并且在巡线过程中频繁的更换蓄电池会造成诸多不便，该因素会极大的限制巡线机器人的广泛应用。

　　为此，本文研究了通过感应取电的方式为机器人提供电源的供电系统。

　　2 系统结构

　　为实现上述目的，设计铁芯和线圈从高压线路上获取电能，获取的电能通过开关电源转换为稳流源，并通过充电使能电路向镍氢电池充电，同时，充电控制电路对电池电压监控以控制充电方式、是否充电、是否停机，并将信息传送给巡线机器人主控制系统。

　　3工作原理

　　按照电磁场理论，环绕工作状态的高压输电线 路存在着交变磁场，根据电磁感应定律，磁场中的回路将产生感应电流。在近似认为输电线路为无限长的前提下，输电线路所产生的磁场的磁通线为围绕它的同心圆。如，输电线路中的电流为I1，根据安培环路定理可以推出距输电线距离为r的空间任一点磁场强度的大小为： H=I/2 πr（A/m）（1）

　　磁感应强度为： B=μI/2πr（T）（2）

　　B的方面与中心位于导线上的圆相切，并垂直 于导线的平面。 如果将机器人等为一个电阻R，则由感应线圈与机器人组成的回路中将产生电流I2，等效图见图1。

取电装置电路等效图

　　图1取电装置电路等效图

　　机器人电源系统研究的核心内容是如何高效率 地从输电线路四周的磁场能量转换为电能，其中关键部分是铁芯和线圈的设计。

　　4电源系统的构成

　　4.1铁芯及线圈

　　铁芯的特性及身体尺寸对感应装置输出功率的影响很大，如图2所示，高压输电线路可视为只有一匝的初始绕组，按电磁感应定律，R两端的感应电动势的有效值为：
公式3、4

　　忽略励磁电流，I1与流经R的电流I2满足I1≈ NI2，按感应电流计算，R的功率为：
公式5

　　由式（4）可知，由于受机器人体积的限制，在S一定的情况下，应选择合适的铁芯材料以提高磁感应强度是提高输出功率的途径。 高压输电线路中的电流受负载的影响而不断变化，峰值电流是谷值电流的数百倍。在如此大的变化范围之内，为保证能为机器人连续供电，取电装置必须在较小的电流时便能取得较高的能量，并且随着电流不断增加而增大。对应于铁芯，则要求其应具有较高的初始磁导率及较高的饱和磁感应强度。在目前使用的软磁材料中，由于硅钢片具有较大的饱和磁感应强度及叠片系数，能取得较大的功率，故取其作为铁芯材料。

　　为了避免磁场损耗，铁芯应是一个整体，以保证磁路中无气隙。但由于高压输电线路无断点，同时，机器人在行进过程中需悬垂子、平衡锤等障碍。铁芯必须设计成可以分合的两部分，在正常工作时两部分合为一体，跨越障碍时需通过机械手将其分开。

铁芯结构示意图
图2 铁芯结构示意图

　　从式（1）、 （2）中同样可知，取电装置所取功率同时受线圈匝数的影响。取能装置若要取得最大能量，则P1及P2应同时达到最大值，此时应满足P1=P2，由此可推出

　　此时，取电装置能取得最大功率。此关系是在忽略漏磁、气隙、励磁电流的情况下推出的，为了验证其准确性，我们单独对线圈匝数进行了试验。实验时，输电线路电流I1=210A，此时，根据硅钢的磁 化曲线可查得，B≈1.8T，负载等效电阻R=800 Ω，电流频率f=50Hz，理论计算值为N=738。试验数据见表1。

线圈匝数实验数据

　　可以看出，在700匝左右时，功率达到最大值，与理论值相近。

　　4.2充电及控制电路

　　铁芯和线圈从高压线路上获取的电能通过开关电源转换为稳流源，并通过充电使能电路向镍氢电池充电，同时，充电控制电路对电池电压监控以控制充电方式、是否充电、是否停机，并将信息传送给巡线机器人主控制系统，图3是系统控制流程图。

系统控制流程图

　　4.2.1开关电源电路

　　开关电源中采用半桥变换电路进行降压，如图4所示。为方便说明，场效应管的开关控制用两个开关代替（swdip22），开关S1和S2交替导通，当S1导通时，S2断开，然后反之。稳态条件下，在C1= C2时，S1导通时，C1上的1/2VS加在原边线圈上， 副边绕组电压使D2导通。经占空比所定时间后，S1关断，S2导通，副边绕组电压使D1导通。场效应管的开关控制是由KA7500B芯片9，10，12脚来控制的，控制电路利用变压器耦合，驱动MOSFET，驱动BG3、BG4和BG7、BG8组成了桥式推挽功率放大电路。通过9脚输出高电平时，10脚为低电平，BG4、BG7导通。变压器TF1流过正向电流。变压器TF1一次绕组上的电压为反向，大小为从整流桥过来的总电压的一半，如图5所示。

半桥变换电路
场效应管开关控制

　　10脚输出高电平时，9脚为低电平，BG8、BG3 导通。变压器TF1流过反向电流。变压器TF1一 次绕组上的电压为正向，大小同样为从整流桥过来的总电压的一半。

　　4.2.2充电控制电路

　　设计的充电电路须在电压至峰值电压时，停止 充电，以防电池过充电;并且在充电快完成时，应使用C/102C/15进行补充充电，以防止由于电池的弱极化。 充电使能电路如图6所示，SR24是继电器，CTL+，CTL-连接到线圈的输出端，78L15为运放提供稳定的15V电源。使能电路的核心是CA3140，本电路不能采用开环比较器电路，因为，镍 氢电池在充电时也要工作，其 dv dt 的特性可能变化很大，ca3140接成schmitt触发器的形式。

充电使能电路

　　图7是充电控制电路，由CA3140组成schmitt 触发器，稳压管的主要作用是稳定输出电压的幅值，为三极管提供合适工作点。R5是保护电阻，起限流作用。两个光隔，分别用于强制快充使能端和快速充电检测，为机器人提供充电信息。

充电控制电路

　　机器人过障时电机提供的功率较大，充电电流可能小于放电电流，为避免电池的过放电而损坏电池，设计的保护电路，如图8所示。

低压保护电路

　　当蓄电池两端电压低于24V时，由于稳压管的 非线性，三级管Q1基极的电位趋于0，Q1反相截止，电流经R5，D2流入光隔D3，产生LOW信号，提示机器人停机充电。当蓄电池电压高于24V时，则Q1导通，电流由R5流入三极管Q1。

　　机器人需要输出32V，7A;24V，4A;12V，3A;5V，2A四路电压，选用DC/DC模块电源，把电池输 出端的电压转换成以上四种电压。

　　5结论

　　本文对机器人电源系统进行了理论分析和实际设计，主要阐述了感应取电装置各参数（铁芯磁性参数、几何尺寸、线圈匝数等）对取电功率的影响，从理论上推出他们之间的关系，根据理论分析结果，进行了相应的试验;同时，对电源系统的控制电路及充电电路工作原理进行详细的介绍。本系统研制，对于高压作业设备的电能供给问题，是一个很好的 解决方案。

      更多机器人技术资料，电路图及DIY设计，可参见本期Designs of week——当中国制造遇上机器人技术，设计思维请跟上！

当中国制造遇上机器人技术，设计思维请跟上！