经典巡线机器人电源系统研究

经典巡线机器人电源系统研究,第1张

  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。

经典巡线机器人电源系统研究,取电装置电路等效图,第2张

  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:
经典巡线机器人电源系统研究,公式3、4,第3张

  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:
经典巡线机器人电源系统研究,公式5,第4张

  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。

经典巡线机器人电源系统研究,铁芯结构示意图,第5张
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。

经典巡线机器人电源系统研究,线圈匝数实验数据,第6张

  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。

经典巡线机器人电源系统研究,系统控制流程图,第7张

  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。

经典巡线机器人电源系统研究,半桥变换电路,第8张
经典巡线机器人电源系统研究,场效应管开关控制,第9张

  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。

经典巡线机器人电源系统研究,充电使能电路,第10张

  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。

经典巡线机器人电源系统研究,充电控制电路,第11张

  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。

经典巡线机器人电源系统研究,低压保护电路,第12张

  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。

  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。

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