巡线机器人电源系统研究

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作者简介:祝鲁金

(1971),男,山东诸城

人,武汉大学动力与机械学院硕士研究生,主

要从事机器制造及其自动化方面的研究。巡线机器人电源系统研究

3

祝鲁金1

,程志勇

2

(1.武汉大学动力与机械学院,湖北武汉　430072;

2.武汉军械士官学校,湖北武汉　430075)

摘　要:从电磁场基本理论出发,本文讨论了铁芯、感应线圈、负载等参数与输出功率之间的关系,为巡线机器人能最大限度地从输电线路中取得能量得出了匹配公式;设计了相应的充电电路、控制电路、保护电路及铁芯开合机构,对输电线路作业自动装置是一个较好的能源解决方案。

关键词:巡线机器人;电源

中图分类号:TP24 文献标识码:A 文章编号:100324250(2006)0120039204

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I 1,

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I 2,等效图见图1。

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

3基金项目:国家高新技术研究发展(863)计划,项目编号:2002AA420110。收稿日期:2005211214

动势的有效值为:

E =2

πN fB S (3)

R 的功率为:

P 1

=E 2R =2

π2N 2f 2

B 2

S 2

R

(4)

忽略励磁电流,I 1与流经R 的电流I 2满足I 1≈

N I 2,按感应电流计算,R 的功率为:

P 2=I 22

R =

I 12N

2

R

(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。

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P 1及P 2应同时达到最大值,此时应满足P 1=P 2,由此可推出:

N =

I 1R

2πfB S

(6) 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I 1=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。

表1　线圈匝数实验数据

匝数

二次电流

(A )负载有效电压

(V )功率

(W )2000.108130.414.083000.156164.125.594000.189180.234.065000.190201.038.196000.212233.349.467000.233231.153.84800

0.219

229.8

50.33

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。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(s wdi p 22),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C 1=

C 2时,S1导通时,C 1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K A7500B 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。

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。