劉衡祁

（武漢理工大學(xué) 自動化學(xué)院，湖北武漢 430070）

無接觸供電在導(dǎo)軌式自動導(dǎo)向小車的研究

劉衡祁

（武漢理工大學(xué) 自動化學(xué)院，湖北武漢 430070）

隨著工業(yè)化進程的日益推進，對物料傳送設(shè)備的自動化水平要求越來越高，自動導(dǎo)向小車（Automated Guided Vehicle， AGV）因其高柔性、易擴展等優(yōu)點而得到了迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用。AGV由于采用可充電蓄電池供電，因此使用就受到蓄電池固有缺陷的制約，在線工作時間受到極大的限制，導(dǎo)致AGV的利用率下降。本項目以工業(yè)物料輸送系統(tǒng)中典型的自動導(dǎo)向小車（AGV）為應(yīng)用對象，闡述了無接觸供電技術(shù)的基本原理、發(fā)展過程以及研究現(xiàn)狀，探討了將無接觸供電技術(shù)應(yīng)用到AGV的可行性和優(yōu)勢。

AGV 無接觸供電 應(yīng)用

隨著工業(yè)化進程的日益推進，對物料傳送設(shè)備的自動化水平要求越來越高，自動導(dǎo)向小車（Automated Guided Vehicle， AGV）因其高柔性、易擴展等優(yōu)點而得到了迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用。AGV由于采用可充電蓄電池供電，因此使用就受到蓄電池固有缺陷的制約，在線工作時間受到極大的限制，導(dǎo)致AGV的利用率下降。隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，自動化物料輸送裝備對供電技術(shù)提出了更高的要求，傳統(tǒng)供電方式由于其固有的局限性已經(jīng)難以滿足新的要求。而無接觸供電技術(shù)（CPS）依靠其安全、可靠、高效、靈活等特點，適應(yīng)了物流自動化發(fā)展的最新要求。

1 項目的研究內(nèi)容

1.1 感應(yīng)式耦合無線電能傳輸機理（ICPT）

ICPT是以耦合的電磁場為媒介實現(xiàn)電能傳遞，對于AGV用ICPT，是將耦合線圈原邊導(dǎo)軌、副邊繞組分置于車外地面上和車內(nèi)底盤上，通過高頻磁場的耦合傳輸電能。該系統(tǒng)主要由發(fā)射部分、感應(yīng)耦合和接收部分組成。其原理如圖1所示。發(fā)射部分從電網(wǎng)獲取電能后經(jīng)過整流濾波獲得直流電，進入逆變器中進行高頻逆變，產(chǎn)生的高頻交變電流在信號控制電路的控制下經(jīng)過一次側(cè)諧振電路后注入原邊導(dǎo)軌，在臨近空間產(chǎn)生高頻交變磁通；位于車底盤的副邊繞組在靠近原邊導(dǎo)軌空間通過感應(yīng)耦合高頻交變磁通獲取感應(yīng)電動勢，同時在信號控制電路的控制下經(jīng)過整流濾波以及穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)為AGV提供電能。此系統(tǒng)本質(zhì)上相當(dāng)于變壓器的疏松耦合系統(tǒng)，其一次側(cè)、二次側(cè)之間通過電磁感應(yīng)實現(xiàn)電能傳輸，因氣隙導(dǎo)致的耦合系數(shù)的降低，可以由提高一次側(cè)輸入電源的頻率加以補償。AGV感應(yīng)式耦合無接觸供電系統(tǒng)示意圖如圖2。

1.2 松耦合變壓器等效模型

AGV感應(yīng)耦合無接觸供電系統(tǒng)的耦合線圈相當(dāng)于一個松耦合變壓器，變壓器的一側(cè)放在地面，另一側(cè)安裝在車底盤上，通過中間幾十厘米的距離傳輸能量。由于原副邊距離較大，所以耦合系數(shù)非常小，不同于傳統(tǒng)的緊耦合變壓器，AGV的耦合線圈具有較大的漏感。

描述松耦合變壓器的模型有漏感等效模型和互感等效模型，漏感等效模型如圖3所示。

圖2 AGV無接觸供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 松耦合變壓器的漏感模型

圖4 松耦合變壓器的互感模型

圖5 原邊LCL副邊LC并聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

如圖3所示，忽略變壓器原、副邊繞組的等效電阻。Ls1和Ls2為原副邊漏感值，Lm為勵磁電感，漏感等效模型將漏感和勵磁電感分開來分析。

圖6 程序流程圖

圖7 實施方案

松耦合變壓器的互感等效模型如圖4所示。

忽略變壓器原、副邊繞組的等效電阻。Lp與Ls分別為原、副邊自感，M為互感，-jωMIs為副邊磁場在原邊的感應(yīng)電壓，jωMIp為原邊磁場在副邊的感應(yīng)電壓。通過互感模型對松耦合變壓器解耦，可以對原副邊單獨進行分析。

從磁的角度分析，兩個模型的主要區(qū)別在于計算中的磁通劃分不同；從電感的角度分析，漏感等效模型側(cè)重對漏感和激磁電感的分析，互感等效模型側(cè)重對互感和自感的分析，用互感來描述變壓器原、副邊的耦合關(guān)系，而在系統(tǒng)設(shè)計時，需要對原副邊自感整體分析進行電容補償，因此互感等效模型不將勵磁電感和漏感分開討論。因此采用互感等效模型對耦合線圈進行分析相對簡單。

1.3 原邊LCL副邊LC并聯(lián)的補償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖5所示，電感L1、L2和電容C1構(gòu)成LCL結(jié)構(gòu)，當(dāng)L1和C1的諧振頻率等于開關(guān)頻率時，流過原邊導(dǎo)軌的電流Ip為恒定的正弦，不受負(fù)載和耦合系數(shù)變化的影響，使得副邊有穩(wěn)定的電能，便于給AGV供能。電容Cp與Lp串聯(lián)，可以減小無功功率，提高電路整體的功率因數(shù)。副邊電容Cs和自感Ls諧振，在合適的參數(shù)設(shè)計下，可以很好地實現(xiàn)軟開關(guān)，減小開關(guān)損耗，提高整體電路效率。因此，決定采用LCL和LC并聯(lián)的方式。

1.4 基于DSP控制的原邊恒流

為了滿足將來實用AGV無接觸供電系統(tǒng)的性能需求，項目目前擬采用DSP：TMS320F28335作為控制核心，以便提高系統(tǒng)的可擴展性。圖6為軟件流程圖，程序?qū)崿F(xiàn)過程如下：

根據(jù)電流傳感器的信號電流與原邊導(dǎo)軌電流的對應(yīng)關(guān)系，預(yù)先設(shè)定電流基準(zhǔn)，每個PWM周期結(jié)束時，進行A/D采樣，進入中斷服務(wù)程序；在中斷服務(wù)程序中，將A/D采樣值與電流基準(zhǔn)值比較，根據(jù)不同情況，確定調(diào)整方式，依據(jù)設(shè)定的算法進行調(diào)節(jié)。

1.5 PWM控制芯片實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出

本穩(wěn)壓方案中開關(guān)轉(zhuǎn)換器的控制方式采用最基本的電壓型控制，屬于單閉環(huán)負(fù)反饋控制方式。BUCK轉(zhuǎn)換器的輸出電壓采樣以后，與給定的基準(zhǔn)電壓相比較，產(chǎn)生變化的 PWM，驅(qū)動功率開關(guān)管，實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

1.6 耦合線圈的仿真設(shè)計及優(yōu)化研究

補償電容僅僅是為了提高功率傳輸能力，但是并不能改善線圈的耦合性能。而優(yōu)化耦合線圈的結(jié)構(gòu)，可以提高能量的傳輸效率，并一定程度上減小電力電子器件的應(yīng)力。因此優(yōu)化耦合線圈結(jié)構(gòu)的研究具有重要的意義。耦合線圈之間的磁場效應(yīng)也是整個無接觸式供電的核心和理論基礎(chǔ)，研究耦合線圈的磁場狀況是項目的關(guān)鍵部分。通過Ansys仿真軟件，進行仿真模擬，設(shè)計線圈結(jié)構(gòu)，使得線圈耦合程度增強。

············

2 項目研究的實施方案及研究方法

2.1 項目研究的實施方案

AGV無接觸式供電裝置的技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)：輸入電壓：三相AC380V，頻率（50±2）Hz；額定輸出功率：3.3kW；輸出穩(wěn)壓值：直流400V。

電網(wǎng)輸出三相交流電經(jīng)過三相PFC電路，提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量，給后級電路提供穩(wěn)定的直流輸入。經(jīng)過全橋逆變結(jié)構(gòu)，直流電轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l交流電，流過耦合線圈原邊導(dǎo)軌，在臨近空間產(chǎn)生高頻交變磁通，位于AGV底盤的副邊線圈在靠近原邊導(dǎo)軌空間通過感應(yīng)耦合高頻交變磁通獲取感應(yīng)電動勢，補償整流穩(wěn)壓后給AGV供電。發(fā)射部分控制：對原邊導(dǎo)軌電流隔離采樣，反饋到DSP控制中心，產(chǎn)生驅(qū)動信號控制逆變橋，實現(xiàn)原邊導(dǎo)軌的恒流。接收部分的控制：對負(fù)載電壓采樣反饋到PWM控制芯片實現(xiàn)輸出電壓恒定。

2.2 項目的研究方法

（1）拾電器電磁機構(gòu)設(shè)計的研究方法：以電磁場理論、磁性材料知識、變壓器原理以及磁路設(shè)計原理為理論基礎(chǔ)，針對AGV的應(yīng)用提出研究指標(biāo)，Ansoft Maxwell有限元電磁場仿真軟件為工具，最后設(shè)計開發(fā)電磁機構(gòu)實物進行實驗測試與驗證。

（2）拾電器電能處理電路設(shè)計的研究方法：以諧振電路、整流濾波電路和穩(wěn)壓電路相關(guān)理論為基礎(chǔ)，在Simulink中對電路進行仿真，設(shè)計并驗證電路拓?fù)涞暮侠硇?。配合電路設(shè)計軟件Altium Designer進行電路設(shè)計，完成實物電路制作并加以測試與驗證。

3 結(jié)語

本研究項目旨在通過感應(yīng)耦合式電能傳輸技術(shù)實現(xiàn)AGV的無接觸供電，相比于傳統(tǒng)導(dǎo)線連接進行供電的方式，其最大優(yōu)點是安全，可以避免接觸火花和導(dǎo)線裸露造成的安全隱患，即使在惡劣的氣候下，如雨雪天，給AGV供電也無觸電的危險；其次是便利，采用無接觸式供電方式節(jié)省充電樁占用的大量土地，使AGV供電不再是制約其發(fā)展的困局。本項目通過感應(yīng)耦合式電能傳輸技術(shù)對AGV供電，促進無接觸供電技術(shù)的發(fā)展與進步。

［1］法勒移動供電貿(mào)易（上海）有限公司.非接觸供電系統(tǒng)在物流領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.物流技術(shù)與應(yīng)用，2007，12（4）：100-101.

［2］孫勇，樓佩煌，吳亮亮.非接觸供電系統(tǒng)的應(yīng)用平臺研究［J］.工業(yè)控制計算機，2009（3）.

［3］張捍東，董保華.自動化倉庫中AGVS的設(shè)計.起重運輸機械，2006，11：12-16.

［4］楊文華，蘇運春，喻銳等.無接觸供電技術(shù)在AGV中的應(yīng)用.物流技術(shù)與應(yīng)用，2009，3：86-88.

［5］武瑛，嚴(yán)陸光，徐善綱.新型無接觸電能傳輸系統(tǒng)的性能分析.電工電能新技術(shù)，2003，22（4）：10-14.

［6］紀(jì)壽文，李克強.智能化的物流搬運機器人——AGV.中國物流與采購，2004，2：56-57.