梁書銘

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司茂名供電局，廣東茂名525000）

0 引言

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，變電站現(xiàn)場(chǎng)檢修和試驗(yàn)工作都大量地使用電動(dòng)工具和儀器來(lái)提高工作效率，而現(xiàn)場(chǎng)的檢修電源由于設(shè)計(jì)不合理和電源中干擾成分越來(lái)越多，造成了接取電源不便以及對(duì)測(cè)試儀器的準(zhǔn)確性造成干擾，因此，為了提高現(xiàn)場(chǎng)的工作效率以及測(cè)試的準(zhǔn)確性，使用移動(dòng)電源很有必要。而具有自動(dòng)跟隨及無(wú)線充電功能的移動(dòng)檢修電源，能進(jìn)一步解放檢修人員的雙手，讓工作更加便利。

1 移動(dòng)檢修電源的改進(jìn)方案

具有自動(dòng)跟隨及無(wú)線充電功能的移動(dòng)檢修電源整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，移動(dòng)電源采用12 V的鋰電池供電，通過(guò)逆變電源，將12 V直流電逆變到220 V輸出，同時(shí)通過(guò)DC-DC模塊，將12 V直流電降壓至5 V，提供電源給控制模塊，而控制模塊通過(guò)藍(lán)牙模塊與手機(jī)通信，通過(guò)躲避模塊和定位模塊的傳感器及時(shí)調(diào)整電機(jī)及調(diào)速模塊從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟隨功能，而無(wú)線充電功能通過(guò)增加無(wú)線充電模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1 移動(dòng)檢修電源整體設(shè)計(jì)框圖

2 改進(jìn)過(guò)程

2.1 自動(dòng)跟隨模塊設(shè)計(jì)

自動(dòng)跟隨模塊主要由控制模塊、躲避及定位模塊、電機(jī)及調(diào)速模塊、藍(lán)牙通信模塊以及手機(jī)APP軟件設(shè)計(jì)構(gòu)成。

2.1.1 控制模塊

由于自動(dòng)跟隨裝置需要進(jìn)行實(shí)時(shí)的信息傳輸、定位數(shù)據(jù)運(yùn)算、藍(lán)牙信號(hào)傳輸、電機(jī)及調(diào)速模塊的控制和電源模塊的管理等等，如AT89S52此類功能簡(jiǎn)單的單片機(jī)在速度上無(wú)法滿足需要，會(huì)存在延時(shí)，因此本文選擇高性能的數(shù)字信號(hào)芯片TMS320F28335作為主控芯片。

TMS320F28335是浮點(diǎn)DSP控制器，與定點(diǎn)類芯片相比，具有精度高、成本低、功耗小、性能高、外設(shè)集成度高、數(shù)據(jù)以及程序存儲(chǔ)量大、A/D轉(zhuǎn)換更精確快速等優(yōu)點(diǎn)，其速度頻率為150 MHz，浮點(diǎn)單元有32位，有18路的PWM輸出以及6個(gè)DMA通道，支持ADC、McBSP和EMIF。得益于其浮點(diǎn)運(yùn)算單元，可快速編寫控制算法，無(wú)論是軟件開(kāi)發(fā)還是開(kāi)發(fā)周期都比較短。

芯片的軟件控制分為五個(gè)部分，包括主控程序、電機(jī)控制程序、藍(lán)牙通信程序、定位及位置判斷程序、電源控制程序，依次先設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體軟件框架和各功能軟件，最后再將其匯總成為一個(gè)完整系統(tǒng)，編程語(yǔ)言為C語(yǔ)言。

芯片及控制模塊圖如圖2所示。

2.1.2 躲避及定位模塊

由于自動(dòng)跟隨功能在室內(nèi)或室外均有運(yùn)用，如果使用GPS定位技術(shù)就會(huì)出現(xiàn)GPS信號(hào)弱而導(dǎo)致定位失效的情況；而紅外線定位技術(shù)很容易受被測(cè)物距離的影響，藍(lán)牙定位技術(shù)成本高、穩(wěn)定性不足，超聲波定位容易受多徑效應(yīng)影響等等。

本文綜合考慮后采用超聲波定位技術(shù)，因?yàn)槠淠芡瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)躲避和定位的功能，同時(shí)還有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低且精度高的優(yōu)點(diǎn)。

2.1.3 電機(jī)及調(diào)速模塊

考慮到異步電機(jī)存在控制復(fù)雜、步進(jìn)電機(jī)容易產(chǎn)生失步的缺點(diǎn)，本文采用直流電機(jī)，一方面由于其控制簡(jiǎn)單，只需要通過(guò)調(diào)整輸入的脈沖寬度就可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，另一方面由于其抗電磁場(chǎng)干擾能力強(qiáng)，在變電站的電磁場(chǎng)干擾下均能正常工作。直流電機(jī)高速性能好，抗過(guò)載能力強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定，反應(yīng)時(shí)間短，發(fā)熱和噪聲都有明顯的降低。

圖2 控制模塊

2.1.4 藍(lán)牙通信模塊

自動(dòng)跟隨電源與移動(dòng)目標(biāo)之間的通信通過(guò)藍(lán)牙技術(shù)完成，藍(lán)牙技術(shù)通信距離較長(zhǎng)，不需要對(duì)準(zhǔn)，傳輸速度快，工作頻段是全球開(kāi)放的2.4 GHz頻段，傳輸速率可達(dá)10 Mb/s，功耗小，一旦脫離范圍，還可通過(guò)藍(lán)牙連接丟失而告警，并且藍(lán)牙通信模塊技術(shù)成熟，開(kāi)發(fā)成本低。

2.1.5 手機(jī)APP

通過(guò)Eclipse+JDK+ADT+SDK構(gòu)建手機(jī)APP開(kāi)發(fā)環(huán)境，APP軟件功能包括對(duì)藍(lán)牙的操作，藍(lán)牙適配器之間的數(shù)據(jù)通信，移動(dòng)電源自動(dòng)跟隨功能的開(kāi)閉，距離感應(yīng)報(bào)警功能的開(kāi)閉。

2.2 無(wú)線充電模塊設(shè)計(jì)

為了保證檢修電源能滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試長(zhǎng)時(shí)間工作的需要，移動(dòng)電源的電池規(guī)格為12 V/100 Ah，一個(gè)檢修電源可滿足1 000 W設(shè)備連續(xù)工作1 h。要用無(wú)線充電來(lái)實(shí)現(xiàn)與有線充電相同的功率是一個(gè)極大的技術(shù)挑戰(zhàn)，目前存在著功率、效率、渦流、EMC以及結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。無(wú)線充電由于發(fā)射端和接收端存在一定的距離，因此損耗比有線連接大得多，如果把發(fā)射功率調(diào)增得太大，從而導(dǎo)致磁場(chǎng)的能量過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致移動(dòng)電源內(nèi)部其他電氣元件出現(xiàn)渦流，大功率的電磁干擾亦會(huì)影響到人的身體健康。

因此，綜合考慮充電時(shí)間以及無(wú)線充電功率的影響，應(yīng)該將充電功率控制在100 W左右。

無(wú)線充電裝置系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 無(wú)線充電裝置系統(tǒng)框圖

（1）100 W無(wú)線充電的實(shí)現(xiàn)：VOX330MP05S和VOX20K3A是一對(duì)基于電磁共振的專用發(fā)射和接收芯片，具有較高的傳輸效率。VOX330MP05S具有最高100 W的發(fā)射能力并且能承受1 000 V以上的高壓，因此非常適合作為發(fā)射芯片。VOX20K3A是接收芯片，其2腳上的穩(wěn)壓管決定了輸出電壓的幅值，因此只需在其2腳設(shè)置14 V的穩(wěn)壓管即可，但同時(shí)要注意穩(wěn)壓管必須是在9～24 V之間選擇。

（2）渦流問(wèn)題的解決：為阻止電磁波往上傳播，應(yīng)在耦合線圈上方增加一層隔離層，該隔離層除了要具有反波的特性，還要有一定的厚度。在隔離層上方再增加一層金屬防護(hù)層，吸收剩余的電磁波。由于剩余的電磁波還有不少，因此金屬防護(hù)層必然會(huì)發(fā)熱，如防護(hù)層在移動(dòng)電源內(nèi)部，電源內(nèi)必須配有散熱風(fēng)扇。同時(shí)移動(dòng)電源的控制芯片以及電路板不能與充電線圈在同一垂直面上，以盡量減少渦流對(duì)其的影響。

設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

圖4 無(wú)線充電模塊防護(hù)設(shè)計(jì)圖

3 性能測(cè)試

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)使用測(cè)試，該移動(dòng)檢修電源實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)跟隨功能，無(wú)需任何遙控裝置，能根據(jù)人的移動(dòng)快慢自動(dòng)調(diào)整速度和轉(zhuǎn)向，遇到障礙物時(shí)會(huì)自動(dòng)避讓；同時(shí)，當(dāng)移動(dòng)電源與手機(jī)連接中斷時(shí)，手機(jī)會(huì)出現(xiàn)震動(dòng)提醒，防止移動(dòng)電源遺漏在現(xiàn)場(chǎng)或失去控制。將移動(dòng)電源放置在無(wú)線發(fā)射底座上，移動(dòng)電源顯示充電中，充電功率約為95 W，電池由10%充至100%用時(shí)10 h，環(huán)境溫度26℃，發(fā)熱模塊發(fā)熱42℃，移動(dòng)電源接收位置發(fā)熱39℃，充電后，移動(dòng)電源依然能正常工作，達(dá)到了改進(jìn)的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)移動(dòng)檢修電源做出的改進(jìn)是為了解決變電站生產(chǎn)班組在日常工作中使用移動(dòng)電源遇到的不便以及問(wèn)題。自動(dòng)跟隨及無(wú)線充電移動(dòng)檢修電源的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，得到了廣大檢修和試驗(yàn)人員的歡迎，智能化設(shè)備能大大提高現(xiàn)場(chǎng)工作人員的效率，同時(shí)該移動(dòng)電源的自動(dòng)跟隨功能還可以應(yīng)用到變電站的搬運(yùn)小車、儀器的搬運(yùn)小車等上，將現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員從沉重的體力勞動(dòng)中解放出來(lái)，因此很適合推廣應(yīng)用。