關(guān)志鵬，張波

(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640)

隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，現(xiàn)代工廠對(duì)自動(dòng)化、智能化的電氣設(shè)備要求越來(lái)越高，其中柔性制造系統(tǒng)(flexible manufacturing system，F(xiàn)MS)在工業(yè)領(lǐng)域的使用日益廣泛[1]。為了實(shí)現(xiàn)24 h無(wú)人監(jiān)管的自動(dòng)化運(yùn)輸和裝卸，現(xiàn)代自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)代工廠物流運(yùn)輸系統(tǒng)的效率、可靠性和適應(yīng)性要求很高。工業(yè)移動(dòng)機(jī)器人是自動(dòng)化、智能化的物流運(yùn)輸系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其中自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)(automated guided vehicle，AGV)種類(lèi)繁多[2]，是工業(yè)移動(dòng)機(jī)器人設(shè)備的典型代表，因其操作靈活、工作效率高、容易進(jìn)行升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用和推廣，成為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化物流系統(tǒng)中的典型應(yīng)用[3-4]。AGV移動(dòng)機(jī)器人一般內(nèi)置微型控制器和定位系統(tǒng)，能夠自動(dòng)尋跡完成物流運(yùn)輸任務(wù)，無(wú)需人工干預(yù)；其工作路徑范圍靈活并且布置容易，相對(duì)于以往履帶式傳輸設(shè)備能夠完成更加復(fù)雜的傳輸任務(wù)，具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。如今，AGV已在機(jī)械加工、電商分揀、汽車(chē)裝配等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，大大降低了現(xiàn)代工廠對(duì)人力勞動(dòng)的需求。AGV普遍采用攜帶電池供電的方式提供動(dòng)力，其一般適用的充電動(dòng)力型電池有鎳鎘、鎳氫、鉛酸和鋰離子電池[4]，電池容量限制了AGV的連續(xù)工作時(shí)間，而攜帶過(guò)重的電池會(huì)影響其工作效率。傳統(tǒng)的充電方式通過(guò)電力線和金屬插頭向AGV攜帶的電池進(jìn)行電能補(bǔ)充，而工廠復(fù)雜的環(huán)境容易造成電力線損壞；另外，長(zhǎng)期使用自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)的誤差容易造成金屬插頭磨損[5]，而且往往需要人工干預(yù)，帶來(lái)安全性隱患，不符合現(xiàn)代工廠自動(dòng)化長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的需求，增加了長(zhǎng)期維護(hù)的成本。因此，尋求新的AGV供電方式是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程的迫切需求。

為了改善AGV的供電問(wèn)題，可以采用電容和電池混合儲(chǔ)能的供電方式[2]，減少充電時(shí)間，但是充電方式?jīng)]有得到本質(zhì)改變，而無(wú)線電能傳輸可以改變AGV充電。無(wú)線電能傳輸無(wú)需物理的連接，僅通過(guò)空間電磁能量耦合，為電氣設(shè)備提供所需的能量[6]，其隔離的特點(diǎn)為AGV復(fù)雜的工業(yè)工作環(huán)境提供便利，避免了電力線和金屬插頭帶來(lái)的隱患。另外，無(wú)線電能傳輸可以在AGV的運(yùn)輸工作過(guò)程中動(dòng)態(tài)進(jìn)行，從而減少電池的攜帶量[7]，提高了AGV移動(dòng)機(jī)器人的效率和連續(xù)工作時(shí)間，保證了工廠長(zhǎng)期的自動(dòng)化運(yùn)行。無(wú)線電能傳輸過(guò)程往往容許一定程度的偏移，因此也降低了充電過(guò)程的對(duì)準(zhǔn)難度和精度要求。

AGV移動(dòng)機(jī)器人的無(wú)線電能傳輸需要在機(jī)器人移動(dòng)的過(guò)程中動(dòng)態(tài)進(jìn)行，或者當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人電量偏低時(shí)?？吭谔囟ǖ某潆娢恢眠M(jìn)行充電。針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的工作特點(diǎn)，無(wú)線電能傳輸線圈結(jié)構(gòu)、變換器電路和控制以及補(bǔ)償電路等問(wèn)題成為AGV移動(dòng)機(jī)器人無(wú)線電能傳輸?shù)难芯繜狳c(diǎn)。軌道型線圈[8]和隔離型線圈[9]相繼被提出，并應(yīng)用到不同場(chǎng)合AGV移動(dòng)機(jī)器人無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，多相線圈結(jié)構(gòu)有利于改善無(wú)線電能動(dòng)態(tài)傳輸?shù)钠铺匦訹10]；變換器電路的設(shè)計(jì)包括不同功率場(chǎng)合的考慮、與線圈結(jié)構(gòu)相結(jié)合的考慮和提高系統(tǒng)傳輸性能控制策略的考慮；結(jié)合具體的線圈結(jié)構(gòu)，電感-電容-電感(LCL)、電感-電容-電容(LCC)等補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的使用可以實(shí)現(xiàn)恒流和穩(wěn)定的輸出特性[11-12]。相關(guān)研究保證了AGV移動(dòng)機(jī)器人無(wú)線電能傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)性能和對(duì)機(jī)器人停靠位置偏差的容許程度。

本文首先介紹AGV無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，繼而總結(jié)AGV無(wú)線電能傳輸研究的主要方向和關(guān)鍵內(nèi)容，并且對(duì)AGV無(wú)線電能傳輸?shù)膽?yīng)用與前景進(jìn)行討論。

1 工業(yè)移動(dòng)機(jī)器人無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

一般工業(yè)AGV無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括電源、發(fā)射端部分、接收端部分、儲(chǔ)能部分和AGV負(fù)載，以及定位和控制部分。在工業(yè)環(huán)境中，電源可以是三相交流電或單相交流電。發(fā)射端部分一般包括整流電路、高頻逆變電路、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和發(fā)射端線圈；接收端部分一般包含接收線圈、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和電源管理模塊。整流電路從交流電源得到直流電，經(jīng)過(guò)高頻逆變電路的變換，發(fā)射線圈產(chǎn)生高頻的電磁能量，經(jīng)過(guò)電磁場(chǎng)耦合，電能經(jīng)由接收線圈傳輸至接收端，由電源管理模塊進(jìn)行整流和變換，經(jīng)過(guò)儲(chǔ)能部分后為AGV移動(dòng)機(jī)器人提供電能。對(duì)于動(dòng)態(tài)的AGV無(wú)線電能傳輸方案，儲(chǔ)能部分的主要作用是穩(wěn)壓，因此不需要電池作為儲(chǔ)能工具；對(duì)于靜態(tài)的AGV無(wú)線電能傳輸方案，則需要電池作為儲(chǔ)能工具，在電量偏低時(shí)?？吭谔囟ǖ某潆娢恢眠M(jìn)行無(wú)線充電。定位和控制系統(tǒng)將AGV的位置偏移控制在合適范圍內(nèi)，以便于傳輸適合的功率并且提高傳輸效率；而且定位系統(tǒng)可以在工業(yè)AGV原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用射頻識(shí)別(radio frequency identification，RFID)[13-14]、視覺(jué)識(shí)別[15]、尋聲識(shí)別[16]、Zigbee[17]通信等方式進(jìn)行定位，也可配合線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)[18-20]。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可以減少系統(tǒng)無(wú)功，提高效率，并根據(jù)負(fù)載的特點(diǎn)向電源管理模塊提供合適的輸出特性[21-22]，減少電源管理模塊的控制難度。

圖1 AGV無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

一般而言，電磁能量耦合結(jié)構(gòu)采用感應(yīng)式耦合，發(fā)射端的線圈一般埋于工作范圍的地下，接收端的線圈則一般置于AGV底盤(pán)，垂直距離一般為數(shù)十毫米，線圈的形狀結(jié)構(gòu)根據(jù)使用場(chǎng)景和要求有所不同。根據(jù)感應(yīng)無(wú)線電能傳輸原理，電磁能量耦合結(jié)構(gòu)的輸出功率[6]

(1)

式中：Uoc和Isc分別接收端的開(kāi)路電壓和短路電流；Q2為考慮負(fù)載值的品質(zhì)因數(shù)，與接收端的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載值相關(guān)；I1為發(fā)射端的線圈電流；ω為發(fā)射端高頻逆變電路的工作角頻率；M為線圈耦合互感；L2為接收端線圈電感值。一般而言，M2/L2由線圈結(jié)構(gòu)決定，ω和I1受逆變器和電源限制，Q2受元件耐受能力的限制和補(bǔ)償電路的影響，因而大量AGV移動(dòng)機(jī)器人無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的研究關(guān)注到優(yōu)化發(fā)射端線圈和接收端線圈結(jié)構(gòu)、選擇合適的變換器以及補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，從而改善輸出功率特性。除了采用感應(yīng)式耦合外，文獻(xiàn)[23-24]研究了基于電容耦合的AGV無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，不同于感應(yīng)式耦合利用線圈之間的磁場(chǎng)感應(yīng)原理，電容式耦合利用金屬板或?qū)Ь€進(jìn)行電場(chǎng)耦合來(lái)傳輸能量，一般用在功率需求較小的場(chǎng)合[25]。

2 主要研究方向

2.1 線圈結(jié)構(gòu)

由式(1)可知，線圈之間的電磁能量耦合是影響功率輸出的關(guān)鍵因素，為了適應(yīng)不同的工業(yè)環(huán)境，盡可能減少發(fā)射端和接收端之間的位置偏移對(duì)AGV無(wú)線電能傳輸功率的影響，不同的發(fā)射線圈和接收線圈結(jié)構(gòu)被應(yīng)用到AGV無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)不同的傳輸性能。

2.1.1 發(fā)射端結(jié)構(gòu)

AGV無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的發(fā)射線圈有2種形式：一種是軌道式，即線圈由1個(gè)或數(shù)個(gè)長(zhǎng)軌道構(gòu)成，安置于AGV移動(dòng)路徑的地下，便于進(jìn)行動(dòng)態(tài)AGV無(wú)線電能傳輸或者同時(shí)為多個(gè)AGV提供充電電能；另一種是隔離線圈式，一般而言1個(gè)發(fā)射線圈對(duì)應(yīng)1個(gè)AGV負(fù)載，在AGV工作環(huán)境范圍內(nèi)分布多個(gè)發(fā)射線圈，在AGV電量偏低時(shí)?？坎⑦M(jìn)行靜態(tài)的無(wú)線充電。由于軌道式發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用到多個(gè)AGV充電的場(chǎng)合，而隔離線圈式則是關(guān)注單獨(dú)1個(gè)AGV充電，因而前者為分布式結(jié)構(gòu)(distributed)[8]，后者為集總式結(jié)構(gòu)(lumped)[9]。分布式結(jié)構(gòu)通常不能保證足夠的互感，需要逆變器提供更大的線圈電流。對(duì)于工廠應(yīng)用而言，針對(duì)不同工程任務(wù)的AGV路線設(shè)計(jì)往往經(jīng)常變化，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的分布式結(jié)構(gòu)比集總式結(jié)構(gòu)的花費(fèi)反而更小[7]。

早期應(yīng)用中，分布式結(jié)構(gòu)由簡(jiǎn)單的2條平行金屬線組成2條軌道，分別流過(guò)反向電流，經(jīng)過(guò)其上方的AGV機(jī)器人通過(guò)接收線圈拾取電磁耦合能量[9,21,26]；然而，這種結(jié)構(gòu)受AGV相對(duì)于軌道的側(cè)向偏移影響，系統(tǒng)傳輸能力受到限制。為了解決側(cè)向偏移帶來(lái)的功率不穩(wěn)定問(wèn)題，多相軌道發(fā)射線圈被提出并應(yīng)用到移動(dòng)機(jī)器人無(wú)線電能傳輸中[10-11,27-29]。文獻(xiàn)[10]討論了兩相電流帶有90°相位差時(shí)產(chǎn)生空間中流動(dòng)的時(shí)變磁場(chǎng)，兩相電流和其中一相線圈的繞線方式如圖2所示。圖2(a)中i1和i2分別表示兩相(A、B相)電流的瞬時(shí)值，H和Hz分別為磁場(chǎng)強(qiáng)度及其垂直方向分量，v為流動(dòng)時(shí)變磁場(chǎng)的速度，ωt表示流動(dòng)時(shí)變磁場(chǎng)的相位；圖2(b)中以x和y作為線圈平面坐標(biāo)系，參數(shù)a為線圈繞組的在x方向的寬度，l為線圈在y方向的長(zhǎng)度，m為一相線圈中包含的繞組數(shù)目，d為繞組的間距。

圖2 兩相軌道發(fā)射線圈

接收線圈在x方向移動(dòng)時(shí)能夠耦合到正弦變化的磁場(chǎng)，當(dāng)接收線圈為半徑為r的圓環(huán)時(shí)，在一定范圍的側(cè)向偏移下接收線圈的磁通穩(wěn)定。通過(guò)計(jì)算討論了線圈尺寸變量a/r與接收線圈最大磁通的關(guān)系；另外，兩相線圈在x方向上存在a/4的偏移，從而通過(guò)導(dǎo)線的排布方式盡可能地抵消兩相發(fā)射線圈之間的耦合，減少了電磁能量損耗。文獻(xiàn)[11,27-29]進(jìn)一步考慮使用三相帶相位差電流的軌道式發(fā)射線圈，討論了三相導(dǎo)線的擺放角度、重疊面積對(duì)輸出功率的影響，以及針對(duì)三相軌道發(fā)射線圈磁場(chǎng)特點(diǎn)的接收線圈優(yōu)化。可以看到，相對(duì)于單相軌道的線圈而言，多相軌道發(fā)射線圈為AGV移動(dòng)機(jī)器人充電提供了更好的側(cè)向偏移容忍度，但是線圈的設(shè)計(jì)和布置上更為復(fù)雜，對(duì)于工廠應(yīng)用而言搭設(shè)所需費(fèi)用也更多[6]。

文獻(xiàn)[8,30]為AGV無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)提出一種四線軌道式發(fā)射線圈，各軌道流過(guò)的電流方向如圖3所示。通過(guò)合理設(shè)計(jì)軌道之間的間距，這樣的結(jié)構(gòu)能夠使軌道范圍內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度得以加強(qiáng)，同時(shí)減少軌道范圍外的漏磁，保證了功率的傳輸，并且抑制了無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的電磁能量耦合對(duì)外界的影響。

圖3 四線軌道式發(fā)射線圈

集總式的發(fā)射線圈在布置上更為靈活，每個(gè)分開(kāi)的發(fā)射線圈可以由單獨(dú)的逆變電路提供能量，可以自由控制啟動(dòng)和關(guān)閉的時(shí)間，相比分布式發(fā)射軌道可以減少能量損耗。早期的集總式發(fā)射線圈由分布式發(fā)射軌道變形而來(lái)[31-33]，將整段軌道分段得到多個(gè)發(fā)射線圈，通過(guò)與AGV機(jī)器人定位系統(tǒng)配合，檢測(cè)AGV的位置，從而逐段啟動(dòng)進(jìn)行無(wú)線電能傳輸。單獨(dú)的線圈使發(fā)射端的位置更加靈活，文獻(xiàn)[34]總結(jié)了各種形狀和結(jié)構(gòu)的平面線圈的特點(diǎn)和適用場(chǎng)合，并且使用統(tǒng)計(jì)學(xué)聚類(lèi)的方法對(duì)線圈進(jìn)行分類(lèi)。其中具有單側(cè)磁通的線圈結(jié)構(gòu)得到廣泛的使用，此類(lèi)線圈通過(guò)條形磁芯引導(dǎo)使磁通集中在平面線圈的一側(cè)，通過(guò)與接收端線圈的設(shè)計(jì)結(jié)合，可以顯著改善無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的偏移傳輸特性。

2.1.2 接收端結(jié)構(gòu)

早期應(yīng)用中接收線圈針對(duì)分布式發(fā)射軌道的特性，主要通過(guò)耦合水平方向或垂直方向的電磁場(chǎng)來(lái)拾取電磁能量[6,11,35]，如圖4所示，包含線圈和磁芯。其中圖4(a)中的線圈中軸為垂直方向，可以拾取垂直方向的電磁場(chǎng)能量；圖4(b)中的線圈中軸為水平方向，主要拾取水平方向的電磁場(chǎng)能量。磁芯的使用加強(qiáng)了磁場(chǎng)耦合。文獻(xiàn)[36]設(shè)計(jì)了2種正交線圈結(jié)構(gòu)，如圖5所示。圖5(a)實(shí)際由4個(gè)線圈組成，其中線圈L2H-A與L2H-B同相相連，當(dāng)接收線圈偏移至某一軌道正上方時(shí)，拾取水平方向磁通接收功率最大；線圈L2V-A與L2V-B反相相連，當(dāng)接收線圈位于兩軌道中間正上方時(shí)，拾取垂直方向磁通接收功率最大。圖5(b)為同時(shí)拾取水平方向和垂直方向的接收線圈結(jié)構(gòu)，實(shí)際上是整合了2組可以獨(dú)自耦合水平方向與垂直方向磁場(chǎng)的線圈，拾取的電磁能量經(jīng)過(guò)單獨(dú)的整流后向負(fù)載充電，2組線圈的繞組寬度對(duì)側(cè)向偏移下最大功率產(chǎn)生影響，需要合理設(shè)計(jì)繞組寬度使得2組功率的最大值接近。另外，文獻(xiàn)[37]也討論了這種接收線圈結(jié)構(gòu)在側(cè)向偏移情況下2組線圈的功率平衡問(wèn)題。

圖4 分別拾取垂直方向和水平方向磁場(chǎng)的接收線圈

圖5 2種改進(jìn)的正交線圈結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[38]中針對(duì)一種具有單側(cè)磁通的發(fā)射端DD線圈結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了方向轉(zhuǎn)向90°的DD型接收線圈，使互感在側(cè)向偏移發(fā)生時(shí)變化較小。DD線圈為2個(gè)平面線圈不重疊地電氣相連構(gòu)成的線圈結(jié)構(gòu)，通過(guò)底下鋪設(shè)的條形磁芯形成單側(cè)磁通。針對(duì)文獻(xiàn)[8，30]提出的四線發(fā)射端軌道，將一種雙極平面線圈(bipolar pad，BPP)用于接收端，如圖6(a)所示，由2個(gè)面積部分重疊的線圈組成，條形磁芯和鋁板形成單側(cè)磁通和起到屏蔽作用。而圖6(b)說(shuō)明了2個(gè)子線圈之間解耦的原理，由右邊線圈電流(Ic1)產(chǎn)生的磁場(chǎng)在區(qū)域S1和S2上的磁通(Φc1)相等并且方向相反時(shí)，可以抵消2個(gè)線圈之間的磁場(chǎng)耦合。BBP線圈結(jié)構(gòu)原理上與上文提到的正交線圈的結(jié)構(gòu)相似，而且搭建更加方便[30]。文獻(xiàn)[39]中分別采用圓盤(pán)線圈和DD線圈作為發(fā)射線圈，向BBP接收線圈傳輸功率，說(shuō)明BPP在發(fā)射線圈為分布式或集總式的場(chǎng)合均適用，適用范圍廣泛。文獻(xiàn)[8]還將BPP與另一種DDQ線圈結(jié)構(gòu)(如圖7所示)進(jìn)行對(duì)比。DDQ線圈結(jié)構(gòu)在DD線圈的基礎(chǔ)上加上1個(gè)Q線圈，增強(qiáng)了抗側(cè)向偏移的能力。文獻(xiàn)[8]表明2種結(jié)構(gòu)展示了相似的偏移容忍度，均有利于改善側(cè)向偏移下的功率傳輸特性，但是由于BBP子線圈的數(shù)目更少，同樣尺寸下比DDQ線圈的耗銅量少27.7%?？梢?jiàn)，接收線圈需要結(jié)合發(fā)射線圈的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而改善無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸性能。

圖6 雙極平面線圈

圖7 DD線圈和DDQ線圈結(jié)構(gòu)

2.1.3 線圈優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了得到更好的無(wú)線電能傳輸特性，可以在基本的線圈結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。文獻(xiàn)[7]通過(guò)改變線圈層數(shù)和每層匝數(shù)構(gòu)造了一種階梯型的接收線圈設(shè)計(jì)，在提高互感的同時(shí)減少了線圈用料。文獻(xiàn)[40]結(jié)合有限元仿真結(jié)果，通過(guò)改變圓盤(pán)型發(fā)射線圈的半徑減緩偏移增大時(shí)互感的下降速度，提高了巡檢機(jī)器人無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率。文獻(xiàn)[41]對(duì)AGV無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中方型平面線圈的磁芯擺放方式對(duì)互感的影響進(jìn)行了討論。文獻(xiàn)[42]利用多場(chǎng)耦合迭代的方法，調(diào)整線圈幾何參數(shù)和磁芯幾何結(jié)構(gòu)，優(yōu)化傳輸效率并且提高偏移容忍度，同時(shí)保證線圈尺寸盡可能小。圖8所示為一種包含小線圈的不對(duì)稱(chēng)發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)，被用于改善偏移性能[43]，結(jié)合ANSYS Maxwell中三維有限元渦流求解器的仿真結(jié)果來(lái)確定里外線圈的半徑和線徑，細(xì)化線圈參數(shù)的設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[44]結(jié)合遺傳算法，以最大傳輸功率為目標(biāo)，對(duì)線圈的電感值和系統(tǒng)運(yùn)行頻率進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖8 含小線圈的不對(duì)稱(chēng)發(fā)射線圈

2.2 變換器設(shè)計(jì)

AGV無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中的變換器主要有發(fā)射端的高頻逆變電路、接收端的高頻整流電路和電源管理模塊部分。為了適應(yīng)復(fù)雜的工業(yè)操作環(huán)境，AGV機(jī)器人種類(lèi)繁多[2]，運(yùn)輸對(duì)象重量、大小各異，所需要的動(dòng)力各不相同，因此需要不同的供電功率；這就要求AGV無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中采用不一樣的變換器來(lái)更好地平衡功率需求和器件承受能力。

在AGV無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中，常用的高頻逆變電路有推挽電路[44-47]、全橋電路[48-50]、半橋式電路[51]等。推挽電路適用于輸入直流電壓較低時(shí)需要較大輸出功率的場(chǎng)合，文獻(xiàn)[45]中使用推挽電路實(shí)現(xiàn)輸入電壓為190 V的千瓦級(jí)功率輸出。圖9所示的改進(jìn)型推挽電路具有零電壓開(kāi)關(guān)特性，其中DC為直流電壓源，L1和L2為電感器(輸入)，電阻R1、電容器C1與電阻R2、電容器C2以及穩(wěn)壓管D1、D2實(shí)現(xiàn)了高頻下開(kāi)關(guān)管S1和S2的零電壓開(kāi)關(guān)特性，Lr為發(fā)射端電感器，Cp為發(fā)射端并聯(lián)補(bǔ)償電容器，在文獻(xiàn)[47]中圖9的電路結(jié)構(gòu)用于高頻低功率設(shè)計(jì)，減少了開(kāi)關(guān)損耗。全橋電路主要應(yīng)用到千瓦級(jí)輸出功率的應(yīng)用中，寄生參數(shù)和高頻開(kāi)關(guān)損耗限制了全橋電路的開(kāi)關(guān)頻率。而對(duì)于體型和載荷較小的AGV[51]，半橋式電路更加適合用于高頻逆變電路。此外，文獻(xiàn)[52]將E類(lèi)逆變電路用到小功率的機(jī)器人無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，但是E類(lèi)逆變電路對(duì)于負(fù)載的敏感性將加大控制難度。文獻(xiàn)[15]和[53]提出一種單管逆變電路用于小功率場(chǎng)合，需要配合特定的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)使得應(yīng)用場(chǎng)合受到限制。

圖9 具有零電壓特性的推挽電路

變換器的設(shè)計(jì)需要考慮線圈結(jié)構(gòu)的需求，并與控制策略相結(jié)合。文獻(xiàn)[7]在建模過(guò)程中考慮了接收端全橋整流電路在工作狀態(tài)變化時(shí)的等效電阻，通過(guò)比例積分反饋控制發(fā)射端全橋逆變電路的相角，移相調(diào)節(jié)發(fā)射端線圈電流，從而提高了AGV無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率。接收端BBP線圈結(jié)構(gòu)需要2組高頻整流電路進(jìn)行變換后并聯(lián)輸出，在文獻(xiàn)[8]中AGV的位置發(fā)生側(cè)向偏移時(shí)其中一組整流電路足以提供所需要的功率，此時(shí)另外一組整流電路可以停止工作以減少損耗。采用如圖10所示的二極管-可控開(kāi)關(guān)管混合全橋電路，當(dāng)2只可控開(kāi)關(guān)管處于閉合狀態(tài)時(shí)，所在的整流電路組將停止工作。三相橋式逆變電路適合為三相軌道發(fā)射線圈提供高頻電流，文獻(xiàn)[11]中利用脈寬調(diào)制調(diào)節(jié)基波和諧波的大小，得到三相軌道發(fā)射線圈所需要的基波電流。

2.3 補(bǔ)償電路

補(bǔ)償電路可以用于AGV無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端，在一定的工作頻率下，發(fā)射端的補(bǔ)償電路可以減少系統(tǒng)無(wú)功，降低器件需要承受的應(yīng)力，提高效率；接收端的補(bǔ)償電路可以針對(duì)電池負(fù)載特性實(shí)現(xiàn)恒流或恒壓的輸出特性[12,21]，降低接收端電源管理模塊的控制難度。另外，采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電路還有利于改善AGV無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)對(duì)發(fā)射端和接收端之間的偏移程度接受能力[12,54]，降低定位系統(tǒng)需要的精度。

圖10 可控制關(guān)閉的2組整流電路

在AGV移動(dòng)機(jī)器人的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的研究中，對(duì)常用的4種補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)SS[7,50-51]、SP[55]、PS[15]、PP[45,53,56]都有相關(guān)的討論和設(shè)計(jì)方法，其中S和P分別指發(fā)射端或接收端通過(guò)電容補(bǔ)償時(shí)補(bǔ)償電容與線圈的連接方式，S表示串聯(lián)，P表示并聯(lián)。文獻(xiàn)[22]指出：采用SS補(bǔ)償電路時(shí)工作頻率與耦合系數(shù)和負(fù)載無(wú)關(guān)，并且線圈所需的銅耗材最少，適合大功率傳輸；同時(shí)，SP和SS補(bǔ)償電路具有電流源輸出特性，適合AGV這類(lèi)電池充電的應(yīng)用。文獻(xiàn)[50]對(duì)使用SS補(bǔ)償電路的重載荷、高耦合系數(shù)AGV無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)增大發(fā)射端的電感值有利于抑制高次諧波的影響。文獻(xiàn)[57]分析了發(fā)射端和接收端單獨(dú)采用S或P補(bǔ)償?shù)淖饔茫寒?dāng)發(fā)射端線圈電流恒定，接收端采用S補(bǔ)償電路具有電壓源輸出特性，適合帶有直流總線的結(jié)構(gòu)；而采用P補(bǔ)償電路則具有電流源輸出特性，適合電池充電的場(chǎng)合；發(fā)射端采用S補(bǔ)償降低了輸入電源所需要的電壓等級(jí)，采用P補(bǔ)償則適用于需要發(fā)射端電流較大的情況，如使用軌道式發(fā)射線圈的AGV無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)。文獻(xiàn)[58]分析了以上4種補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在發(fā)射端與接收端偏移下的傳輸特性，如圖11所示，分別以輸入電流〔圖(a)和(b)〕以及輸出電流〔圖(c)和(d)〕在偏移位置與正對(duì)位置的比值λ1和λ2作為縱坐標(biāo)。

由圖11可見(jiàn)，以上4種補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)均容易受到偏移帶來(lái)的互感變化影響。此外，可以利用1個(gè)帶有S補(bǔ)償?shù)闹欣^線圈，增大AGV無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的功率傳輸距離[16]。

另外，LCL和LCC補(bǔ)償電路也被應(yīng)用到AGV無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中。LCL和LCC補(bǔ)償電路具有電流源特性，并且可以減少系統(tǒng)無(wú)功，便于控制高頻逆變器的零電壓工作狀態(tài)。文獻(xiàn)[11]利用LCL補(bǔ)償電路的電流源特性，為多相軌道發(fā)射線圈提供了所需要的單相電流。文獻(xiàn)[21]利用發(fā)射端電感比大于1、接收端電感比等于1的新型LCL補(bǔ)償電路，實(shí)現(xiàn)發(fā)射線圈大電流的恒流輸出特性，用于軌道式發(fā)射線圈的AGV無(wú)線電能傳輸。文獻(xiàn)[54]通過(guò)優(yōu)化發(fā)射端LCC補(bǔ)償電路的參數(shù)，將系統(tǒng)工作點(diǎn)設(shè)計(jì)在最大功率點(diǎn)附近，減小了互感變化帶來(lái)的輸出功率波動(dòng)，相對(duì)于SS、SP以及傳統(tǒng)的LCC參數(shù)設(shè)計(jì)都有明顯優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[22]中利用BPP線圈結(jié)構(gòu)構(gòu)造LCL補(bǔ)償電路，給無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)帶來(lái)優(yōu)越的偏移性能和輸出特性。針對(duì)耦合系數(shù)較大、載荷較大的大電流低電壓AGV無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，文獻(xiàn)[12]指出載荷增大時(shí)，除了會(huì)導(dǎo)致耦合系數(shù)增大,還會(huì)使線圈電感發(fā)生變化，在發(fā)射端和接收端均使用LCC補(bǔ)償電路可以借助電感的變化來(lái)減少耦合系數(shù)增大時(shí)高次諧波對(duì)傳輸效率的影響。

圖11 偏移對(duì)補(bǔ)償電路輸入電流和輸出電流的影響

3 相關(guān)應(yīng)用與研究前景

隨著AGV移動(dòng)機(jī)器人無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)研究的深入和成熟，近年來(lái)一些產(chǎn)品和應(yīng)用已經(jīng)開(kāi)始使用無(wú)線充電的方式來(lái)進(jìn)行升級(jí)換代。作為工業(yè)機(jī)器人研究和應(yīng)用的行業(yè)領(lǐng)先者，日本的機(jī)器人企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始紛紛在自家的AGV移動(dòng)機(jī)器人上應(yīng)用無(wú)線電能傳輸技術(shù)，其中自動(dòng)化企業(yè)大福(DAIFUKU)從1993年開(kāi)始開(kāi)發(fā)軌道式的非接觸式充電技術(shù)，為AGV提供動(dòng)態(tài)、穩(wěn)定的無(wú)線電能傳輸技術(shù)[59]；HEADS從2004年至今完成了超過(guò)1 400例的AGV無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要提供千瓦級(jí)的AGV無(wú)線電能傳輸方案[60]；DAIHEN公司與著名的無(wú)線充電方案企業(yè)WiTricity合作，推出基于磁耦合諧振式無(wú)線輸電原理的AGV無(wú)線充電平臺(tái)D-Broad[61]，偏移充電特性得到改善。國(guó)內(nèi)企業(yè)中，臺(tái)達(dá)的AGV無(wú)線充電方案采用控制器局域網(wǎng)絡(luò)(controller area network，CAN)總線通信，效率可達(dá)93%[62]；中惠創(chuàng)智提出將AGV無(wú)線電能傳輸方案使用在鋰電池、超級(jí)電容、鉛酸電池以及不帶電池的工業(yè)AGV，最大功率達(dá)3 kW，傳輸效率超過(guò)90%[63]?？梢?jiàn)目前以電池作為儲(chǔ)能手段的AGV移動(dòng)機(jī)器人無(wú)線電能傳輸技術(shù)已經(jīng)比較成熟，日后的研究將更加著重于AGV移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)無(wú)線電能傳輸技術(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)去電池化，從而減輕AGV的載重量，提升AGV的運(yùn)輸能力。圖12所示為2種日本企業(yè)AGV 無(wú)線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用案列。

AGV移動(dòng)機(jī)器人作為群體協(xié)同操作是現(xiàn)代化工廠中自動(dòng)化物流系統(tǒng)的關(guān)鍵，因此考慮AGV協(xié)同操作下的無(wú)線電能傳輸將是下一步AGV無(wú)線電能傳輸關(guān)注的重點(diǎn)。文獻(xiàn)[47]提出一種基于雙層印刷電路板(printed circuit board，PCB)發(fā)射端線圈的充電平臺(tái)，提供一定范圍內(nèi)均勻的磁場(chǎng)，為4臺(tái)機(jī)器人提供充電平臺(tái)，并且討論了如何利用機(jī)器人之間的協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)電量不足的機(jī)器人回到充電平臺(tái)補(bǔ)充能量。文獻(xiàn)[14]在AGV移動(dòng)機(jī)器人的工作范圍內(nèi)鋪滿充電陣列，進(jìn)行動(dòng)態(tài)充電；討論了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度、工作區(qū)域構(gòu)造、機(jī)器人行為改善(經(jīng)過(guò)充電單元時(shí)速度降低)以及激活的充電單元數(shù)量、分布方式對(duì)系統(tǒng)長(zhǎng)期自動(dòng)化運(yùn)行的影響，并利用概率模型來(lái)研究長(zhǎng)期運(yùn)行所需要的充電單元數(shù)目以及充電覆蓋面積。由此可見(jiàn)，AGV移動(dòng)機(jī)器人群體行為對(duì)無(wú)線電能傳輸?shù)挠绊懮婕霸S多方面，相關(guān)研究的推進(jìn)將對(duì)工業(yè)自動(dòng)化、無(wú)人工廠長(zhǎng)期運(yùn)行產(chǎn)生巨大影響。

圖12 AGV無(wú)線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用

AGV無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的安全問(wèn)題也是值得關(guān)注的一方面。文獻(xiàn)[64]關(guān)注了機(jī)器人充電過(guò)程中的通信安全問(wèn)題，這在工業(yè)領(lǐng)域相當(dāng)敏感和重要。另外，在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中，AGV無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)會(huì)給其他設(shè)備帶來(lái)一定程度的電磁干擾，應(yīng)盡量減少AGV無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)對(duì)工廠環(huán)境的影響，才能提高工廠自動(dòng)化的可靠性。商業(yè)軟件Ansys Maxwell、Comsol等經(jīng)常用于分析無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中的電磁場(chǎng)分布和對(duì)空間產(chǎn)生的溫度、機(jī)械力的影響[34，42]。在已有的研究中，文獻(xiàn)[65]提出利用1個(gè)抵消線圈，并且檢測(cè)發(fā)射端的電流來(lái)動(dòng)態(tài)降低充電范圍附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度。文獻(xiàn)[66]提出3種抵消電磁能量耦合周?chē)姶艌?chǎng)的原理方法，分別是位獨(dú)立電磁場(chǎng)抵消、主電磁場(chǎng)抵消和非耦合磁鏈抵消；并且以1種I型軌道式發(fā)射線圈的應(yīng)用為例，設(shè)計(jì)抵消線圈的擺放角度和連接方式，以滿足ICNIRP指引的要求[67]，但會(huì)造成輸出電壓降低6.6%以及線圈數(shù)量增加的影響。因此，在優(yōu)化AGV無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)電磁干擾的同時(shí)不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的能量傳輸能力和AGV的運(yùn)輸能力帶來(lái)影響，將會(huì)大大提高AGV移動(dòng)機(jī)器人在工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中的可靠性和實(shí)用性。

4 結(jié)束語(yǔ)

AGV移動(dòng)機(jī)器人在現(xiàn)代工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，為機(jī)械制造、電商、物流等行業(yè)的自動(dòng)化、智能化創(chuàng)造了條件。無(wú)線電能傳輸技術(shù)在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中為AGV提供動(dòng)力，使AGV的應(yīng)用更可靠、更有效率。本文從AGV無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)出發(fā)，綜述了AGV移動(dòng)機(jī)器人無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)研究和發(fā)展中的主要問(wèn)題和研究?jī)?nèi)容，總結(jié)了已有的在AGV移動(dòng)機(jī)器人無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的線圈結(jié)構(gòu)、變換器設(shè)計(jì)和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)等方面的研究成果。如今，AGV移動(dòng)機(jī)器人無(wú)線電能傳輸技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了相關(guān)工業(yè)產(chǎn)品中，隨著工業(yè)移動(dòng)機(jī)器人無(wú)線電能傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)性能、移動(dòng)機(jī)器人群的協(xié)同無(wú)線充電以及相關(guān)的安全問(wèn)題的進(jìn)一步研究和發(fā)展，無(wú)線電能傳輸技術(shù)將在工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程中發(fā)揮重要的作用。