盧英建，魯芷鑫

動(dòng)態(tài)無線充電在智能巡檢機(jī)器人中的應(yīng)用

盧英建，魯芷鑫

（武漢理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

隨著無線充電技術(shù)在小功率產(chǎn)品上的使用越來越成熟，巡檢機(jī)器人等中、大功率設(shè)備無線充電技術(shù)的應(yīng)用前景也越來越受到人們的重視。為解決巡檢機(jī)器人當(dāng)前靜態(tài)無線充電方式的弊端，提出一種動(dòng)態(tài)無線充電在智能巡檢機(jī)器人中的應(yīng)用系統(tǒng)。在該應(yīng)用系統(tǒng)中選取感應(yīng)耦合的電能傳輸方式，采用高頻高壓配電-低壓恒流激勵(lì)的導(dǎo)軌模式?？刂破魍ㄟ^對(duì)系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)電壓、電流等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控判斷出系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)并調(diào)整輸出參數(shù)，從而給巡檢機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)態(tài)、穩(wěn)定供電。

無線充電；分段導(dǎo)軌；巡檢機(jī)器人；充電臂

1 概述

1.1 目前巡檢機(jī)器人的充電方式

目前巡檢機(jī)器人的充電方式主要分為有線充電和無線充電兩種。而無線充電方式中多為固定地點(diǎn)充電，控制系統(tǒng)通過監(jiān)控機(jī)器人蓄電池的電壓，確定當(dāng)前是否需要充電。當(dāng)檢測(cè)到欠壓時(shí)，機(jī)器人自主導(dǎo)航回到充電房附近，同時(shí)使用激光測(cè)距儀和視覺識(shí)別的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)充電座的定位，通過調(diào)整機(jī)器人位姿或控制充電臂，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的充電[1]。

1.2 當(dāng)前充電方式存在的問題

對(duì)于現(xiàn)有的有線充電方式來說，外露的充電接口容易出現(xiàn)老化，所以安全性較差，而且只能在固定的充電地點(diǎn)進(jìn)行充電。對(duì)于目前的靜態(tài)無線充電方式來說，充電的過程同樣需要到固定的充電樁才能完成充電，所以浪費(fèi)了大量的時(shí)間，降低了續(xù)航能力，工作的巡檢機(jī)器人的工作效率也因此大打折扣。同時(shí)，無論是傳統(tǒng)的有線充電方式還是現(xiàn)有的靜態(tài)無線充電方式，巡檢機(jī)器人都需搭載一定數(shù)量的電池組，如果追求高續(xù)航能力就會(huì)增加自身設(shè)備重量，從而增加了能量損耗。

1.3 無線充電的優(yōu)勢(shì)

相比于傳統(tǒng)的有線充電方式，無線充電方案是將發(fā)射線圈埋入地下，不占據(jù)地上空間且無外漏接口，具有運(yùn)行安全、便捷靈活、維護(hù)成本低、用戶體驗(yàn)好等優(yōu)點(diǎn)[2]。而相比于具有固定充電地點(diǎn)的靜態(tài)無線充電方式，動(dòng)態(tài)無線充電可以不受限于充電的地點(diǎn)，在設(shè)備工作的過程中即可完成供電，提高設(shè)備的工作效率。同時(shí)，動(dòng)態(tài)無線充電方式可以通過減少車載電池的搭載量實(shí)現(xiàn)設(shè)備的減重，從而進(jìn)一步降低能量損耗，提升設(shè)備行駛里程[3]。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 感應(yīng)耦合電能傳輸

感應(yīng)耦合電能傳輸方式是利用電磁感應(yīng)原理來實(shí)現(xiàn)的，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。裝置的基本構(gòu)成為4部分：初級(jí)能量變換機(jī)構(gòu)、能量傳輸機(jī)構(gòu)、次級(jí)能量拾取機(jī)構(gòu)和反饋機(jī)構(gòu)[3]。電網(wǎng)電壓作為初級(jí)能量變換機(jī)構(gòu)的輸入電壓，經(jīng)過整流橋進(jìn)行整流和高頻逆變，先將電網(wǎng)中的工頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電，然后經(jīng)過高頻逆變電路將直流電轉(zhuǎn)換為高頻交流電。能量傳輸機(jī)構(gòu)等同于松耦合變壓器。原邊線圈通過交變磁場的作用，將電能傳輸?shù)礁边吘€圈。能量拾取機(jī)構(gòu)為松耦合變壓器的副邊線圈，將接收到的高頻交流電通過整流、穩(wěn)壓，從而轉(zhuǎn)換為直流電，給后級(jí)負(fù)載穩(wěn)定地供電，在巡檢機(jī)器人中，負(fù)載為蓄電池和其他耗能裝置。反饋機(jī)構(gòu)對(duì)各參數(shù)進(jìn)行采樣，把采集到的信號(hào)反饋給控制調(diào)節(jié)單元，從而控制輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率。

圖1 感應(yīng)耦合傳輸裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2 分段供電導(dǎo)軌模式

本系統(tǒng)采用高頻高壓配電-低壓恒流激勵(lì)的分段導(dǎo)軌模式，能量傳遞引導(dǎo)件被劃分為N段，并且每個(gè)分段都配置有轉(zhuǎn)換器和諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

分段供電導(dǎo)軌模式的結(jié)構(gòu)如圖2所示。工頻電源經(jīng)過功率轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為高頻的交流電，由高頻升壓器進(jìn)行升壓，然后注入配電軌進(jìn)行傳輸（高頻和高壓配電）；每個(gè)導(dǎo)軌部分都配備有高頻降壓轉(zhuǎn)換器，用于將配電導(dǎo)軌中的高頻高壓交流電轉(zhuǎn)換為低壓大電流交流電，然后將其傳輸?shù)胶罄m(xù)的換向和補(bǔ)償鏈路。

圖2 高頻高壓配電-低壓恒流激勵(lì)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)圖

除能流的開關(guān)控制外，轉(zhuǎn)換器還具有恒定電流控制作用，從而在勵(lì)磁引導(dǎo)件中產(chǎn)生更大的恒定勵(lì)磁電流（低壓恒流勵(lì)磁），增強(qiáng)了勵(lì)磁導(dǎo)軌的功率發(fā)射能力，確保了功率傳遞的穩(wěn)定性。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制器

本系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的MSP430作為控制器，其內(nèi)部有2個(gè)16位定時(shí)器，而且可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)開關(guān)中斷、輸出高頻PWM信號(hào)、輸入捕捉等功能。

該器件可為逆變器電路提供高頻PWM和SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。選擇該處理器作為系統(tǒng)主控制器的主要原因是其低電壓啟動(dòng)和超低功耗。它的啟動(dòng)電壓低至1.8 V，在正常工作模式下僅需要230 μA電流。在待機(jī)模式下，工作電流低于0.5 μA，這大大降低了控制器帶來的能耗，并增強(qiáng)了系統(tǒng)的耐用性。

3.2 DC-AC逆變電路

DC-AC逆變電路是AC-DC-AC變換方式的重要環(huán)節(jié)，在初級(jí)能量變換機(jī)構(gòu)中，需要將整流、濾波后的直流電壓轉(zhuǎn)換為高頻交流電壓。

3.2.1 選型依據(jù)

全橋式逆變電路相對(duì)于半橋式電路具有開關(guān)管承受的電壓低、傳輸功率高、可以直接通過能量注入控制策略和移相控制實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率的調(diào)節(jié)、可以自由選擇諧振補(bǔ)償方式等優(yōu)點(diǎn)。由于動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)在巡檢機(jī)器人的應(yīng)用中要求的傳輸功率較大，因此本系統(tǒng)選用了全橋式逆變器的電路結(jié)構(gòu)。

3.2.2 電路結(jié)構(gòu)

全橋逆變電路主要分為單極性和雙極性兩種控制方式。單極性控制方式下的全橋逆變器在工作時(shí)，其過0點(diǎn)會(huì)有一個(gè)較大的振蕩，影響輸出高頻交流電的質(zhì)量；而雙極性控制方式是規(guī)定對(duì)角的一對(duì)MOS管為同步性開關(guān)，而同一橋臂的上下管之間為互補(bǔ)性開關(guān)。雙極性控制方式相對(duì)于單極性來說控制相對(duì)簡單，因此本系統(tǒng)的逆變電路選用雙極性的控制方式。

全橋逆變電路的主電路拓?fù)溆?個(gè)功率MOS管和多個(gè)電阻、二極管組成，其具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。MSP430控制器產(chǎn)生的高速PWM波由驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行功率放大，然后接入MOS管的柵極，從而控制兩個(gè)橋臂上MOS管的導(dǎo)通與關(guān)斷。當(dāng)控制器輸出有一定占空比變化規(guī)律的SPWM波時(shí)，即可將輸入的直流電壓變換為具有一定頻率且波形成正弦變化的交流電壓。

圖3 全橋逆變電路結(jié)構(gòu)圖

3.2.3 控制方式

全橋逆變電路一般采用SPWM波的控制方法，而SPWM又分為單極性與雙極性兩種控制方式。在本系統(tǒng)的逆變電路中選取單極性SPWM控制方式。

在每半個(gè)周期內(nèi)，同一橋臂的兩個(gè)MOS管中，只有一個(gè)MOS管按脈沖系列的規(guī)律來進(jìn)行開通與關(guān)斷工作，另一個(gè)則完全截止；而在另外半個(gè)周期內(nèi)，兩個(gè)MOS管的工作狀況則恰好相反[4]。在此工作狀態(tài)下，流經(jīng)發(fā)射線圈的則為正負(fù)變化的交變電流。

3.3 整流電路

整流電路的功能是將接收線圈中的交流電變換成為可給設(shè)備供電的直流電。整流電路的輸出為脈動(dòng)的直流電，在電路后方接入一個(gè)大容量的極性電容進(jìn)行濾波，從而得到一個(gè)相對(duì)平緩的直流電壓。

整流電路采用常見的橋式整流電路，由4個(gè)功率二極管組成。4個(gè)二極管兩兩對(duì)接。正弦波的正半部分輸入時(shí)2個(gè)二級(jí)管導(dǎo)通，輸出為正；正弦波的負(fù)半部分輸入時(shí)，另外2個(gè)二級(jí)管導(dǎo)通，由于二者是反接的，所以輸出還是得到正弦波的正半部分。橋式整流器相對(duì)于半波整流對(duì)輸入正弦波的利用效率高1倍，具有比較好的適用性。

3.4 DC-DC穩(wěn)壓電路

3.4.1 選型依據(jù)

系統(tǒng)接收線圈輸出的電壓值相對(duì)較低，需要通過提高電壓值才能給后級(jí)負(fù)載端供電?？紤]到系統(tǒng)效率以及穩(wěn)定性，選用以BOOST電路拓?fù)錇榛A(chǔ)的升壓電路作為整流電路后的穩(wěn)壓電路。

BOOST升壓電路通過控制器產(chǎn)生的高速PWM波來控制開關(guān)管的通斷。該電路可根據(jù)供電的不同狀態(tài)在恒壓模式和恒流模式中切換。例如在給機(jī)器人的蓄電池充電時(shí)首先進(jìn)行恒流充電；在充電一段時(shí)間后，當(dāng)監(jiān)測(cè)到電池電壓達(dá)到一定的安全閾值時(shí)即切換為恒壓模式，降低充電電流，使電池的電壓不會(huì)超過規(guī)定的安全范圍，從而在保證充電效率的同時(shí)保護(hù)電池，延長電池使用壽命。

3.4.2 電路結(jié)構(gòu)

BOOST升壓電路的主電路拓?fù)渲饕?個(gè)功率MOS管和1個(gè)功率電感組成，其具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。同全橋逆變電路中的控制MOS管開關(guān)的方式一樣，2個(gè)開關(guān)管的開啟與關(guān)斷也是由接入到柵極的PWM信號(hào)來控制的。

圖4 BOOST升壓電路結(jié)構(gòu)圖

在BOOST電路中，控制上下兩個(gè)MOS管開關(guān)的PWM信號(hào)的占空比為互補(bǔ)關(guān)系，即任意時(shí)刻一個(gè)MOS管為開啟狀態(tài)、另一個(gè)為關(guān)斷狀態(tài)?？刂破鞲鶕?jù)當(dāng)前電路狀態(tài)調(diào)整兩路PWM信號(hào)的占空比，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。同時(shí)控制器通過對(duì)輸出電壓和電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)來調(diào)整PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)恒壓供電模式、恒流供電模式以及二者之間的轉(zhuǎn)換。

4 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

4.1 發(fā)射端控制器

發(fā)射端控制器的主要功能是控制全橋逆變器將直流電壓轉(zhuǎn)換為高頻的交流電壓。根據(jù)全橋逆變器的電路結(jié)構(gòu)可知，發(fā)射端控制器需要輸出SPWM波來控制4個(gè)功率MOS管，實(shí)現(xiàn)電壓的變換。

在本系統(tǒng)中SPWM波的產(chǎn)生方式是查表法。把半周期正弦波在時(shí)間軸上等分成多份，這些部分的面積為先增大再減小的趨勢(shì)變化，面積呈對(duì)稱分布；如果每一部分使用面積對(duì)應(yīng)相等、等寬但不等幅的矩形脈沖來代替，則這些脈沖的幅度就會(huì)呈現(xiàn)先增高再降低的趨勢(shì)，脈沖高度兩邊對(duì)稱。如果被等分的正弦波與橫軸所圍成的區(qū)域用面積對(duì)應(yīng)相等，等幅且不等寬的矩形脈沖來代替，則這一系列脈沖的寬度就會(huì)依次呈現(xiàn)出先變寬后變窄、寬度兩邊對(duì)稱的有規(guī)律的變化。

4.2 接收端控制器

MSP430控制器可通過ADC采樣采集電壓信號(hào)。在BOOST升壓電路輸出端的電壓和電流采集電路可以將輸出端的電壓值和電流值變換為控制器ADC可采集的電壓信號(hào)?？刂破魍▽?duì)該電壓信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過一定的計(jì)算即可得到當(dāng)前BOOST電路輸出端的電壓值和電流值。

在恒壓供電的方式下，控制器會(huì)判斷當(dāng)前電壓值是否等于設(shè)定值（例如在給蓄電池充電時(shí)，該電壓設(shè)定值為電池的安全電壓閾值），如果二者不相等，則使用PID運(yùn)算改變控制器輸出PWM信號(hào)的占空比大小，從而改變電路的輸出電壓值，直至其實(shí)際值與設(shè)定值相等。

在恒流供電的方式下，與恒壓控制方式類似，控制器會(huì)判斷當(dāng)前輸出端電流值是否等于設(shè)定值（例如在給蓄電池充電時(shí)，該電流設(shè)定值為電池的安全充電電流）。如果二者不相等，則通過PID運(yùn)算改變輸出PWM信號(hào)的占空比大小，從而調(diào)節(jié)輸出電壓值的大小，通過這種方式來維持充電電流的恒定，直至監(jiān)測(cè)到電壓達(dá)到安全閾值，切換到恒壓供電 模式。

5 結(jié)束語

本文描述了動(dòng)態(tài)無線充電在智能巡檢機(jī)器人中的一種應(yīng)用，在一般無線充電方式的基礎(chǔ)上引入分段導(dǎo)軌模式，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無線充電。本文所描述的應(yīng)用可以使巡檢機(jī)器人脫離固定的充電樁，在工作過程中即可不斷供電，從而提高巡檢機(jī)器人的工作效率，對(duì)實(shí)際的生產(chǎn)活動(dòng)具有一定的積極意義。

［1］黃山，吳振升，任志剛，等.電力智能巡檢機(jī)器人研究綜述［J］.電測(cè)與儀表，2020（2）：26-38.

［2］趙爭鳴，劉方，陳凱楠.電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)研究綜述［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2016，31（20）：30-40.

［3］白嘯東.電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.天津：天津工業(yè)大學(xué)，2018.

［4］喻衍.一體化三相逆變陀螺電源的設(shè)計(jì)研究［D］.天津：天津大學(xué)，2007.

TP242

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.070

2095－6835（2020）08－0157－03

盧英建（1999—），男，通信工程專業(yè)本科在讀。魯芷鑫（1999—），男，電氣工程專業(yè)本科在讀。

〔編輯：張思楠〕