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        應(yīng)用于AGV無線充電的新型抗偏移磁耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        2021-07-01 05:23:54何東林劉俊江譚天于三川邵澤宇
        機(jī)電信息 2021年17期

        何東林 劉俊江 譚天 于三川 邵澤宇

        摘要:當(dāng)前,無線電能傳輸(Wireless Power Transform,WPT)的應(yīng)用范圍越來越廣,國(guó)際上已經(jīng)掀起對(duì)WPT技術(shù)研究與應(yīng)用的熱潮。將WPT應(yīng)用于自動(dòng)引導(dǎo)車(Automated Guided Vehicle,AGV),具有良好的發(fā)展前景。但是,WPT應(yīng)用于AGV存在充電時(shí)線圈位置偏移問題,將導(dǎo)致互感改變,使輸出電壓、功率不穩(wěn)。因此,設(shè)計(jì)具有強(qiáng)偏移容忍度的耦合機(jī)構(gòu)是保持充電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵之一。針對(duì)偏移條件下互感波動(dòng)問題,提出了一種新型抗偏移的磁耦合機(jī)構(gòu),相較于傳統(tǒng)的DD-BP磁耦合機(jī)構(gòu),其Y方向偏移下互感波動(dòng)減小了26%,輸出電壓波動(dòng)減小了7.8%,輸出功率波動(dòng)減小了21.5%。

        關(guān)鍵詞:無線電能傳輸;AGV;雙接收;抗偏移;耦合機(jī)構(gòu)

        0 引言

        近年來,自動(dòng)引導(dǎo)車(AGV)作為工業(yè)移動(dòng)機(jī)器人設(shè)備的典型代表,得到了一定的發(fā)展[1],在立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)和柔性化生產(chǎn)線中應(yīng)用十分廣泛,是現(xiàn)代物流系統(tǒng)的關(guān)鍵裝備[2],被業(yè)界大力推廣。當(dāng)前AGV的充電方式主要是有線插拔式充電[3],該方式不但增加人力成本,而且存在易磨損、可靠性低、安全性低等缺陷[4]。而無線電能傳輸(WPT)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了充電系統(tǒng)與AGV之間的電氣與機(jī)械隔離,克服了傳統(tǒng)接觸式充電方式存在的不足,從根本上消除了直插式充電方法帶來的弊端,提高了充電系統(tǒng)的美觀性、實(shí)用性、安全性[5],同時(shí)也進(jìn)一步提高了充電過程的自動(dòng)化程度,節(jié)約了人力成本和資金成本。因此,將WPT技術(shù)應(yīng)用于AGV[6],具有良好的應(yīng)用前景。

        AGV機(jī)器人充電多采用低電壓、大電流的充電方式,而大電流往往導(dǎo)致線路損耗較高,發(fā)熱嚴(yán)重,影響系統(tǒng)安全??赏ㄟ^增加能量通道,采用雙接收WPT系統(tǒng)將電流分散,如圖1(a)所示,以降低損耗,提高安全性;圖1(b)為其等效電路模型。

        然而,由于巡線和定位誤差,AGV在充電區(qū)域??砍潆姇r(shí),線圈會(huì)不可避免地產(chǎn)生位置偏移,導(dǎo)致耦合機(jī)構(gòu)互感產(chǎn)生不同程度的波動(dòng),造成輸出電壓、功率偏離正常值。因此,具有強(qiáng)偏移容忍度的雙接收耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是提高無線充電系統(tǒng)性能的關(guān)鍵之一。目前提出的抗偏移耦合線圈結(jié)構(gòu)有DD[7]/DDQ[8]/BP[9]等,但都存在不同程度的缺陷。

        雙接收無線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等效電路如圖1(b)所示,M12和M13分別為發(fā)射線圈與兩個(gè)接收線圈間的互感;M23為兩個(gè)接收線圈間的互感。

        當(dāng)線圈產(chǎn)生位置偏移時(shí),可能出現(xiàn)以下問題:

        (1)當(dāng)M23≠0時(shí),接收側(cè)存在交叉耦合,嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。

        (2)當(dāng)M12≠M(fèi)13時(shí),且差值較大時(shí),輸出電流不均,嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生整流器二極管鉗位導(dǎo)致其中一路沒有功率輸出,影響系統(tǒng)正常工作。

        (3)當(dāng)M12、M13偏離正常值時(shí),輸出電壓、功率發(fā)生波動(dòng)。

        傳統(tǒng)的DD-BP磁耦合機(jī)構(gòu)如圖2(a)所示,通過調(diào)節(jié)重合部分面積使線圈解耦,即M23=0[10],然而位置偏移時(shí),M12、M13間差值較大,將引發(fā)上述問題(2),嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。

        針對(duì)以上問題,本文提出一種新型抗偏移線圈結(jié)構(gòu),如圖2(b)所示,其不僅具有較高的偏移容忍度,而且能夠緩解偏移情況下發(fā)射線圈與兩個(gè)接收線圈間的互感(M12和M13)不等帶來的電流不均和二極管鉗位問題,降低系統(tǒng)控制程序的復(fù)雜性。與此同時(shí),由于兩個(gè)DD線圈交叉放置,幾何對(duì)稱結(jié)構(gòu)使得接收線圈互感M23很小,可忽略其影響,進(jìn)一步提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

        1 電路分析

        本文采取串-串串(S-SS)型電路拓?fù)洌窗l(fā)射、雙接收電路均采用串聯(lián)補(bǔ)償電路結(jié)構(gòu),其等效電路如上文圖1(b)所示。

        UAC為經(jīng)逆變電路后得到的高頻交流電壓;i1、i2和i3分別為發(fā)射邊、接收邊1和接收邊2的回路電流;R1、R2和R3分別為各線圈電阻;L1、L2和L3分別為各線圈自感;C1、C2和C3分別為各線圈的串聯(lián)補(bǔ)償電容;Req為等效負(fù)載;M12和M13分別為發(fā)射線圈與兩個(gè)接收線圈間的互感;M23為兩個(gè)接收線圈間的互感。設(shè)發(fā)射線圈回路的總阻抗為Z1,接收線圈回路的總阻抗分別為Z2與Z3。

        由表達(dá)式可知,充電系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)取定后,輸出電壓、功率、充電效率隨M12和M13變化而波動(dòng),因此,需要設(shè)計(jì)抗偏移機(jī)構(gòu)來抑制互感波動(dòng)。

        2 強(qiáng)偏移容忍度的雙接收磁耦合機(jī)構(gòu)

        2.1 ? ?DD-DD/DD型雙接收磁耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

        本文所設(shè)計(jì)的強(qiáng)偏移容忍度的雙接收磁耦合機(jī)構(gòu)如圖2(b)所示。該結(jié)構(gòu)由兩個(gè)DD線圈交叉排列:第一個(gè)DD型接收線圈分布于整體的左上方和右下方相連的兩部分,另一個(gè)DD型接收線圈則分布于右上方和左下方相連的兩部分,兩個(gè)DD線圈呈交叉排列。本系統(tǒng)的能量發(fā)射側(cè)為DD線圈。整個(gè)耦合機(jī)構(gòu)為DD-DD/DD結(jié)構(gòu)。

        2.2 ? ?DD-DD/DD耦合機(jī)構(gòu)與DD-BP耦合機(jī)構(gòu)的仿真分析

        為研究DD/DD型雙接收線圈的抗偏移特性,將其與有抗偏移特性的BP型雙接收線圈對(duì)比,發(fā)射線圈均采用有抗偏移特性的DD線圈?;诜抡孳浖﨧axwell建立DD-BP耦合機(jī)構(gòu)和DD-DD/DD耦合機(jī)構(gòu)的物理模型并仿真,其參數(shù)如表1所示。

        改變X方向、Y方向偏移量,分別對(duì)兩種磁耦合機(jī)構(gòu)的互感進(jìn)行仿真計(jì)算,得到兩種結(jié)構(gòu)的偏移特性曲線。圖3(a)、圖3(b)分別是BP與DD線圈耦合,并在Y方向、X方向上偏移±10 mm、±20 mm得到的偏移特性曲線;圖4(a)、圖4(b)分別是DD/DD與DD線圈耦合,并在Y方向、X方向上偏移±10 mm、±20 mm得到的偏移特性曲線。

        由圖3(a)、圖3(b)可知,BP線圈:

        (1)在Y方向上偏移時(shí),雙接收線圈中一個(gè)線圈與發(fā)射線圈的互感減小,但另一個(gè)線圈與發(fā)射線圈的互感增大,以此來彌補(bǔ)減小的互感,從而保證BP線圈在偏移時(shí)的整體輸出能力不變,但兩個(gè)互感差值較大,不符合雙接收系統(tǒng)的均流要求,互感波動(dòng)為37%。

        (2)在X方向上偏移時(shí),耦合機(jī)構(gòu)互感發(fā)生波動(dòng),呈下降趨勢(shì),在偏移范圍內(nèi)互感降低了5%。

        綜上所述,BP型線圈具有較好的抗偏移特性,但在Y方向上不具備良好的均流效果。

        由圖4(a)、圖4(b)可知,DD/DD線圈:

        (1)在Y方向上偏移時(shí),兩個(gè)接收線圈與發(fā)射線圈間的互感發(fā)生波動(dòng),但在偏移范圍內(nèi)兩互感值始終保持一致,避免了電流不均的現(xiàn)象,互感波動(dòng)僅為11%。

        (2)在X方向上偏移時(shí),兩個(gè)接收線圈與發(fā)射線圈間的互感發(fā)生波動(dòng),但在偏移范圍內(nèi)兩個(gè)互感值始終保持一致,同樣避免了電流不均的現(xiàn)象,且互感波動(dòng)僅為4.5%。

        綜上,DD-DD/DD型耦合機(jī)構(gòu)在水平方向上具有很好的抗偏移特性,且能夠在耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上避免電流不均現(xiàn)象,能夠大幅降低硬件電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性。

        3 雙接收WPT系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        雙接收無線充電系統(tǒng)主要由逆變電路、耦合機(jī)構(gòu)、整流濾波模塊組成。直流電經(jīng)逆變電路變?yōu)樗璧母哳l交流電,高頻交流電通過發(fā)射線圈產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)將電能轉(zhuǎn)換為磁能;高頻磁場(chǎng)通過接收線圈發(fā)生諧振產(chǎn)生高頻交流電,又將磁能轉(zhuǎn)換為電能;高頻交流電經(jīng)整流濾波模塊后轉(zhuǎn)化成直流電后給AGV蓄電池充電。

        3.1 ? ?參數(shù)設(shè)計(jì)

        根據(jù)上文所述工作原理并取定AGV充電系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)(f、UIN、UL、i、R1、R2、R3),計(jì)算得出理論互感M12、M13,數(shù)據(jù)如表2所示,本文搭建了一套WPT系統(tǒng)。

        3.2 ? ?Simulink仿真

        在Simulink仿真軟件中搭建仿真電路,導(dǎo)入表2的相關(guān)參數(shù)(f、UIN、UL、i、R1、R2、R3),先代入無偏移(理想)時(shí)的互感數(shù)據(jù)仿真,再分別采用DD-BP、DD-DD/DD耦合機(jī)構(gòu)在X、Y方向上產(chǎn)生相同偏移下的互感數(shù)據(jù)作為耦合機(jī)構(gòu)互感,代入數(shù)據(jù)仿真,得到正對(duì)和最大偏移量(20 mm)下輸出電壓、功率、效率,如表3所示。

        由表3可知,在Y方向偏移時(shí),兩種結(jié)構(gòu)的輸出電壓、輸出功率波動(dòng)率如表4所示。

        兩種結(jié)構(gòu)偏移下的充電效率相近,X方向偏移時(shí),兩種結(jié)構(gòu)都具有較好的輸出穩(wěn)定性。而在Y方向偏移時(shí),DD-BP的輸出波動(dòng)很大,且發(fā)生二極管鉗位,使得其中一路無功率輸出,而DD-DD/DD的輸出較為穩(wěn)定,且較DD-BP的電壓波動(dòng)減小7.8%,功率波動(dòng)減小21.5%。

        4 結(jié)語

        本文提出了一種新型抗偏移的DD-DD/DD磁耦合結(jié)構(gòu)。通過對(duì)比DD-DD/DD型雙接收耦合機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)的DD-BP型耦合機(jī)構(gòu),DD-DD/DD型具有比DD-BP型更好的水平抗偏移能力,并且能夠自然實(shí)現(xiàn)偏移情況下雙接收系統(tǒng)的均流能力,極大地減輕了硬件電路設(shè)計(jì)和均流控制算法的難度,更加適用于AGV無線充電系統(tǒng)耦合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

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        收稿日期:2021-04-01

        作者簡(jiǎn)介:何東林(1998—),男,重慶人,研究方向:電氣工程及其自動(dòng)化。

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