經(jīng)典巡線機器人電源系統(tǒng)研究

　　1引言

　　機器人巡線是指用機器人攜帶檢測通信儀器沿 全線路行駛作業(yè)，并由機器人完成對線路運行故障的檢測和對安全事故隱患的巡視，并將所檢測的信息實時向地面?zhèn)魉?，由地面進(jìn)行分析處理。在常規(guī)地面運作時，一般采用小型蓄電池定時更換方式。但是，高壓輸電線路分布在野外，跨越山川湖泊，巡線機器人作業(yè)時，能量消耗大，而現(xiàn)場沒有可供充電的電源，并且在巡線過程中頻繁的更換蓄電池會造成諸多不便，該因素會極大的限制巡線機器人的廣泛應(yīng)用。

　　為此，本文研究了通過感應(yīng)取電的方式為機器人提供電源的供電系統(tǒng)。

　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　為實現(xiàn)上述目的，設(shè)計鐵芯和線圈從高壓線路上獲取電能，獲取的電能通過開關(guān)電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)流源，并通過充電使能電路向鎳氫電池充電，同時，充電控制電路對電池電壓監(jiān)控以控制充電方式、是否充電、是否停機，并將信息傳送給巡線機器人主控制系統(tǒng)。

　　3工作原理

　　按照電磁場理論，環(huán)繞工作狀態(tài)的高壓輸電線 路存在著交變磁場，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，磁場中的回路將產(chǎn)生感應(yīng)電流。在近似認(rèn)為輸電線路為無限長的前提下，輸電線路所產(chǎn)生的磁場的磁通線為圍繞它的同心圓。如，輸電線路中的電流為I1，根據(jù)安培環(huán)路定理可以推出距輸電線距離為r的空間任一點磁場強度的大小為： H=I/2 πr（A/m）（1）

　　磁感應(yīng)強度為： B=μI/2πr（T）（2）

　　B的方面與中心位于導(dǎo)線上的圓相切，并垂直 于導(dǎo)線的平面。 如果將機器人等為一個電阻R，則由感應(yīng)線圈與機器人組成的回路中將產(chǎn)生電流I2，等效圖見圖1。

　　圖1取電裝置電路等效圖

　　機器人電源系統(tǒng)研究的核心內(nèi)容是如何高效率 地從輸電線路四周的磁場能量轉(zhuǎn)換為電能，其中關(guān)鍵部分是鐵芯和線圈的設(shè)計。

　　4電源系統(tǒng)的構(gòu)成

　　4.1鐵芯及線圈

　　鐵芯的特性及身體尺寸對感應(yīng)裝置輸出功率的影響很大，如圖2所示，高壓輸電線路可視為只有一匝的初始繞組，按電磁感應(yīng)定律，R兩端的感應(yīng)電動勢的有效值為：

　　忽略勵磁電流，I1與流經(jīng)R的電流I2滿足I1≈ NI2，按感應(yīng)電流計算，R的功率為：

　　由式（4）可知，由于受機器人體積的限制，在S一定的情況下，應(yīng)選擇合適的鐵芯材料以提高磁感應(yīng)強度是提高輸出功率的途徑。 高壓輸電線路中的電流受負(fù)載的影響而不斷變化，峰值電流是谷值電流的數(shù)百倍。在如此大的變化范圍之內(nèi)，為保證能為機器人連續(xù)供電，取電裝置必須在較小的電流時便能取得較高的能量，并且隨著電流不斷增加而增大。對應(yīng)于鐵芯，則要求其應(yīng)具有較高的初始磁導(dǎo)率及較高的飽和磁感應(yīng)強度。在目前使用的軟磁材料中，由于硅鋼片具有較大的飽和磁感應(yīng)強度及疊片系數(shù)，能取得較大的功率，故取其作為鐵芯材料。

　　為了避免磁場損耗，鐵芯應(yīng)是一個整體，以保證磁路中無氣隙。但由于高壓輸電線路無斷點，同時，機器人在行進(jìn)過程中需懸垂子、平衡錘等障礙。鐵芯必須設(shè)計成可以分合的兩部分，在正常工作時兩部分合為一體，跨越障礙時需通過機械手將其分開。

圖2 鐵芯結(jié)構(gòu)示意圖

　　從式（1）、 （2）中同樣可知，取電裝置所取功率同時受線圈匝數(shù)的影響。取能裝置若要取得最大能量，則P1及P2應(yīng)同時達(dá)到最大值，此時應(yīng)滿足P1=P2，由此可推出

　　此時，取電裝置能取得最大功率。此關(guān)系是在忽略漏磁、氣隙、勵磁電流的情況下推出的，為了驗證其準(zhǔn)確性，我們單獨對線圈匝數(shù)進(jìn)行了試驗。實驗時，輸電線路電流I1=210A，此時，根據(jù)硅鋼的磁 化曲線可查得，B≈1.8T，負(fù)載等效電阻R=800 Ω，電流頻率f=50Hz，理論計算值為N=738。試驗數(shù)據(jù)見表1。

　　可以看出，在700匝左右時，功率達(dá)到最大值，與理論值相近。

　　4.2充電及控制電路

　　鐵芯和線圈從高壓線路上獲取的電能通過開關(guān)電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)流源，并通過充電使能電路向鎳氫電池充電，同時，充電控制電路對電池電壓監(jiān)控以控制充電方式、是否充電、是否停機，并將信息傳送給巡線機器人主控制系統(tǒng)，圖3是系統(tǒng)控制流程圖。

　　4.2.1開關(guān)電源電路

　　開關(guān)電源中采用半橋變換電路進(jìn)行降壓，如圖4所示。為方便說明，場效應(yīng)管的開關(guān)控制用兩個開關(guān)代替（swdip22），開關(guān)S1和S2交替導(dǎo)通，當(dāng)S1導(dǎo)通時，S2斷開，然后反之。穩(wěn)態(tài)條件下，在C1= C2時，S1導(dǎo)通時，C1上的1/2VS加在原邊線圈上， 副邊繞組電壓使D2導(dǎo)通。經(jīng)占空比所定時間后，S1關(guān)斷，S2導(dǎo)通，副邊繞組電壓使D1導(dǎo)通。場效應(yīng)管的開關(guān)控制是由KA7500B芯片9，10，12腳來控制的，控制電路利用變壓器耦合，驅(qū)動MOSFET，驅(qū)動BG3、BG4和BG7、BG8組成了橋式推挽功率放大電路。通過9腳輸出高電平時，10腳為低電平，BG4、BG7導(dǎo)通。變壓器TF1流過正向電流。變壓器TF1一次繞組上的電壓為反向，大小為從整流橋過來的總電壓的一半，如圖5所示。

　　10腳輸出高電平時，9腳為低電平，BG8、BG3 導(dǎo)通。變壓器TF1流過反向電流。變壓器TF1一 次繞組上的電壓為正向，大小同樣為從整流橋過來的總電壓的一半。

　　4.2.2充電控制電路

　　設(shè)計的充電電路須在電壓至峰值電壓時，停止 充電，以防電池過充電;并且在充電快完成時，應(yīng)使用C/102C/15進(jìn)行補充充電，以防止由于電池的弱極化。 充電使能電路如圖6所示，SR24是繼電器，CTL+，CTL-連接到線圈的輸出端，78L15為運放提供穩(wěn)定的15V電源。使能電路的核心是CA3140，本電路不能采用開環(huán)比較器電路，因為，鎳 氫電池在充電時也要工作，其 dv dt 的特性可能變化很大，ca3140接成schmitt觸發(fā)器的形式。

　　圖7是充電控制電路，由CA3140組成schmitt 觸發(fā)器，穩(wěn)壓管的主要作用是穩(wěn)定輸出電壓的幅值，為三極管提供合適工作點。R5是保護(hù)電阻，起限流作用。兩個光隔，分別用于強制快充使能端和快速充電檢測，為機器人提供充電信息。

　　機器人過障時電機提供的功率較大，充電電流可能小于放電電流，為避免電池的過放電而損壞電池，設(shè)計的保護(hù)電路，如圖8所示。

　　當(dāng)蓄電池兩端電壓低于24V時，由于穩(wěn)壓管的 非線性，三級管Q1基極的電位趨于0，Q1反相截止，電流經(jīng)R5，D2流入光隔D3，產(chǎn)生LOW信號，提示機器人停機充電。當(dāng)蓄電池電壓高于24V時，則Q1導(dǎo)通，電流由R5流入三極管Q1。

　　機器人需要輸出32V，7A;24V，4A;12V，3A;5V，2A四路電壓，選用DC/DC模塊電源，把電池輸 出端的電壓轉(zhuǎn)換成以上四種電壓。

　　5結(jié)論

　　本文對機器人電源系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析和實際設(shè)計，主要闡述了感應(yīng)取電裝置各參數(shù)（鐵芯磁性參數(shù)、幾何尺寸、線圈匝數(shù)等）對取電功率的影響，從理論上推出他們之間的關(guān)系，根據(jù)理論分析結(jié)果，進(jìn)行了相應(yīng)的試驗;同時，對電源系統(tǒng)的控制電路及充電電路工作原理進(jìn)行詳細(xì)的介紹。本系統(tǒng)研制，對于高壓作業(yè)設(shè)備的電能供給問題，是一個很好的 解決方案。