電流傳感器在巡線機(jī)器人夾緊力測量中的應(yīng)用
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高壓和超高壓架空電力線是長距離輸配電力的主要方式。為確保供電可靠性，電力公司必須定期對線路設(shè)備進(jìn)行巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期損傷和缺陷，安排必要的維護(hù)和修復(fù)。目前，對輸電導(dǎo)線進(jìn)行巡檢的方法主要有2 種:
人工巡線 采用肉眼、望遠(yuǎn)鏡或紅外成像儀等設(shè)備沿地面對轄區(qū)內(nèi)的電力線進(jìn)行觀測。這種方法勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率和探測精度低，可靠性差。
航測法 直升飛機(jī)巡線。這種方法存在巡線盲區(qū)和安全問題，巡檢費(fèi)用昂貴。
移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，為架空電力線路巡檢提供了新的移動(dòng)平臺(tái)。高壓巡線機(jī)器人是沿架空高壓輸電線路進(jìn)行巡檢作業(yè)的全自動(dòng)化的巡線裝置，能夠帶電工作，沿輸電導(dǎo)線全程運(yùn)行（包括沿輸電導(dǎo)線的直線段和耐張線段實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)爬行，跨越及避讓懸垂線夾、懸垂絕緣子、防震錘、耐張線夾、桿塔等結(jié)構(gòu)型障礙） ，利用攜帶的傳感儀器對桿塔、導(dǎo)線及避雷線、絕緣子、線路金具、線路通道等實(shí)施接近檢測，代替工人進(jìn)行電力線路的巡檢工作，提高巡線的工作效率和巡檢精度。作者所在的課題組在國家863 計(jì)劃資助下，已研制出巡線機(jī)器人樣機(jī)，并通過了現(xiàn)場運(yùn)行試驗(yàn)。本文只討論巡線機(jī)器人中采用電流傳感器對夾緊力進(jìn)行測量的一種方法。
巡線機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)是由兩小臂操作手機(jī)構(gòu)和一個(gè)公共的變長大臂機(jī)構(gòu)組成。在機(jī)器人爬行和跨越障礙物時(shí)，需要讓一個(gè)操作手夾緊導(dǎo)線，騰出另一操作手配合公共的變長大臂在空間做動(dòng)作，此時(shí)操作手能否夾緊導(dǎo)線就顯得尤為關(guān)鍵:夾緊力過大，會(huì)損壞機(jī)械結(jié)構(gòu)或驅(qū)動(dòng)電機(jī);夾緊力不夠，機(jī)器人就可能從導(dǎo)線上掉下來。由于機(jī)器人工作在強(qiáng)電場、強(qiáng)磁場環(huán)境下，且高壓輸電導(dǎo)線為柔性導(dǎo)索，夾緊機(jī)構(gòu)的夾持角度不固定，待夾導(dǎo)線和障礙的直徑也不相同，使其對夾緊力傳感器的選用十分苛刻，必須具備以下條件:（1）能避免強(qiáng)電場、強(qiáng)磁場的干擾。
（2） 能自適應(yīng)夾緊不同直徑的物體。
（3） 結(jié)構(gòu)小巧、重量輕、便于安裝。
本文采用磁補(bǔ)償式電流傳感器間接測量巡線機(jī)器人夾緊力，效果良好。
2 磁補(bǔ)償式電流傳感器原理
磁補(bǔ)償式電流傳感器由原邊線圈、聚磁磁芯、霍爾電極、次級(jí)線圈、放大電路等部分組成，如圖1 所示，其工作原理為:原邊電流I1 通過原邊線圈N1 產(chǎn)生磁場B1 ，其磁力線集中在磁芯氣隙周圍。內(nèi)置在磁芯氣隙中的霍爾電極產(chǎn)生和原邊磁力線成正比的mV 級(jí)電壓，后續(xù)電路將這個(gè)微小信號(hào)轉(zhuǎn)換成副邊補(bǔ)償電流I2 ，I2 流過次級(jí)線圈N2 產(chǎn)生補(bǔ)償磁場B2 。當(dāng)原邊與副邊的磁場達(dá)到平衡時(shí)，補(bǔ)償電流I2 即可反映原邊電流I1 的值，即I1 N1 = I2 N2 。輸出電流I2 經(jīng)過測量電阻Rm ，則可以得到一個(gè)與原邊電流成正比的大小為幾伏的電壓輸出信號(hào)。
圖1 磁補(bǔ)償式電流傳感器原理圖
整個(gè)電流傳感器測力系統(tǒng)由直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電流傳感器、模擬/ 數(shù)字轉(zhuǎn)換（A/ D） 模塊、控制器及傳動(dòng)與夾緊機(jī)構(gòu)組成，如圖2 所示。
圖2 系統(tǒng)構(gòu)成簡圖
4 電流傳感器測力原理
在電機(jī)工作時(shí)，其工作電流I g 與電機(jī)軸輸出轉(zhuǎn)矩M的關(guān)系為:
I g = f （ M）
當(dāng)系統(tǒng)采用恒壓源供電時(shí)，I g 與M 成線性關(guān)系，令:
I g = C1 M + C2 （1）
而: M = Mf + Ml （2）
則: I g = C1 （ Mf + Ml） + C2
其中Mf 為機(jī)械摩擦阻力矩; Ml 為夾緊力反力矩。
在電機(jī)正常工作過程中Mf 可視為定值（設(shè)為C3 ） ，Ml是在夾緊過程中隨夾緊力F 變化的變量。由于在夾緊過程中Ml 的力臂保持不變，故Ml 與F 成線性關(guān)系，設(shè):
Ml = C4 F + C5（3）
則: I g = C1 C3 + C1 C4 F + C1 C5 + C2
令: C1 C3 + C1 C5 + C2 = C6 ，C1 C4 = C7
則有:I g = C6 F + C7 （4）
以上各式中C1 ～ C7 均為常數(shù)。
由式（4） 可知，夾緊力F 與電機(jī)工作電流I g 成線性關(guān)系。用電流傳感器測出電機(jī)的工作電流I g ，通過標(biāo)定即可轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的夾緊力F。
5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理
根據(jù)上述方法，選用CS005LX 型霍爾電流傳感器，原邊電流測量范圍- 5～5 A ，副邊額定輸出電壓4 V ，安裝在一臺(tái)220 kV 沿相線巡線機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上。通過帶電運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，測得電流傳感器在夾緊過程中的輸出如圖3 所示。
圖3 電流傳感器輸出
圖4 軟件濾波流程圖
通過對不同實(shí)驗(yàn)條件下夾緊效果的檢測表明:采用電流傳感器測量夾緊力，根據(jù)預(yù)置閥值的不同可以達(dá)到不同的夾緊效果，反應(yīng)靈敏，重復(fù)性較好;能自適應(yīng)夾緊不同直徑的導(dǎo)線或障礙物，無需調(diào)整軟硬件;不受強(qiáng)電場、強(qiáng)磁場的干擾，符合實(shí)際應(yīng)用要求。
采用電流傳感器測量高壓巡線機(jī)器人的夾緊力，是對電流傳感器用法的一種全新嘗試。他區(qū)別于一般的通過形變來測量力的方法，通過對系統(tǒng)功耗的轉(zhuǎn)化，用電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流間接地反應(yīng)夾緊力。這種方法無需增加額外的儀器設(shè)備，不受結(jié)構(gòu)的安裝位置限制，控制簡單，成本低廉，可應(yīng)用于過載保護(hù)、拉壓力控制等場合。 電流變送器相關(guān)文章:電流變送器原理 電流傳感器相關(guān)文章:電流傳感器原理
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