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電流傳感器在巡線機器人夾緊力測量中的應(yīng)用

作者: 時間:2011-03-12 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
1 引 言

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)備進行巡檢,及時發(fā)現(xiàn)早期損傷和缺陷,安排必要的維護和修復(fù)。目前,對輸電導(dǎo)線進行巡檢的方法主要有2 種:

人工巡線 采用肉眼、望遠鏡或紅外成像儀等設(shè)備沿地面對轄區(qū)內(nèi)的電力線進行觀測。這種方法勞動強度大,工作效率和探測精度低,可靠性差。

航測法 直升飛機巡線。這種方法存在巡線盲區(qū)和安全問題,巡檢費用昂貴。

移動
機器人技術(shù)的發(fā)展,為架空電力線路巡檢提供了新的移動平臺。高壓是沿架空高壓輸電線路進行巡檢作業(yè)的全自動化的巡線裝置,能夠帶電工作,沿輸電導(dǎo)線全程運行(包括沿輸電導(dǎo)線的直線段和耐張線段實現(xiàn)滾動爬行,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、線路通道等實施接近檢測,代替工人進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 計劃資助下,已研制出樣機,并通過了現(xiàn)場運行試驗。本文只討論中采用電流傳感器進行測量的一種方法。

巡線機器人移動平臺是由兩小臂操作手機構(gòu)和一個公共的變長大臂機構(gòu)組成。在機器人爬行和跨越障礙物時,需要讓一個操作手夾緊導(dǎo)線,騰出另一操作手配合公共的變長大臂在空間做動作,此時操作手能否夾緊導(dǎo)線就顯得尤為關(guān)鍵:過大,會損壞機械結(jié)構(gòu)或驅(qū)動電機;不夠,機器人就可能從導(dǎo)線上掉下來。由于機器人工作在強電場、強磁場環(huán)境下,且高壓輸電導(dǎo)線為柔性導(dǎo)索,夾緊機構(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)能避免強電場、強磁場的干擾。

(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。

本文采用磁補償式間接測量巡線機器人夾緊力,效果良好。

2 磁補償式原理

磁補償式由原邊線圈、聚磁磁芯、霍爾電極、次級線圈、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 級電壓,后續(xù)電路將這個微小信號轉(zhuǎn)換成副邊補償電流I2 ,I2 流過次級線圈N2 產(chǎn)生補償磁場B2 。當(dāng)原邊與副邊的磁場達到平衡時,補償電流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 ,則可以得到一個與原邊電流成正比的大小為幾伏的電壓輸出信號。

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圖1 磁補償式電流傳感器原理圖

3 系統(tǒng)構(gòu)成

整個電流傳感器測力系統(tǒng)由直流驅(qū)動電機、電流傳感器、模擬/ 數(shù)字轉(zhuǎn)換(A/ D) 模塊、控制器及傳動與夾緊機構(gòu)組成,如圖2 所示。

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圖2 系統(tǒng)構(gòu)成簡圖

其中直流電機通過傳動機構(gòu)驅(qū)動夾緊機構(gòu)動作,電流傳感器串接在電機正極接線端子中,其輸出信號送入A/ D轉(zhuǎn)換模塊,控制器根據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果控制電機的動作。

4 電流傳感器測力原理

在電機工作時,其工作電流I g 與電機軸輸出轉(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,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 為機械摩擦阻力矩; Ml 為夾緊力反力矩。

在電機正常工作過程中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 與電機工作電流I g 成線性關(guān)系。用電流傳感器測出電機的工作電流I g ,通過標定即可轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的夾緊力F。

5 實驗數(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220 kV 沿相線巡線機器人實驗樣機上。通過帶電運行實驗,測得電流傳感器在夾緊過程中的輸出如圖3 所示。

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圖3 電流傳感器輸出

由于機械摩擦阻力矩隨傳動機構(gòu)的運動而變化,電流傳感器的輸出有振動現(xiàn)象,需要進行相應(yīng)的軟件濾波處理,以保證夾緊效果。采用連續(xù)多次判斷采樣電流大于閥值的方法即可方便地濾除干擾,如圖4 所示。

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圖4 軟件濾波流程圖

6 結(jié) 論

通過對不同實驗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;不受強電場、強磁場的干擾,符合實際應(yīng)用要求。

采用電流傳感器測量高壓巡線機器人的夾緊力,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,用電機的驅(qū)動電流間接地反應(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、拉壓力控制等場合。
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