1引言
機(jī)器人巡線是指用機(jī)器人照顧檢測(cè)通訊儀器沿全線路行駛功課，并由機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)線路運(yùn)轉(zhuǎn)毛病的檢測(cè)跟對(duì)平安事故隱患的巡視，并將所檢測(cè)的信息及時(shí)向空中傳遞，由空中停止剖析處置懲罰。正在通例空中運(yùn)作時(shí)，普通采取小型蓄電池按時(shí)改換方法。可是，高壓輸電線路漫衍正在田野，超過山水湖泊，巡線機(jī)器人功課時(shí)，能量消耗年夜，而現(xiàn)場(chǎng)不可供充電的電源，而且正在巡線進(jìn)程中頻仍的改換蓄電池會(huì)形成諸多不便，該因素會(huì)極大的限定巡線機(jī)器人的廣泛應(yīng)用。
為此，本文研討了經(jīng)由過程感到取電的方法為機(jī)器人供給電源的供電系統(tǒng)。
2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，計(jì)劃鐵芯跟線圈從高壓線路上獲得電能，獲得的電能經(jīng)由過程開關(guān)電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)流源，并經(jīng)由過程充電使能電路向鎳氫電池充電，同時(shí)，充電控制電路對(duì)電池電壓監(jiān)控以節(jié)制充電方法、是不是充電、是不是停機(jī)，并將信息傳遞給巡線機(jī)器人主控制系統(tǒng)。
3事情原理
依照電磁場(chǎng)實(shí)際，環(huán)抱事情形態(tài)的高壓輸電線路存在著交變磁場(chǎng)，依據(jù)電磁感應(yīng)定律，磁場(chǎng)中的回路將發(fā)生感應(yīng)電流。正在近似認(rèn)為輸電線路為無(wú)限少的條件下，輸電線路所發(fā)生的磁場(chǎng)的磁通線為盤繞它的同心圓。如，輸電線路中的電流為I1，依據(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(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度的巨細(xì)為：H=I/2πr
磁感應(yīng)強(qiáng)度為：B=μI/2πr
B的方面與中間位于導(dǎo)線上的圓相切，并垂直于導(dǎo)線的立體。若是將機(jī)器人等為一個(gè)電阻R，則由感到線圈與機(jī)器人構(gòu)成的回路中將發(fā)生電流I2，等效圖見圖1。
圖1取電安裝電路等效圖
機(jī)器人電源體系研討的核心內(nèi)容是若何高效率天從輸電線路四處的磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換為電能，此中要害部門是鐵芯跟線圈的計(jì)劃。
4電源體系的組成
4.1鐵芯及線圈
鐵芯的特性及身體尺寸對(duì)感到安裝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兩頭的感到電動(dòng)勢(shì)的有效值為：
疏忽勵(lì)磁電流，I1與流經(jīng)R的電流I2知足I1≈NI2，按感應(yīng)電流計(jì)較，R的功率為：
由式可知，因?yàn)槭軝C(jī)器人體積的限定，正在S必然的環(huán)境下，應(yīng)取舍適合的鐵芯資料以進(jìn)步磁感應(yīng)強(qiáng)度是進(jìn)步輸出功率的道路。高壓輸電線路中的電流受負(fù)載的影響而不休變更，峰值電流是谷值電流的數(shù)百倍。正在如斯年夜的變更規(guī)模以內(nèi)，為保障能為機(jī)器人接連供電，取電安裝必需正在較小的電流時(shí)便能取得較下的能量，而且跟著電流不休增長(zhǎng)而增大。對(duì)應(yīng)于鐵芯，則要求其應(yīng)存在較下的初始磁導(dǎo)率及較下的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。正在現(xiàn)階段利用的軟磁資料中，因?yàn)楣桎撈嬖谳^大的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度及疊片系數(shù)，能取得較大的功率，故取其作為鐵芯資料。
為了制止磁場(chǎng)消耗，鐵芯應(yīng)是一個(gè)整體，以保障磁路中無(wú)氣隙。但因?yàn)楦邏狠旊娋€路無(wú)斷點(diǎn)，同時(shí)，機(jī)器人正在前進(jìn)進(jìn)程中需懸垂子、均衡錘等阻礙。鐵芯必需計(jì)劃成可以分合的兩部門，正在畸形事情時(shí)兩部門合為一體，超過阻礙時(shí)需經(jīng)由過程機(jī)械手將其離開。
圖2鐵芯布局示意圖
從式中一樣可知，取電安裝所與功率同時(shí)受線圈匝數(shù)的影響。取能安裝若要取得最大能量，則P1及P2應(yīng)同時(shí)到達(dá)最大值，此時(shí)應(yīng)知足P1=P2，由此可推出
并聯(lián)分揀機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)此時(shí)，取電安裝能取得最大功率。此關(guān)聯(lián)是正在疏忽漏磁、氣隙、勵(lì)磁電流的環(huán)境下推出的，為了驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，咱們零丁對(duì)線圈匝數(shù)停止了實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，輸電線路電流I1=210A，此時(shí)，依據(jù)硅鋼的磁化曲線可查得，B≈1.8T，負(fù)載等效電阻R=800Ω，電流頻次f=50Hz，實(shí)際計(jì)較值為N=738。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。
可以看出，正在700匝擺布時(shí)，功率到達(dá)最大值，與理論值附近。
4.2充電及控制電路
鐵芯跟線圈從高壓線路上獲得的電能經(jīng)由過程開關(guān)電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)流源，并經(jīng)由過程充電使能電路向鎳氫電池充電，同時(shí)，充電控制電路對(duì)電池電壓監(jiān)控以節(jié)制充電方法、是不是充電、是不是停機(jī)，并將信息傳遞給巡線機(jī)器人主控制系統(tǒng)，圖3是系統(tǒng)控制流程圖。
分揀機(jī)器人實(shí)拍4.2.1開關(guān)電源電路
開關(guān)電源中采取半橋變更電路停止降壓，如圖4所示。為便利解釋，場(chǎng)效應(yīng)管的開關(guān)節(jié)制用兩個(gè)開關(guān)取代，開關(guān)S1跟S2瓜代導(dǎo)通，當(dāng)S1導(dǎo)通時(shí)，S2斷開，然后反之。穩(wěn)態(tài)前提下，正在C1=C2時(shí)，S1導(dǎo)通時(shí)，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)占空比所定工夫后，S1關(guān)斷，S2導(dǎo)通，副邊繞組電壓使D1導(dǎo)通。場(chǎng)效應(yīng)管的開關(guān)節(jié)制是由KA7500B芯片9，10，12腳來節(jié)制的，控制電路應(yīng)用變壓器耦合，驅(qū)動(dòng)MOSFET，驅(qū)動(dòng)BG3、BG4跟BG7、BG8構(gòu)成了橋式推挽功率放大電路。經(jīng)由過程9足輸出高電平時(shí)，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，巨細(xì)為從整流橋過去的總電壓的一半，如圖5所示。
10足輸出高電平時(shí)，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，巨細(xì)一樣為從整流橋過去的總電壓的一半。
4.2.2充電控制電路
計(jì)劃的充電電路須正在電壓至峰值電壓時(shí)，終止充電，以防電池過充電;而且正在充電快實(shí)現(xiàn)時(shí)，應(yīng)利用C/102C/15停止增補(bǔ)充電，以防備因?yàn)殡姵氐膹?qiáng)極化。充電使能電路如圖6所示，SR24是繼電器，CTL+，CTL-毗鄰到線圈的輸出端，78L15為運(yùn)放供給不變的15V電源。使能電路的焦點(diǎn)是CA3140，本電路不克不及采取開環(huán)比力器電路，由于，鎳氫電池正在充電時(shí)也要事情，其dvdt的特性能夠變化很大，ca3140接成schmitt觸發(fā)器的情勢(shì)。
圖7是充電控制電路，由CA3140構(gòu)成schmitt觸發(fā)器，穩(wěn)壓管的次要作用是不變輸出電壓的幅值，為三極管供給適合事情面。R5是護(hù)衛(wèi)電阻，起限流作用。兩個(gè)光隔，離別用于強(qiáng)迫快充使能端跟快捷充電檢測(cè)，為機(jī)器人供給充電信息。
分揀機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)器人過障時(shí)機(jī)電供給的功率較大，充電電流能夠小于放電電流，為制止電池的過放電而損壞電池，計(jì)劃的護(hù)衛(wèi)電路，如圖8所示。
當(dāng)蓄電池兩端電壓低于24V時(shí)，因?yàn)榉€(wěn)壓管的非線性，三級(jí)管Q1基極的電位趨于0，Q1反相停止，電流經(jīng)R5，D2流入光隔D3，發(fā)生LOW旌旗燈號(hào)，提醒機(jī)器人停機(jī)充電。當(dāng)蓄電池電壓高于24V時(shí)，則Q1導(dǎo)通，電流由R5流入三極管Q1。
5論斷
本文對(duì)機(jī)器人電源體系停止了實(shí)際剖析跟實(shí)際計(jì)劃，次要論述了感到取電安裝各參數(shù)（鐵芯磁性參數(shù)、多少尺寸、線圈匝數(shù)等）對(duì)取電功率的影響，從實(shí)際上推出他們之間的關(guān)聯(lián)，依據(jù)實(shí)際剖析成果，停止了響應(yīng)的實(shí)驗(yàn);同時(shí)，對(duì)電源體系的控制電路及充電電路事情原理停止具體的先容。本體系研制，關(guān)于高壓功課設(shè)備的電能供應(yīng)問題，是一個(gè)很好的解決方案。更多機(jī)器人技巧材料，電路圖及DIY計(jì)劃，可參見本期Designsofweek——當(dāng)中國(guó)制造趕上機(jī)器人技巧，計(jì)劃思維請(qǐng)跟上！
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