變電站巡檢機器人的充電系統設計

管文龍 車金峰 付 淵

（貴陽供電局，貴州 貴陽550000）

0 引言

隨著我國電力系統的不斷發展，電網安全、穩定運行越來越受到重視。尤其在近年來大力發展的超高壓、特高壓輸電系統中，安全問題更受重視。變電站巡檢機器人的誕生大大提高了工作效率和質量，降低了人工勞動強度和危險。機器人執行巡檢任務時時刻查詢電池電量，當電量降到輸出下限時，機器人返回充電系統，完成機器人電能自動補給，對在無人參與下機器人自動進行充電完成機器人電能補給成為變電站巡檢機器人的一項重要研究課題。

1 鋰離子電池的工作原理

鋰離子電池以碳素材料為負極，以含鋰的化合物作正極，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子。鋰離子電池是以鋰離子嵌入化合物為正極材料的電池的總稱。鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中，同時伴隨著與鋰離子等當量的電子的嵌入和脫嵌（習慣上正極用嵌入或脫嵌表示，負極用插入或脫插表示）。在充放電過程中，鋰離子在正、負極之間往返嵌入／脫嵌和插入／脫插，被形象地稱為“搖椅電池”。

鋰離子電池能量密度大，平均輸出電壓高；自放電小，每月在10%以下；沒有記憶效應；工作溫度范圍為－20～60℃；循環性能優越，可快速充放電，充電效率高達100%，而且輸出功率大；使用壽命長，沒有環境污染，被稱為“綠色電池”。

2 充電系統硬件設計

2.1 總體設計

充電系統的結構框圖如圖1所示。

本系統采用ATmega128 A為中央處理器，設計時充分利用了其自身集成豐富的內外設資源，簡化了外部電路，提高了系統的穩定性能。設計上，變電站巡檢機器人的充電系統主要包括采集電路、電機驅動電路、電源模塊、激光傳感器接收電路和通信模塊等。

2.2 電源電路設計

電源電路設計如圖2所示。

12 V電源由24 V電源隔離模塊URB2412YMD經過濾波電容產生，為5 V電源模塊、電壓輸出開關電路和電機驅動電路提供工作電壓。5 V電源由12 V非隔離穩壓模塊7805產生，為保證電源質量，后又經過典型LC－π濾波電路處理，使得紋波小于100 mV，提高了模擬電源的抗干擾性。

圖1 充電系統結構圖

圖2 電源電路圖

2.3 對接機構電機控制電路設計

執行機構電機選用42兩相四線步進電機，電機驅動電路采用德州儀器（TI）的DRV8824步進電機控制器IC為集成電機驅動器。德州儀器（TI）的DRV8824集成芯片是PWM微步進電機驅動器，內置微索引器，片上可進行1／32微步、1／16微步、1／8微步、1／4微步、1／2微步細分，24 V 時最大驅動電流為1.6 A，工作電壓范圍為8～45 V。對接機構電機控制電路如圖3所示，采用DRV8824典型電路，1／16微步控制，電流限制在1 A以下。單片機I／O端口PB0、PB1、PB2設置細分模式，PC0輸出可控的PWM波形，可以控制電機轉速。待單片機檢測到對接狀態為“1”時，控制電機停止運動，完成充電對接動作。

圖3 步進電機驅動電路圖

2.4 采集電路設計

圖4 為電池電壓檢測電路，接收電路主要由儀表放大器AD620構成。儀表放大器 AD620為 ADI（Analog Devices，Inc）公司研發出的單片IC儀表放大器，內部經典的三運放結構有效減小了共模輸入的干擾，增益可以由外界1腳和8腳連接電阻控制，公式為G＝＋1，在8腳和1腳電阻不接時，放大倍數是1，使得單片機采集的模擬信號失真變小，大大提高了采集精度。

圖4 電池電壓檢測電路圖

2.5 通信電路設計

通信電路采用的ADM3251E是ADI公司推出的基于其專利i Coupler和iso Power磁隔離技術的RS－232隔離器，在性能、功耗、體積等各方面都有傳統光電隔離器（光耦）無法比擬的優勢。它的功耗僅為光電耦合器的1／10～1／6，具有比光電耦合器更高的數據傳輸速率、時序精度和瞬態共模抑制能力，大大提高了通信的質量和正確性。

3 充電系統軟件設計

系統軟件程序包括初始化程序、定時器程序和串口通信程序等。程序運行流程如圖5所示。

該系統已經成功應用于變電站巡檢機器人，無故障運行時間在1年以上，現場返回信息說明該系統運行正常。

4 結語

該充電系統通過硬件和軟件設計上的一些優化措施，成功解決了變電站存在的復雜的強電磁干擾問題，能夠保障系統正常工作。在變電站巡檢機器人完成巡檢任務的過程中，該系統能保障機器人能量供給正常，大大提高了機器人的智能性，使

圖5 程序運行流程

得無人值守變成可能，也使減少人的工作成為可能。

［1］孫國凱，韓剛.變電站巡檢方式對比及其智能巡檢機器人的研究與設計［J］.電氣時代，2008（7）

［2］魯守銀，錢慶林，張斌，等.變電站設備巡檢機器人的研制［J］.電力系統自動化，2006（13）