水下機器人無線充電系統電路設計

2017-06-09 19:01:42逯玉明

科學家 2017年5期

逯玉明

摘要水下機器人充電裝置主電路共分4個模塊，分別為發送側電路、接收側電路、輔助電源及電壓電流采樣電路。發送側電路主要包括高頻逆變電路和DSP控制電路；接收側電路包括全橋整流電路和升壓電路以及DSP控制電路；輔助電源主要是為傳感器及DSP供電；電壓電流采樣電路主要是為了升壓變換器輸入電壓采樣，實現對其輸入電壓的控制。

關鍵詞水下機器人；DSP控制電路；電壓采樣電路

中圖分類號 TP242.6 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）05-0053-02

1 發送側主電路設計

本系統的發送側主要涉及高頻逆變和耦合諧振部分，直流電源作為輸入經過高頻逆變，轉變成高頻交流電，通入線圈與電容的諧振電路，為達到最大的諧振頻率以得到最大的輸出交流電壓幅值，發送側逆變的頻率和串聯諧振網絡的自然頻率相等為33kHz，逆變器選取為帶反并聯二極管的MOSFET功率管，以IR2101s為開關管的驅動芯片dsPIC33FJ64GS606為控制單元。

2 接收側主電路設計

在系統接收側，電感耦合過來的電壓經過全橋整流轉變為直流，整流電路采用MOSFET功率管的反并聯二極管作為整流管，整流后的直流電作為升壓變換器輸入，升壓變換器升壓后給電池充電，因需要控制升壓變換器的輸入為不同的電壓等級，采用PI控制算法實現閉環控制，用dsPIC33FJ64GS606為控制單元，開關頻率設定為50kHz，采樣頻率為10kHz對升壓變換器的輸入電壓進行采樣。

3 水下無線功率傳輸系統實驗設計

實驗中使用RX-3010D-II型直流電源作為發送側逆變器的輸入和輔助電路的電源，48V鉛酸蓄電池作為負載。無線功率傳輸樣機由發送側逆變器、發送側諧振網絡、發送側線圈、接收側線圈、接收側整流器和匹配變換器（BOOST變換器）各部分組成。

實驗具體步驟為：設置系統的輸入電壓為20V，BOOST變換器的輸入電壓為17V，分別采取線圈之間的距離為35mm、40mm、45mm、50mm、55mm、60mm、65mm、70mm、75mm、80mm、85mm來測量數據，系統效率計算公式為η=Pout/Pin。

觀察示波器，記錄水下傳輸靜態傳輸測試波形如圖1所示，發現發送側電壓超前電流，說明發送側電路呈感性。

4 線圈錯位測試

水下機器人在停放充電的時候，并不可能完全與發送線圈對齊，所以針對錯位問題做了相關實驗研究，研究在負載錯位的情況下，對傳輸功率以及效率的影響。錯位有兩種形式的錯位，一種是平行錯位；另一種是傾斜錯位，下面針對這兩種錯位形式做測試分析。

4.1 平行錯位測試

平行錯位分兩種形式，具體如圖3所示，即沿著線圈的橫向和縱向錯位，實驗以20mm為步長進行錯位，選擇了30mm的傳輸距離進行測試。

測試結果如圖4所示：

圖4中，（a）為功率隨橫向錯位距離變化曲線；（b）為效率隨橫向錯位距離變化曲線；（c）為功率隨縱向錯位距離變化曲線；（d）為效率隨縱向錯位距離變化曲線由圖可知系統的傳輸功率隨著位移的增大而增大，這和距離增大導致輸入輸出增大時類似的，但是系統的效率幾乎不變。這個結果對于水下無線功率傳輸可知系統的傳輸功率隨著位移的增大而增大，這和距離增大導致輸入輸出增大時類似的，但是系統的效率是幾乎不變。

從理論角度分析，可以知道，在進行橫向錯位時，每移一次變化的面積是大于橫向錯位的，也就是說，漏磁較多，從而導致了效率的降低。這個結果對于水下無線功率傳輸無疑是有益的。

同樣，在測試了50mm傳輸距離下的錯位情況，發現結果和30mm基本一致，排除個別實驗數據誤差。至此，所以得到的結論是，在系統穩定傳輸的情況下，一定平行錯位對系統的傳輸效率無太大影響。

當使系統恒定功率輸出時，觀察效率的變化。實驗時，將輸出功率控制在200W，結果發現，在進行橫向錯位時，效率降低的較快，但是系統仍然保持較好的傳輸效率，總體在60%以上；在進行縱向錯位時，效率降低的較慢。從理論角度分析，可以知道，在進行橫向錯位時，每移一次變化的面積是大于橫向錯位的，也就是說，漏磁較多，從而導致了效率的降低。

4.2 傾角錯位測試

平行錯位分兩種具體形式如圖5所示，傾斜錯位時以5°為步長，依據實際情況，測試三組數據。