動態無線充電在智能巡檢機器人中的應用

陳宇峰

（國網信通億力科技有限責任公司，福建 福州 350003）

0 引 言

如今，巡檢機器人作為重要的生產設備變得越來越智能。此時采用傳統的充電方式已經無法滿足要求，對新型智能巡檢機器人的應用也造成一定影響。因此，在大力發展和推廣應用智能巡檢機器人的同時，還應做好充電方式的改進，在充分發揮現有充電方式優勢的基礎上，實現動態無線充電。

1 智能巡檢機器人現有充電方式

智能巡檢機器人現有的充電方式主要有有線與無線兩種。其中，無線充電方式主要是在固定地點進行充電，利用控制系統監控機器人蓄電池的實際電壓數值，以此確定是否需要進行充電。如果檢測發現蓄電池欠壓，則機器人可以自主導航至充電房，并借助激光測距儀與視覺識別確定充電座具體位置，然后通過適當調整其實際位姿進行充電。而有線充電的充電接口直接外露，不僅容易產生老化，而且安全性相對較差，只可以在固定的地點實施充電。靜態無線充電也需要到達固定地點后才可以進行，這樣會浪費很多時間，對機器人的續航能力也會造成很大的影響，導致機器人實際工作效率明顯降低。另外，無論采用有線還是靜態無線充電，機器人都必須搭載電池組，要想使機器人具有較高的續航能力，就必須搭載大量電池組，這樣無疑會增大設備的自身重量，增加能耗。與傳統充電方式相比，無線充電將發射線圈設置在地下，基本不會占用地上空間，而且沒有直接外露的接口，運行過程穩定且安全，用于維護方面的成本也較低，能有效保證用戶體驗。與靜態無線充電相比，采用動態無線充電時，基本不會受到充電地點方面因素的影響和限制，在機器人實際運行時就可以完成充電，使機器人始終處在工作狀態，保證工作效率。除此之外，采用動態無線充電還能大量減少機器人電池搭載數量，減輕機器人的重量，降低能耗，進一步延長機器人的行駛里程[1]。

2 動態無線充電方案設計

2.1 感應耦合電能傳輸

感應耦合電能傳輸根據電磁感應原理進行，如圖1所示。裝置可以分成初級能量變換、能量傳輸、次級能量拾取以及反饋4個部分。其中，第一部分輸入電壓是電網電壓，在整流橋中完成整流與高頻逆變，使電網工頻交流電變成直流電，再從逆變電路將直流電變成高頻交流電。裝置的第二部分與松耦合變壓器基本相同，在交變磁場持續作用下，原邊線圈將電能實時傳輸至副邊線圈。裝置的第三部分實際上就是副邊線圈，能將高頻交流電采用整流和穩壓的方法變成直流電，進而向負載提供穩定且持續的供電。智能巡檢機器人中的主要負載包括蓄電池與其他所有耗能裝置。裝置的第四部分主要負責采集各類參數，然后將采集到的各類信號實時反饋至控制調節單元中，以此控制驅動信號頻率[2]。

圖1 感應耦合傳輸裝置

2.2 分段供電導軌模式

在該系統中，主要采用的是高頻高壓配電和低壓恒流激勵相結合的分段導軌供電模式，如圖2所示。能量傳遞所用導軌段可以被劃分成N段，在每個不同的分段中都配置了轉換器與諧振補償網絡。在功率轉換裝置的作用下，工頻電源將變成高頻交流電，然后由高頻升壓器實施升壓處理，之后進入到配電軌中實施傳輸。在各條導軌都配置了高頻降壓轉換裝置，可以將配電導軌所接收到的交流電從高頻高壓變成低壓大電流，最后將這一交流電傳輸至換向與補償鏈路中。對轉換器而言，還能實現恒定電流控制，在引導件中產生保持在恒定狀態的勵磁電流，增強導軌自身功率發射能力，最終保證功率傳遞過程的穩定性。

圖2 高頻高壓配電-低壓恒流激勵導軌

3 動態無線充電系統硬件設計

3.1 控制器

動態無線充電系統的控制器為MSP430型，內部裝設16位定時器，能定時開關和輸出高頻信號，為逆變器提供可靠驅動信號。此外，該處理器的啟動電壓與功耗均相對較低，啟動電壓一般不超過1.8 V，正常工作狀態下的電流為230 μA左右，待機時的工作電流不超過0.5 μA，這樣能極大的減少能耗，保證整個系統的耐久性[3]。

3.2 逆變電路

逆變電路是系統的重要組成部分。在系統的初級能量變換部分，要將完成蒸餾和濾波處理的直流電壓變成高頻交流電。全橋式逆變和半橋式相比，傳輸功率更高，而且能靈活選擇諧振補償方式，所以在動態無線充電中更加適用，可作為首選類型。

全橋式逆變有單極性控制與雙極性控制兩種控制方式，如圖3所示。其中，采用單極性控制時，會產生振蕩，影響高頻交流電實際輸出質量；采用雙極性控制時，將MOS管作為系統的同步性開關，同一橋臂中的上下管則是系統的互補性開關。兩者相比較，后者比較簡單，可作為首選控制方式[4]。

圖3 全橋逆變電路

3.3 整流電路

整流電路的主要功能在于將接收到的交流電變成直流電。電路以脈動直流電作為主要輸出，通過在電路后方連接極性電容實現濾波，以此獲得平緩電壓。

整流電路主要使用常規橋式電路，包括4組功率二極管，這4個二極管之間兩兩對接。正弦波中的正半部分在輸入過程中兩個二極管相導通，以輸出作為正值；負半部分在輸入過程中另兩個二極管相導通，但因兩者為反接，所以仍以正半部分作為系統的輸出。相較于半波整流，采用橋式整流能將正弦波的實際利用率提高近1倍，表現出良好適用性。

3.4 穩壓電路

系統輸出電壓一般很低，需要在提高電壓后才可以為負載供電。為保證系統的效率與供電穩定性，需將基于BOOST的升壓電路作為系統穩壓電路。在控制器作用下，升壓電路將產生PWM波控制開關管的通斷。此電路以供電狀態為依據在恒壓與恒流兩種模式中自由切換。例如，為智能機器人蓄電池進行充電的過程中，先予以恒流充電，待充電完成后，可自動切換至恒壓模式，減小充電電流，避免電壓超出要求的安全范圍，這樣能在保證實際充電效率的基礎上，有效保護電池，起到延長電池實際使用壽命的重要作用[5]。

在這一電路中，控制上下MOS管的PWM信號的占空比屬于典型的互補關系，即當其中一個是開啟時，另外一個必然是關斷。控制器以當前電路實際狀態為依據，調整信號占空比，實現對輸出電壓的有效調節。與此同時，控制器動態監測輸出的電壓與電流，有效調整PWM信號，完成恒壓與恒流供電，并在兩者之間進行自由轉換[6]。

4 系統程序設計

系統程序的設計，主要包含發射端和接收端兩個方面。

4.1 發射端

控制器可通過控制全橋逆變器將直流電壓變成高頻交流電壓。從全橋逆變電路可以看出，該控制器主要通過SPWM的輸出控制功率MOS管，進而完成電壓變換。SPWM波的產生方式以查表法為主。沿時間軸將半個周期的正弦波分成若干份，這一部分圍成的面積先增大后減小，呈對稱式分布，若對于每個部分都使用寬度和面積相等但幅度不同的矩形脈沖表示，則脈沖幅度將先增高后降低，且脈沖的高度在兩邊對稱。若正弦波和橫軸構成的區域使用面積和幅度均相等但寬度不同的矩形脈沖表示，則脈沖寬度將先增加后減小，且寬度在兩邊對稱。

4.2 接收端

采用MSP430型控制器能采集電壓信號。利用采集電路能使輸出端產生的電壓與電流都轉換成控制器可以采集到的電壓信號。在電壓信號作用下，控制器可實現實時采集，并在采集完成后通過計算確定電路輸出端對應的電壓與電流值。當供電方式為恒壓供電時，控制器會自動判斷此時的電壓值是否和設定值相等（比如在為蓄電池進行充電的過程中，電壓設定值實際上就是電池安全電壓閾值），若兩者不相等，則可通過PID運算調整PWM信號對應的占空比，進而使電路中輸出電壓發生變化，直到實際值與設定值完全相等。當供電方式為恒流供電時，和恒壓控制比較相似，只是細節上存在一些差別，控制器也會自動判斷此時的電流值是否和設定值相等（比如在為蓄電池進行充電的過程中，電流設定值實際上就是電池的安全充電電流），若兩者不相等，則可通過PID運算調整PWM信號對應的占空比，進而使電路中輸出電流發生變化。采用這樣的方式能確保充電電流始終保持恒定，直到實際監測到的電壓與安全閾值相等后，方可切換至恒壓供電狀態。

5 結 論

分析動態無線充電技術在現階段智能巡檢機器人中的實際應用，以一般的無線充電為基礎，引入了分段導軌以達到動態無線充電目標。在實現了動態無線充電以后，能徹底擺脫固定充電樁。此外，機器人工作時無需斷電，保證機器人實際工作效率，對生產活動而言有著顯著的現實意義。