陈宇峰

（国网信通亿力科技有限责任公司，福建 福州 350003）

0 引 言

如今，巡检机器人作为重要的生产设备变得越来越智能。此时采用传统的充电方式已经无法满足要求，对新型智能巡检机器人的应用也造成一定影响。因此，在大力发展和推广应用智能巡检机器人的同时，还应做好充电方式的改进，在充分发挥现有充电方式优势的基础上，实现动态无线充电。

1 智能巡检机器人现有充电方式

智能巡检机器人现有的充电方式主要有有线与无线两种。其中，无线充电方式主要是在固定地点进行充电，利用控制系统监控机器人蓄电池的实际电压数值，以此确定是否需要进行充电。如果检测发现蓄电池欠压，则机器人可以自主导航至充电房，并借助激光测距仪与视觉识别确定充电座具体位置，然后通过适当调整其实际位姿进行充电。而有线充电的充电接口直接外露，不仅容易产生老化，而且安全性相对较差，只可以在固定的地点实施充电。静态无线充电也需要到达固定地点后才可以进行，这样会浪费很多时间，对机器人的续航能力也会造成很大的影响，导致机器人实际工作效率明显降低。另外，无论采用有线还是静态无线充电，机器人都必须搭载电池组，要想使机器人具有较高的续航能力，就必须搭载大量电池组，这样无疑会增大设备的自身重量，增加能耗。与传统充电方式相比，无线充电将发射线圈设置在地下，基本不会占用地上空间，而且没有直接外露的接口，运行过程稳定且安全，用于维护方面的成本也较低，能有效保证用户体验。与静态无线充电相比，采用动态无线充电时，基本不会受到充电地点方面因素的影响和限制，在机器人实际运行时就可以完成充电，使机器人始终处在工作状态，保证工作效率。除此之外，采用动态无线充电还能大量减少机器人电池搭载数量，减轻机器人的重量，降低能耗，进一步延长机器人的行驶里程[1]。

2 动态无线充电方案设计

2.1 感应耦合电能传输

感应耦合电能传输根据电磁感应原理进行，如图1所示。装置可以分成初级能量变换、能量传输、次级能量拾取以及反馈4个部分。其中，第一部分输入电压是电网电压，在整流桥中完成整流与高频逆变，使电网工频交流电变成直流电，再从逆变电路将直流电变成高频交流电。装置的第二部分与松耦合变压器基本相同，在交变磁场持续作用下，原边线圈将电能实时传输至副边线圈。装置的第三部分实际上就是副边线圈，能将高频交流电采用整流和稳压的方法变成直流电，进而向负载提供稳定且持续的供电。智能巡检机器人中的主要负载包括蓄电池与其他所有耗能装置。装置的第四部分主要负责采集各类参数，然后将采集到的各类信号实时反馈至控制调节单元中，以此控制驱动信号频率[2]。

图1 感应耦合传输装置

2.2 分段供电导轨模式

在该系统中，主要采用的是高频高压配电和低压恒流激励相结合的分段导轨供电模式，如图2所示。能量传递所用导轨段可以被划分成N段，在每个不同的分段中都配置了转换器与谐振补偿网络。在功率转换装置的作用下，工频电源将变成高频交流电，然后由高频升压器实施升压处理，之后进入到配电轨中实施传输。在各条导轨都配置了高频降压转换装置，可以将配电导轨所接收到的交流电从高频高压变成低压大电流，最后将这一交流电传输至换向与补偿链路中。对转换器而言，还能实现恒定电流控制，在引导件中产生保持在恒定状态的励磁电流，增强导轨自身功率发射能力，最终保证功率传递过程的稳定性。

图2 高频高压配电-低压恒流激励导轨

3 动态无线充电系统硬件设计

3.1 控制器

动态无线充电系统的控制器为MSP430型，内部装设16位定时器，能定时开关和输出高频信号，为逆变器提供可靠驱动信号。此外，该处理器的启动电压与功耗均相对较低，启动电压一般不超过1.8 V，正常工作状态下的电流为230 μA左右，待机时的工作电流不超过0.5 μA，这样能极大的减少能耗，保证整个系统的耐久性[3]。

3.2 逆变电路

逆变电路是系统的重要组成部分。在系统的初级能量变换部分，要将完成蒸馏和滤波处理的直流电压变成高频交流电。全桥式逆变和半桥式相比，传输功率更高，而且能灵活选择谐振补偿方式，所以在动态无线充电中更加适用，可作为首选类型。

全桥式逆变有单极性控制与双极性控制两种控制方式，如图3所示。其中，采用单极性控制时，会产生振荡，影响高频交流电实际输出质量；采用双极性控制时，将MOS管作为系统的同步性开关，同一桥臂中的上下管则是系统的互补性开关。两者相比较，后者比较简单，可作为首选控制方式[4]。

图3 全桥逆变电路

3.3 整流电路

整流电路的主要功能在于将接收到的交流电变成直流电。电路以脉动直流电作为主要输出，通过在电路后方连接极性电容实现滤波，以此获得平缓电压。

整流电路主要使用常规桥式电路，包括4组功率二极管，这4个二极管之间两两对接。正弦波中的正半部分在输入过程中两个二极管相导通，以输出作为正值；负半部分在输入过程中另两个二极管相导通，但因两者为反接，所以仍以正半部分作为系统的输出。相较于半波整流，采用桥式整流能将正弦波的实际利用率提高近1倍，表现出良好适用性。

3.4 稳压电路

系统输出电压一般很低，需要在提高电压后才可以为负载供电。为保证系统的效率与供电稳定性，需将基于BOOST的升压电路作为系统稳压电路。在控制器作用下，升压电路将产生PWM波控制开关管的通断。此电路以供电状态为依据在恒压与恒流两种模式中自由切换。例如，为智能机器人蓄电池进行充电的过程中，先予以恒流充电，待充电完成后，可自动切换至恒压模式，减小充电电流，避免电压超出要求的安全范围，这样能在保证实际充电效率的基础上，有效保护电池，起到延长电池实际使用寿命的重要作用[5]。

在这一电路中，控制上下MOS管的PWM信号的占空比属于典型的互补关系，即当其中一个是开启时，另外一个必然是关断。控制器以当前电路实际状态为依据，调整信号占空比，实现对输出电压的有效调节。与此同时，控制器动态监测输出的电压与电流，有效调整PWM信号，完成恒压与恒流供电，并在两者之间进行自由转换[6]。

4 系统程序设计

系统程序的设计，主要包含发射端和接收端两个方面。

4.1 发射端

控制器可通过控制全桥逆变器将直流电压变成高频交流电压。从全桥逆变电路可以看出，该控制器主要通过SPWM的输出控制功率MOS管，进而完成电压变换。SPWM波的产生方式以查表法为主。沿时间轴将半个周期的正弦波分成若干份，这一部分围成的面积先增大后减小，呈对称式分布，若对于每个部分都使用宽度和面积相等但幅度不同的矩形脉冲表示，则脉冲幅度将先增高后降低，且脉冲的高度在两边对称。若正弦波和横轴构成的区域使用面积和幅度均相等但宽度不同的矩形脉冲表示，则脉冲宽度将先增加后减小，且宽度在两边对称。

4.2 接收端

采用MSP430型控制器能采集电压信号。利用采集电路能使输出端产生的电压与电流都转换成控制器可以采集到的电压信号。在电压信号作用下，控制器可实现实时采集，并在采集完成后通过计算确定电路输出端对应的电压与电流值。当供电方式为恒压供电时，控制器会自动判断此时的电压值是否和设定值相等（比如在为蓄电池进行充电的过程中，电压设定值实际上就是电池安全电压阈值），若两者不相等，则可通过PID运算调整PWM信号对应的占空比，进而使电路中输出电压发生变化，直到实际值与设定值完全相等。当供电方式为恒流供电时，和恒压控制比较相似，只是细节上存在一些差别，控制器也会自动判断此时的电流值是否和设定值相等（比如在为蓄电池进行充电的过程中，电流设定值实际上就是电池的安全充电电流），若两者不相等，则可通过PID运算调整PWM信号对应的占空比，进而使电路中输出电流发生变化。采用这样的方式能确保充电电流始终保持恒定，直到实际监测到的电压与安全阈值相等后，方可切换至恒压供电状态。

5 结 论

分析动态无线充电技术在现阶段智能巡检机器人中的实际应用，以一般的无线充电为基础，引入了分段导轨以达到动态无线充电目标。在实现了动态无线充电以后，能彻底摆脱固定充电桩。此外，机器人工作时无需断电，保证机器人实际工作效率，对生产活动而言有着显著的现实意义。