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摘要：傳統(tǒng)機(jī)器人充電采用插拔式的充電方式，但由于多次的插拔導(dǎo)致接觸的磨損而接觸不良，造成機(jī)器人無法正常充電。本文針對機(jī)器人充電的特性研究一種基于單管耦合式的無線充電系統(tǒng)，利用單個開關(guān)管實(shí)現(xiàn)逆變，再經(jīng)過耦合變壓器將能量傳輸至副邊再整流輸出為機(jī)器人充電。本文對機(jī)器人無線充電系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，分析了單管逆變器的工作模態(tài)，對單管逆變補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了設(shè)計。

關(guān)鍵詞：智能高鐵；巡檢機(jī)器人；無線充電；單管逆變

1無線充電技術(shù)概況

目前的常用無線傳能技術(shù)有感應(yīng)耦合式、磁共振耦合式、電磁共振式等[1]。感應(yīng)耦合電能傳輸技術(shù)（InductivelyCoupledPowerTransmission，ICPT）是一種基于松耦合變壓器結(jié)構(gòu)的無線傳能技術(shù)，其工作頻率為10kHz-50kHz，具有電磁輻射小的特點(diǎn)，在距離較短時可實(shí)現(xiàn)高效率大功率能量傳輸，當(dāng)距離增加時，其傳輸功率和傳輸效率迅速降低[2]。因此，應(yīng)用感應(yīng)耦合傳能技術(shù)傳輸距離一般不超過10cm。磁共振耦合無線傳能技術(shù)利用電磁共振，通過兩個線圈的共振從而實(shí)現(xiàn)能量傳輸，其功率一般為幾千瓦，工作頻率（100kHz-50MHz）高于感應(yīng)式無線傳能，傳輸距離在10米以內(nèi)。電磁共振式無線傳能具有方向性，適用于中等距離的無線傳輸。作為目前的研究熱點(diǎn)，感應(yīng)式無線充電常用的電路拓?fù)浒ㄈ珮蚰孀?，半橋逆變，推挽逆變，而傳統(tǒng)的單管電路拓?fù)渲辉诔潆娀蚍烹娺^程中傳能，如單端正激電路、單端反激電路，效率較低[3]。國內(nèi)高校研究的無線充電拓?fù)渲饕ㄍ仆煨汀霕蛐图叭珮蛐停?013年青島大學(xué)率先開始單管拓?fù)涞臒o線充電研究，目前已成功完成1000W大功率傳輸實(shí)驗(yàn)[4]。西南交通大學(xué)何正友團(tuán)隊(duì)研究出500kW大功率無線靜止供電平臺，可實(shí)現(xiàn)10—30cm可調(diào)距離的能量傳輸，最大傳輸效率達(dá)85%，并實(shí)現(xiàn)動態(tài)供電管理。

2機(jī)器人無線充電技術(shù)概況

隨著機(jī)器人的智能化，機(jī)器人被應(yīng)用到更為廣泛的場合中，其續(xù)航工作能力也越來越被關(guān)注，由于受電池容量的限制，一旦電量不足需人工干預(yù)充電，這便與機(jī)器人的智能化相矛盾。20世紀(jì)中期，GreyWalter首先提出機(jī)器人自主式接觸充電，當(dāng)機(jī)器人電量不足時，自主行至插座前以充電臂與插座對接的方式進(jìn)行充電[5]。雖然機(jī)器人對接充電不斷成熟，但避免不了因頻繁插拔造成充電插頭的松動和磨損，導(dǎo)致接觸不良、電能無法高效傳輸[6]。20世紀(jì)末，AlbertEsser通過松耦合變壓器將能量傳送至機(jī)器人，使得機(jī)器人的靈活性大大提高。Hayes.JG等人采用不同的控制方法，利用ICPT技術(shù)對電動汽車進(jìn)行充電，通過串并聯(lián)負(fù)載諧振變換的等效分析、漏感的研究和軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)等措施，提高了電動汽車用電池的充電效率[7]。針對智能巡檢機(jī)器人的無線充電系統(tǒng)的特征，本文通過設(shè)計單管電路實(shí)現(xiàn)全部工作時間傳能，具有結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，成本低，原副邊實(shí)現(xiàn)隔離等優(yōu)點(diǎn)。

3機(jī)器人無線充電電路設(shè)計

本文設(shè)計一種適用于智能巡檢機(jī)器人的無線充電裝置，為蓄電池充電。其采用單管逆變電路拓?fù)淅酶袘?yīng)式無線傳能方式，實(shí)現(xiàn)對蓄電池安全穩(wěn)定充電。單管逆變ICPT充電系統(tǒng)主電路如圖1所示。將220V工頻電經(jīng)過不控整流單元轉(zhuǎn)化為直流電進(jìn)行L1、C1濾波，再由單管高頻逆變后施加到初級線圈LP上，由LP將能量傳遞給次級線圈LS，再經(jīng)全橋整流和L2、C2濾波后輸出12V電壓U1為機(jī)器人充電。在電能傳輸過程中，開關(guān)管Q實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，降低開關(guān)損耗提，高系統(tǒng)的傳輸效率。3.1工作原理分析。為了便于分析單管逆變的工作原理，將開關(guān)管一個周期內(nèi)的工作狀態(tài)分為四個階段。輸入交流電壓經(jīng)全橋整流濾波后視為理想電壓源Vd，Lp*是副邊電感反射到原邊并與原邊電感疊加后的等效電感，Zeq為副邊等效到原邊的負(fù)載。t0~t1階段：如圖2(a)所示，在t0時刻，開關(guān)管關(guān)斷，反并聯(lián)二極管導(dǎo)通，電感Lp*放電，且iLp*為負(fù)值，此時開關(guān)管所承受的電壓為零，t1時刻電流iLp*上升為零；t1~t2階段：如圖2(b)所示，在t1時刻，開關(guān)管導(dǎo)通，VCp=Vd，電感Lp*充電，開關(guān)管電流和電流iLp*相同，當(dāng)?shù)竭_(dá)t2時刻，開關(guān)管關(guān)斷；t2~t3階段：如圖2(c)所示，開關(guān)管關(guān)斷狀態(tài)下，電流iLp*方向不發(fā)生改變，電感Lp*與電容Cp諧振，電流iLp*正向增大，電容電壓下降為零時，電流iLp*達(dá)到最大值。設(shè)此時為t2*，此時iLp*反相向電容充電，t3時電流iLp*降低為零，此時電容為反相電壓最大值，開關(guān)管承受電壓達(dá)到最大值；t3~t4階段：如圖2(d)所示，由于開關(guān)管關(guān)斷，電感Lp*與電容Cp發(fā)生諧振，電容反向放電，電流iLp*反向增加，當(dāng)電容為零時，電流為最大值。隨后電感Lp*向電容Cp進(jìn)行充電，在t4時刻，電流iLp*通過Vd和反并聯(lián)二極管進(jìn)行續(xù)流。根據(jù)上述分析可知，t2時刻電容電壓等于Vd，開關(guān)管承受電壓為零，實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷，反并聯(lián)二極管導(dǎo)通時開關(guān)管耐壓為零，當(dāng)反并聯(lián)二極管電流減小至零時實(shí)現(xiàn)零電壓開通，此設(shè)計讓開關(guān)管損耗變小，提高傳輸效率。3.2單管逆變補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。ICPT系統(tǒng)采用松耦合變壓器傳遞能量，效率較低，為了增大傳輸功率，采用諧振電路對漏感進(jìn)行補(bǔ)償。常用的補(bǔ)償方式分為原副邊串電容補(bǔ)償（SS）、原邊串聯(lián)電容，副邊并聯(lián)電容補(bǔ)償（SP）、原邊并聯(lián)電容，副邊串聯(lián)電容補(bǔ)償（PS）、原邊并聯(lián)電容，副邊并聯(lián)電容補(bǔ)償（PP）。在小功率場合PS、SS采用較多，大功率場合PP、SP采用較多。針對巡檢機(jī)器人所需功率特征，因此采用PP補(bǔ)償，原邊并聯(lián)補(bǔ)償可保證諧振電流僅在電感與電容之間流動，極大的減小了開關(guān)管的應(yīng)力而副邊并聯(lián)補(bǔ)償可減小電壓紋波。

4無線充電技術(shù)發(fā)展思考

無線充電技術(shù)是供電技術(shù)領(lǐng)域的一個重大發(fā)展，不僅實(shí)現(xiàn)了電磁場研究領(lǐng)域的突破，還改變著人們的生活方式。目前，無線充電技術(shù)主要應(yīng)用于電子產(chǎn)品，同時，隨著能源結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，無線充電也將在汽車領(lǐng)域逐漸壯大。據(jù)市場數(shù)據(jù)分析表明，從現(xiàn)在開始到2020年期間，無線充電技術(shù)將會迅速發(fā)展，其使用率將會增加到一半以上。無線充電技術(shù)實(shí)現(xiàn)了物理隔離狀態(tài)下物體間能量的傳輸，打破了空間和距離的隔閡。無線充電技術(shù)在日常生活用品中的應(yīng)用，大大提高了人們的生活水平。但在發(fā)展過程中無線充電技術(shù)一直被充電距離、充電效率、安全性以及不同運(yùn)營商之間的標(biāo)準(zhǔn)無法達(dá)成一致，管理不規(guī)范等問題所困擾，導(dǎo)致其推廣和應(yīng)用的范圍受到限制。具體表現(xiàn)為效率低：遠(yuǎn)距離充電的效率低，導(dǎo)致充電時間長且電能損失大；安全性：大功率無線充電設(shè)備在能量傳輸過程中將會產(chǎn)生大量的電磁輻射，對身體健康造成不利的影響；實(shí)用性：無線充電設(shè)備需固定在特定位置才能對設(shè)備進(jìn)行充電，導(dǎo)致實(shí)用性較低。目前無線充電技術(shù)仍然處于一個初步探索發(fā)展的階段，但是隨著市場需求的不斷擴(kuò)大，以及技術(shù)的不斷發(fā)展，無線充電技術(shù)將會迎來新一輪的發(fā)展與進(jìn)步，期待未來無線充電技術(shù)給我們生活帶來驚喜與樂趣。

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作者:趙天舒 單位:成都市第七中學(xué)