專利名稱：一種非接觸感應(yīng)充電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自動(dòng)化及工業(yè)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種非接觸感應(yīng)取電裝置。 該非接觸感應(yīng)取電裝置用于高壓輸電線路巡檢機(jī)器人的電能補(bǔ)給，延長機(jī)器人的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)間，適用于500KV以下高壓輸電線路巡檢機(jī)器人。
背景技術(shù)：
高壓輸電線路巡檢機(jī)器人工作在高壓輸電線上，利用機(jī)器人裝載的檢測(cè)設(shè)備對(duì)輸電線路及相關(guān)設(shè)施進(jìn)行故障巡檢。由于機(jī)器人本身體積重量，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面原因，一次上線、下線的操作過程非常復(fù)雜，需要線上多人配合，在地面操作人員指揮下協(xié)同操作完成；此外，高壓輸電線路帶電作業(yè)危險(xiǎn)性高，頻繁操作容易造成人員傷害，也容易對(duì)輸電線路的正常運(yùn)行帶來影響。因此，巡檢機(jī)器人必須具備自己聚能的功能才能實(shí)用化。另外，由于國家對(duì)輸電線路的安全等級(jí)有明確規(guī)定，宜不可能通過有線的方式從輸電線路直接取電。因此，急需要提出一種通過無線方式就能夠?qū)Ω邏狠旊娋€路巡檢機(jī)器人進(jìn)行充電的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決巡線機(jī)器人在線充電需要，設(shè)計(jì)了以非接觸無線電能傳輸技術(shù)為基礎(chǔ)的非接觸感應(yīng)取電裝置用于機(jī)器人線上取電。該裝置可以適應(yīng)輸電線路的電流變化，可在短路沖擊電流下實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)，并在較大電流變化范圍內(nèi)正常取電，并根據(jù)鋰電池的物理特性，按照鋰電池充電特性曲線完成對(duì)鋰電池的監(jiān)測(cè)和充電。本發(fā)明的非接觸感應(yīng)充電裝置包括電流互感器1、雙向可控硅2、過壓保護(hù)電路3、 整流電路4、BUCK電路5、鋰電池組6、電壓反饋控制電路7、電壓電流反饋電路8，其中電流互感器1的兩個(gè)C型鐵芯構(gòu)成圓環(huán)并套在輸電線路上，電流互感器1的輸出端與繼電器矩陣9連接，用于控制電流互感器1的次級(jí)線圈匝數(shù)，繼電器矩陣9的輸出與雙向可控硅2相連，同時(shí)與過壓保護(hù)電路3和整流電路4相連，整流電路4的輸出端通過電壓反饋控制信號(hào) 7與雙向可控硅2連接，BUCK電路5的輸入為整流電路4的輸出，且BUCK電路5的輸出直接連接鋰電池組6，鋰電池組6通過電壓電流反饋電路8與BUCK電路5相連。本發(fā)明采用了上述技術(shù)方案，通過充分利用輸電線路周圍交變的電磁能，可為巡檢機(jī)器人可用的提供充電電能，省去了人工更換電池導(dǎo)致機(jī)器人頻繁上下線帶來的不必要工作量和不安全因素，為延長線路巡檢機(jī)器人工作時(shí)間提供可靠保障。


圖1為本發(fā)明非接觸感應(yīng)取電裝置的原理圖；圖2為本發(fā)明非接觸感應(yīng)取電裝置中匝數(shù)可變電流互感器示意圖3為本發(fā)明非接觸感應(yīng)取電裝置中整流電路的電路圖；圖4為本發(fā)明非接觸感應(yīng)取電裝置中控制和狀態(tài)顯示電路的電路圖；圖5為本發(fā)明非接觸感應(yīng)取電裝置中MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的電路圖；圖6為本發(fā)明非接觸感應(yīng)取電裝置中電壓比較電路的電路圖；圖7為本發(fā)明非接觸感應(yīng)取電裝置中2. 5V基準(zhǔn)電壓源電路的電路圖；圖8為本發(fā)明非接觸感應(yīng)取電裝置中電流檢測(cè)電路的電路圖；圖9為本發(fā)明非接觸感應(yīng)取電裝置中繼電器組的示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明的應(yīng)用于輸電線路巡檢機(jī)器人的非接觸感應(yīng)取電裝置是以無線電能傳輸技術(shù)，開關(guān)電源機(jī)關(guān)技術(shù)，及鋰電池充電技術(shù)為技術(shù)背景。無線電能傳輸技術(shù)是借助于電磁場(chǎng)或電磁波進(jìn)行能量傳遞的一種技術(shù)，分為電磁感應(yīng)式，電磁共振式和電磁輻射式。電磁感應(yīng)方式可用于低功率、近距離傳輸，電磁共振適用于中等功率，中距離能量傳輸；電磁輻射適用于大功率，巡檢機(jī)器人線上取電使用電磁感應(yīng)方式取電最為可行。本發(fā)明的非接觸感應(yīng)取電裝置利用開關(guān)電源技術(shù)，將取回的能量整合為充電電路可用的電壓電流值，以單片機(jī)為控制核心，監(jiān)測(cè)充電電流電壓值及充電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)智能充電。圖1為本發(fā)明非接觸感應(yīng)取電裝置的結(jié)構(gòu)圖。參照?qǐng)D1，非接觸感應(yīng)取電裝置包括電流互感器1、雙向可控硅2、過壓保護(hù)電路3、整流電路4、BUCK電路5、鋰電池組6、電壓反饋控制電路7、電壓電流反饋電路8。其中電流互感器1的兩個(gè)C型鐵芯構(gòu)成圓環(huán)并套在輸電線路上，電流互感器1的輸出端與繼電器組9連接，用于控制電流互感器1的次級(jí)線圈匝數(shù)。繼電器矩陣9輸出與雙向可控硅2相連，同時(shí)與過壓保護(hù)電路3和整流電路4相連。為確保整流電路輸出穩(wěn)定 48V電壓，整流輸出端通過電壓反饋控制信號(hào)7與雙向可控硅2連接。BUCK電路5的輸入為整流電路4的輸出，且BUCK電路5的輸出直接連接鋰電池組6。鋰電池組6又通過電壓電流反饋信號(hào)8與BUCK電路5相連。圖2為電流互感器的示意圖。電流互感器1負(fù)責(zé)將輸電線路周圍的交變磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為可為巡線機(jī)器人充電的電能。在圖2中，取電用電流互感器1采用硅鋼材料設(shè)計(jì)制作，互感器磁芯為兩個(gè)C型硅鋼材質(zhì)對(duì)接使用，磁芯規(guī)格為內(nèi)半徑35mm，外徑55mm，高110mm。繞組為線徑1. 2mm的漆包線?；ジ衅饔?個(gè)繞組構(gòu)成，第一繞組匝數(shù)為120，其他繞阻匝數(shù)均為60?；ジ衅?輸出至繼電器組9，繼電器組9可控制繼電器通斷可改變工作繞阻匝數(shù)，實(shí)現(xiàn)匝數(shù)可控。圖3為過壓保護(hù)電路和整流電路的電路圖。參照?qǐng)D3，電流互感器1輸出交流信號(hào)給過壓保護(hù)電路和整流電路，過壓保護(hù)電路防止電流互感器輸出電壓過高，損壞整流電路及后續(xù)電路。整流電路4將電流互感器1的輸出信號(hào)進(jìn)行整流并通過電壓反饋控制電路7 來穩(wěn)壓。在圖3中，整流二極管D2，D3. D5. D6組成整流橋；電容C2，C3，C4為濾波電容；穩(wěn)壓 Dl, D4，D7為穩(wěn)壓二極管用于鉗位輸出電壓；MOCl為雙向光耦，用于隔離并傳遞反饋信號(hào)，組成輸出電壓反饋閉環(huán)；當(dāng)互感器輸出電壓超過480V時(shí)電阻R2導(dǎo)通，用于過壓保護(hù)；瞬態(tài)抑制二極管Zl為瞬態(tài)電壓抑制器，用于抑制由于輸電線路電流脈動(dòng)感應(yīng)出的沖擊電壓；Ql 為雙向可控硅，為反饋環(huán)的一部分，當(dāng)輸出電壓超過額定值是，可控硅導(dǎo)通，抵消勵(lì)磁，互感器不再輸出功率。整流電路輸出48V恒定電壓，為鋰電池充電提供能量。雙頭插針JP2接電流互感器1的輸出，電阻R2，瞬態(tài)抑制二極管Zl并連，用于過壓保護(hù)，雙向可控硅的引腳 1、2與電流互感器1輸出相連，在控制信號(hào)的作用下將磁芯輸出短路，抵消勵(lì)磁，雙向可控硅的引腳3接MOCl的腳4，為控制信號(hào)輸入端。電容Cl，電阻R3串連并與雙向可控硅的引腳1，2連接，保護(hù)雙向可控硅。整流二極管D2，D5，D3，D6如圖連接組成整流橋，電容C4， C2，C3如圖并聯(lián)，為濾波電容，穩(wěn)壓管Dl, D4，D7分別為12V，12V，24V穩(wěn)壓，與電阻R4串連后接光耦MOC的腳1，當(dāng)電壓高于24V時(shí)，MOCl的腳4和6腳導(dǎo)通，輸出控制信號(hào)。電阻Rl 和電阻R5為控制引腳限流電阻，整流電路48V穩(wěn)壓信號(hào)由插針JPl輸出。圖4為控制器電路，是圖IBUCK電路5中的控制單元部分。它的作用是為BUCK電路提供占空比可變的PWM波，將整流電路4輸出的近似直流信號(hào)變換為可以為鋰電池組6 充電的直流信號(hào)。U2為PIC單片機(jī)，CPP2腳為開關(guān)電源提供具有可變占空比PWM波，通過 RAO, RAl的AD端口實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池的充電電壓、電流的反饋控制，RD4，RD5，RD6，RD7輸出電路工作狀態(tài)指示，包括慢充狀態(tài)指示，恒流充電狀態(tài)指示，恒壓充電狀態(tài)指示，充電結(jié)束狀態(tài)指示。RDO是充電時(shí)間控制信號(hào)，當(dāng)充電時(shí)間過長，單片機(jī)將RDO引腳置低，清除PWM使能信號(hào)，鋰電池停止充電。外圍電路如圖4所示，腳1接電阻R4至5V。電容C3，C4并聯(lián)連接5V和數(shù)字地。腳2，腳3分別連接P2的腳1腳9和腳2腳10。17腳經(jīng)過雙排插針P7， 與插針P2的7、8相連，用于輸出PWM波。19，20分別與插針P2的5、16相連，為輸出控制信號(hào)SD和繼電器信號(hào)JiDianQi的輸出。插針P2的腳6，腳14連接15V，腳3,4,11分別連接 SGND，GND 禾口 GND0圖5為MOSFET驅(qū)動(dòng)電路，是圖IBUCK電路中的開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)部分。圖4輸出的 PWM波經(jīng)此驅(qū)動(dòng)電路后才能控制開關(guān)器件(MOSFET)按照希望的占空比快速開關(guān)動(dòng)作。本發(fā)明使用IRF540作為開關(guān)管，開關(guān)管接收單片機(jī)輸出PWM波，實(shí)現(xiàn)對(duì)BUCK電路的通斷控制。 U5為電平轉(zhuǎn)換芯片，將單片機(jī)輸出的5VPWM波升壓至15V，U3為主要驅(qū)動(dòng)芯片，為MOSFET提供正確的驅(qū)動(dòng)電壓和足夠的驅(qū)動(dòng)電流，保證開關(guān)管的開關(guān)速度。電阻R8和二極管Dstart為開關(guān)管保護(hù)電路。電阻Rstart2和二極管Dstart2為啟動(dòng)電路，電池連接在BUCK電路輸出端以后，頂2110 (U3)的Vs引腳電壓為電池電壓，為保證驅(qū)動(dòng)電路正常啟動(dòng)，VB-VS電壓要保持在驅(qū)動(dòng)電壓值才能讓開關(guān)電路正常啟動(dòng)，輸出足夠的驅(qū)動(dòng)電壓，因此這里用電阻Rstart2 和二極管Dstart2將VB引腳與輸入電壓48V連，確保在有電池的條件下充電電路順利啟動(dòng)。SD-bijiaoqi為比較器輸出二極管，為確保鋰電池電壓值低于額定電壓值，防止開關(guān)電路故障導(dǎo)致電池電壓升高，損壞電池，在輸出端加入了電壓比較電路，當(dāng)電壓高于設(shè)定值時(shí)，比較器輸出有效信號(hào)，通過比較器輸出二極管控制開關(guān)管驅(qū)動(dòng)芯片，切斷輸出信號(hào)，穩(wěn)壓二極管Dzl用于鉗位柵極電壓，電阻R61用于下拉柵極電壓。二極管D12為BUCK電路的反向?qū)ǘO管。在圖5中，TRl為N溝道M0SFET。電阻RS與二極管Dstartl串連分別接在開關(guān)管 TRl的D，S端。二極管Dzl與電阻R61并聯(lián)接TRl的G禾Π S端。U3的7腳經(jīng)電阻R43與開關(guān)管好TRl的G連接。U3(IR2110)的11腳與Pll的2腳連接，Pll的1腳經(jīng)二極管與bijiaoqi信號(hào)連接，3腳經(jīng)二極管、R42與TO (IR4427)的5腳連接⑴5的2腳與PWM_5信號(hào)連接。圖6為電壓比較電路的電路圖，是BUCK電路中的輸出電壓值保護(hù)電路。當(dāng)為鋰電池充電的直流信號(hào)電壓超出電池的允許電壓范圍時(shí)，此電路將輸出一路控制信號(hào)給圖9所示的繼電器電路，切斷電路互感器輸出與后續(xù)電路之間的物理連接，保護(hù)整個(gè)充電系統(tǒng)。如圖6，電阻R37、電阻R38組成分壓電路，分壓值與基準(zhǔn)電壓值2. 5V比較，判斷充電電壓是否超過額定值。比較器LM393為比較電路所用芯片，然后輸入LM393的腳5，腳6為2. 5V基準(zhǔn)電壓輸入，腳7為比較結(jié)果輸出，如果電壓高于額定電壓，清除開關(guān)電源輸出使能，保護(hù)電池。腳7經(jīng)電阻R40與腳8連接，共同接至15V電壓。此電路輸出信號(hào)為電池電壓過壓保護(hù)信號(hào)。圖7為基準(zhǔn)電壓輸出電路，為圖6所示的電壓比較電路提供2. 5V基準(zhǔn)電壓，作為控制繼電器電路圖9的參考電壓。如圖，由U7(TL431)和R36組成基準(zhǔn)電壓源，輸入電壓為 15V，輸出2. 5V基準(zhǔn)電壓。15V電壓經(jīng)R36與U7的陰極連接，U7的反饋輸入端與陰極連接， 正極接地。陰極輸出2. 5V基準(zhǔn)電壓。圖8為電壓(圖8左側(cè))電流(圖8右側(cè))反饋電路的電路圖。BUCK電路5輸出后給電壓電流反饋電路8。鋰電池組充電對(duì)充電電壓、電流有明確要求，利用電壓、電流反饋電路能控制充電電路的輸出電壓和電流電流。如圖8，電壓電流反饋電路由電阻Rsl，RIO, R14，R15，三極管TR3，TR4組成，充電電流流過電阻Rsl，檢測(cè)CrntSignal的輸出電壓，按照公式(1)計(jì)算可求出充電電流值，三極管TR3，TR4為PNP三極管9012。其中Vc為CrntSignal的輸出電壓。I = (Vc*R10)/(Rsl*R14)(1)在圖8中，電阻Rsl串接在充電回路中，電阻RlO與三極管TR4的發(fā)射極連接，集電極經(jīng)電阻R14接地。三極管TR3的基極與集電極短接并與三極管TR4的基極連接，再經(jīng)電阻R15接地。CmtSignal為輸出電壓信號(hào)，與濾波電路連接。圖9為繼電器組，用來控制電流互感器1的次級(jí)線圈匝數(shù)變化。它的輸入為電流互感器1的9個(gè)次級(jí)繞組，輸出接雙向可控硅。繼電器組9通過邏輯組合，將9個(gè)繞組依次全部相接，或部分連接，來改變實(shí)際參與感應(yīng)輸出電能的次級(jí)繞組的匝數(shù)。繼電器組的控制信號(hào)由控制器(圖4)提供，根據(jù)電流互感器1的輸出電流決定次級(jí)線圈匝數(shù)。輸出匝數(shù)可為120匝、180匝、240匝、300匝、360匝、420匝、480匝、540匝、600匝。同時(shí)控制其它未使用的繞組依次連接并首尾相接形成閉合回路，防止開路產(chǎn)生高電壓損害電路互感器。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種非接觸感應(yīng)充電裝置，該裝置包括電流互感器(1)、雙向可控硅O)、過壓保護(hù)電路⑶、整流電路⑷、BUCK電路(5)、鋰電池組(6)、電壓反饋控制電路(7)、電壓電流反饋電路(8)，其中電流互感器(1)的兩個(gè)C型鐵芯構(gòu)成圓環(huán)并套在輸電線路上，電流互感器 ⑴的輸出端與繼電器矩陣(9)連接，用于控制電流互感器⑴的次級(jí)線圈匝數(shù)，繼電器矩陣(9)的輸出與雙向可控硅(2)相連，同時(shí)與過壓保護(hù)電路(3)和整流電路⑷相連，整流電路⑷的輸出端通過電壓反饋控制信號(hào)⑵與雙向可控硅(2)連接，BUCK電路(5)的輸入為整流電路⑷的輸出，且BUCK電路(5)的輸出直接連接鋰電池組(6)，鋰電池組(6)通過電壓電流反饋電路(8)與BUCK電路(5)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸感應(yīng)充電裝置，其特征在于，電流互感器(1)使用硅鋼非對(duì)稱C型鐵芯，中間留有氣隙。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非接觸感應(yīng)充電裝置，其特征在于，過壓保護(hù)電路(3)保證在輸電線路出現(xiàn)瞬間短路電流時(shí)對(duì)充電裝置進(jìn)行過壓保護(hù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的非接觸感應(yīng)充電裝置，其特征在于，BUCK電路( 在單片機(jī)控制下針對(duì)鋰電池(6)的充電特性來進(jìn)行能量整合，利用電壓電流反饋電路⑶的電壓和電流反饋來調(diào)節(jié)電路輸出，使得電流互感器感⑴提供的電能能夠直接用于鋰電池(6)充 H1^ ο
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的非接觸感應(yīng)充電裝置，其特征在于，過壓保護(hù)電路(3)由壓敏電阻和順態(tài)電壓抑制器并聯(lián)構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的非接觸感應(yīng)充電裝置，其特征在于，電流互感器(1)輸出交流信號(hào)給過壓保護(hù)電路C3)和整流電路G)，過壓保護(hù)電路防止電流互感器(1)輸出電壓過高，損壞整流電路及后續(xù)電路，整流電路(4)將電流互感器(1)的輸出信號(hào)進(jìn)行整流并通過電壓反饋控制電路(7)來穩(wěn)壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的非接觸感應(yīng)充電裝置，其特征在于，BUCK電路( 包括控制單元，用于為BUCK電路(5)提供占空比可變的PWM波，將整流電路⑷輸出的近似直流信號(hào)變換為能夠?yàn)殇囯姵亟M(6)充電的直流信號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的非接觸感應(yīng)充電裝置，其特征在于，電壓電流反饋電路(8)的輸入是BUCK電路(5)的輸出，該電路用于控制輸入到鋰電池組的輸入電壓和電流。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的非接觸感應(yīng)充電裝置，其特征在于，繼電器組(9)用于控制電流互感器(1)的次級(jí)線圈匝數(shù)變化，其輸入為電流互感器(1)的次級(jí)繞組，輸出接雙向可控硅⑵。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的非接觸感應(yīng)充電裝置，其特征在于，電流互感器(1)具有9 個(gè)次級(jí)繞組，繼電器組(9)通過邏輯組合，將9個(gè)繞組依次全部相接，或部分連接，以改變實(shí)際參與感應(yīng)輸出電能的次級(jí)繞組的匝數(shù)。
全文摘要
一種非接觸感應(yīng)充電裝置，包括電流互感器、雙向可控硅、過壓保護(hù)電路、整流電路、BUCK電路、鋰電池組、電壓反饋控制電路、電壓電流反饋電路，電流互感器的兩個(gè)C型鐵芯構(gòu)成圓環(huán)并套在輸電線路上，電流互感器的輸出端與繼電器矩陣連接，用于控制電流互感器的次級(jí)線圈匝數(shù)，繼電器矩陣的輸出與雙向可控硅相連，同時(shí)與過壓保護(hù)電路和整流電路相連，整流電路的輸出端通過電壓反饋控制信號(hào)與雙向可控硅連接，BUCK電路的輸入為整流電路的輸出，且BUCK電路的輸出直接連接鋰電池組，鋰電池組通過電壓電流反饋電路與BUCK電路相連。本發(fā)明裝置在給機(jī)器人電池充電時(shí)避免頻繁上線下線，可增強(qiáng)機(jī)器人實(shí)用性，提高輸電線路巡檢效率。
文檔編號(hào)H02J17/00GK102437626SQ201110444930
公開日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2011年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月27日
發(fā)明者李恩, 楊國棟, 楊明博, 林浩, 梁自澤, 賈鵬霄, 趙德政, 馬慶增 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所