一種水下機器人無線充電系統(tǒng)及其控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于水下充電系統(tǒng)及其控制技術，特別是一種水下機器人無線充電系統(tǒng)及 其控制方法。
【背景技術】
[0002] 隨著技術的普及，水下機器人的技術被越來越廣泛地應用到民用領域，而對于水 下機器人的供電方式較為單一，多為插拔式充電和更換電池，這種充電方式存在一系列的 缺點：（1)每次插拔式充電都需要將水下機器人從水底上浮進行充電，大大縮短了水下機 器人在水下的工作時間；（2)頻繁的插拔式充電會使接口老化，帶來安全隱患；（3)多次的 電池更換大大減少了機器的壽命。
【發(fā)明內容】
[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種水下機器人無線充電系統(tǒng)及其控制方法，提高電路工 作的安全性和能量的傳輸效率，同時對水下機器人的電池進行能量管理，增加水下機器人 在水下的工作時間，無接口充電增加水下機器人的安全性，增大電池的使用壽命。
[0004] 實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為：一種水下機器人無線充電系統(tǒng)，包括主電路 和控制電路，所述主電路包括耦合連接的發(fā)射端主電路和接收端主電路，所述發(fā)射端主電 路包括順序連接的發(fā)射端直流電源系統(tǒng)、發(fā)射端交流轉換系統(tǒng)以及發(fā)射端諧振電路，所述 接收端主電路包括順序連接的接收端諧振電路、接收端直流轉換電路以及接收端負載匹配 變換電路；
[0005] 所述控制電路包括發(fā)射端控制電路和接收端控制電路，發(fā)射端控制電路包括分別 連接在發(fā)射端數(shù)字信號處理器DSP上的發(fā)射端PWM驅動電路和發(fā)射端電流采樣電路，該發(fā) 射端電流采樣電路連接在發(fā)射端諧振電路上；所述接收端控制電路包括分別連接在接收端 數(shù)字信號處理器DSP上的接收端PWM驅動電路、接收端兩路電壓采樣電路和接收端電流采 樣電路，所述接收端兩路電壓采樣電路的接收端第一電壓采樣電路接在接收端直流轉換電 路的輸出端，接收端第二電壓采樣電路串聯(lián)連接在水下機器人電池正極和負極之間，所述 接收端電流采樣電路串聯(lián)連接在水下機器人電池正極〇與接收端負載匹配變換電路出書 的正極P之間。
[0006] -種水下機器人無線充電系統(tǒng)的控制方法，首先，檢測發(fā)射端諧振電路的電流，通 過發(fā)射端諧振電路的電流變化判定接收端是否接入電路，即負載檢測，若發(fā)射端檢測到接 收端接入電路后，發(fā)射端數(shù)字信號處理器DSP發(fā)出充電指令，電路進入工作狀態(tài)，通過發(fā)射 端PWM驅動電路控制發(fā)射端交流轉換系統(tǒng)輸出交流電，經(jīng)過發(fā)射端諧振電路將電能傳輸?shù)?接收端，接收端通過接收端諧振電路接收發(fā)射端傳輸來的能量，并把這些能量轉變?yōu)榻涣?電輸出，經(jīng)過接收端直流轉換電路以及接收端負載匹配電路后，對水下機器人電池進行充 電，若發(fā)射端檢測到接收端離開電路或者接收端水下機器人電池電量充滿后，發(fā)射端數(shù)字 信號處理器DSP發(fā)出停止充電的指令，并將控制發(fā)射端主電路電路回歸檢測模式運行；
[0007] 其次，在電路工作時發(fā)射端電流采樣電路對發(fā)射端諧振電路的電流進行采樣，通 多對發(fā)射端諧振電路的電流進行采樣，通過采樣電流的值與零值相比較，通過比較的值，改 變發(fā)射端數(shù)字信號處理器DSP發(fā)出的PWM的頻率，校正發(fā)射端交流轉換系統(tǒng)的輸出頻率達 到發(fā)射端諧振電路的諧振頻率，即進行諧振頻率追蹤；
[0008] 再者，接收端主電路在工作時，接收端的第二電壓采樣電路對水下機器人的電池 電壓進行采樣，接收端電流采樣電路對水下機器人電池的充電電流進行采樣，采集的電壓 和電流信息送給接收端數(shù)字信號處理器DSP，在接收端數(shù)字信號處理器DSP中進行處理，從 而根據(jù)處理結果，發(fā)出相應的PWM信號，控制接收端對水下機器人的充電模式，實現(xiàn)對水下 機器人的電池能量管理。
[0009] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點：（1)設計了水下的無線充電系統(tǒng)，實現(xiàn)水下 機器人無接觸充電。（2)利用電磁感應和負載檢測電路的原理，實現(xiàn)了對接收端是否接入 電路的檢測，根據(jù)接收端接入與否適時的進入持續(xù)模式運行和檢測模式運行，避免了過大 的電流，提高了電路的安全性能。（3)通過對系統(tǒng)諧振頻率進行追蹤，使得發(fā)射端交流轉換 系統(tǒng)的輸出電壓頻率與發(fā)射端諧振電路的諧振頻率一致，提高了系統(tǒng)能量的傳輸效率。（4) 通過水下機器人電池能量控制實現(xiàn)了對水下機器人充電功率的閉環(huán)控制，實現(xiàn)了水下機器 人的恒功率充電，并通過電量實時對機器人的充電狀態(tài)進行檢測。
[0010] 下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。
【附圖說明】
[0011] 圖1為本發(fā)明的水下機器人無線充電系統(tǒng)主框架圖（不包括水下機器人電池）。
[0012] 圖2為本發(fā)明主電路原理圖。
[0013] 圖3為本發(fā)明中發(fā)射端控制電路原理圖。
[0014] 圖4為本發(fā)明中接收端控制電路原理圖。
[0015] 圖5為本發(fā)明中水下機器人電池能量管理控制邏輯原理圖。
[0016] 圖6為本發(fā)明中負載檢測流程圖。
【具體實施方式】
[0017] 結合圖1，本發(fā)明水下機器人無線充電系統(tǒng)，包括主電路和控制電路，所述主電路 包括耦合連接的發(fā)射端主電路和接收端主電路，所述發(fā)射端主電路包括順序連接的發(fā)射端 直流電源系統(tǒng)、發(fā)射端交流轉換系統(tǒng)以及發(fā)射端諧振電路，所述接收端主電路包括順序連 接的接收端諧振電路、接收端直流轉換電路以及接收端負載匹配變換電路。
[0018] 發(fā)射端交流轉換系統(tǒng)將發(fā)射端直流電源系統(tǒng)輸出的直流電轉變（對電極點A、B間 電壓進行逆變，）為高頻交流電，經(jīng)發(fā)射端諧振電路將電能轉換為場能發(fā)射，接收端諧振電 路接收發(fā)射端發(fā)出的場能，并將接收到的場能轉換為交流電能，經(jīng)接收端直流轉換電路變 為直流電，經(jīng)接收端負載匹配變換電路進行變換后輸出對水下機器人電池充電，實現(xiàn)無線 充電功能。
[0019] 所述控制電路包括發(fā)射端控制電路和接收端控制電路，發(fā)射端控制電路包括分別 連接在發(fā)射端數(shù)字信號處理器DSP上的發(fā)射端PWM驅動電路和發(fā)射端電流采樣電路，該發(fā) 射端電流采樣電路連接在發(fā)射端諧振電路上；所述接收端控制電路包括分別連接在接收端 數(shù)字信號處理器DSP上的接收端PWM驅動電路、接收端兩路電壓采樣電路（由接收端第一 電壓采樣電路、接收端第二電壓采樣電路組成）和接收端電流采樣電路，所述接收端兩路 電壓采樣電路的接收端第一電壓采樣電路接在接收端直流轉換電路的輸出端，接收端第二 電壓采樣電路串聯(lián)連接在水下機器人電池正極和負極之間，所述接收端電流采樣電路串聯(lián) 連接在水下機器人電池正極〇與接收端負載匹配變換電路出書的正極P之間。數(shù)字信號處 理電路可以是由dsPIC33FJ64GS606芯片及其外圍供電電路組成。
[0020] 結合圖2和圖3,本發(fā)明水下機器人無線充電系統(tǒng)的發(fā)射端交流轉換系統(tǒng)包括第 一功率M0S開關管S1、第二功率M0S開關管S2、第三功率M0S開關管S3、第四功率M0S開 關管S4 ;第一功率M0S開關管S1的漏極、第三功率M0S開關管S3的漏極與發(fā)射端直流電 源系統(tǒng)的正極A相連，第一功率M0S開關管S1的源極與第二功率M0S開關管S2的漏極相 連，第三功率M0S開關管S3的源極與第四功率M0S開關管S4的漏極相連，第二功率M0S開 關管S2的源極、第四功率M0S開關管S4的源極與發(fā)射端直流電源系統(tǒng)的負極B連接，第一 功率M0S開關管S1的柵極接發(fā)射端PWM驅動電路的第一路PWM信號端，第二功率M0S開關 管S2的柵極接發(fā)射端PWM驅動電路的第二路PWM信號端，第三功率M0S開關管S3的柵極 接發(fā)射端PWM驅動電路的第三路PWM信號端，第四功率M0S開關管S4的柵極接發(fā)射端PWM 驅動電路的第四路PWM信號端。發(fā)射端數(shù)字信號處理器DSP通過發(fā)射端PWM驅動電路控制 所述發(fā)射端四個功率M0S開關管動作，接收端數(shù)字信號處理器DSP通過接收端PWM驅動電 路控制接收端負載匹配電路內的一個功率M0S開關管動作。
[0021] 結合圖2和圖3,本發(fā)明水下機器人無線充電系統(tǒng)的發(fā)射端諧振電路包括發(fā)射端 諧振電容C1和發(fā)射端諧振電感L1，該發(fā)射端諧振電容C1的一端與第一功率M0S開關管S1 的源極連接；發(fā)射端諧振電容C1的另一端與發(fā)射端諧振電感L1的一端連接；發(fā)射端諧振 電感L1的另一端與第四功率M0S開關管S4的漏極連接。
[0022] 結合圖2和圖4,本發(fā)明水下機器人無線充電系統(tǒng)的接收端直流轉換電路包括第 一二極管VD1、第二二極管VD2、第三二極管VD3、第四二極管VD4 ;第一二極