应用于巡检机器人的导轨式无线充电系统研究

发布时间：2020-04-22 16:49

【摘要】：随着科学技术的逐步发展,智能服务机器人被用于各种场景下来方便人们的生活、工作。在电气方面,巡检机器人的使用不仅可以节省检修时间,还可减轻电力工人的工作量,具有很高的应用价值。但是传统的有线充电机器人移动灵活性不足,且存在插拔电火花华引起的安全问题,不利于它的推广应用。本文基于新兴起的无线充电技术,依托国家重点研发计划项目“基于新型电力电子器件的高性能充电系统关键技术项目”和中国电科院项目“变电站机器人移动式无线充电技术研究”,设计了一种应用于巡检机器人的导轨式无线充电系统。本文首先对无线充电技术的背景和现状进行了回顾,对三种应用较多的无线充电技术进行了对比分析,同时对本课题的研究意义及论文内容进行了说明。接着本文对无线充电系统中涉及的整流、功率变换、逆变等电路的原理及拓扑进行说明,通过对机器人应用场景的考虑和各种电路拓扑对比,选用单相桥式不控整流+Buck降压变换+单相全桥逆变的结构形式,并对机器人WPT系统的设计需求进行了说明。同时对机器人无线充电系统进行硬件电路的设计,包括对主电路中的电路计算、器件选择和电路板焊接,同时还有采样、信号调理、驱动、保护等控制单元的PCB设计以及DSP软件的部分编程。根据机器人的应用场景,设计了导轨式的谐振磁耦合机构,发射侧采用“工”字型结构,接收侧采用“DQ”型结构,通过ANSYS电磁仿真软件搭建对应的模型,改变不同的结构参数进行仿真实现磁耦合机构的优化设计,并根据仿真结果绕制实物线圈。基于MATLAB/Simulink仿真软件建立了机器人WPT系统的模型,验证整个系统设计可行性及控制方法是否有效,并搭建对应的WPT样机进行小功率测试验证。
【图文】：

波形,流向图,逆变电路,电流

逦逦１逦，逡逑图２－１０高频逆变移相控制波形逡逑Ｆｉｇ．２－１０邋Ｈｉｇｈ邋Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ邋Ｉｎｖｅｒｔｅｒ邋Ｐｈａｓｅ邋Ｓｈｉｆｔ邋Ｃｏｎｔｒｏｌ邋Ｗａｖｅｆｏｒｍ逡逑结合图２－９的全桥逆变电路与图２－１０的移相控制波形来对逆变电路的工作过逡逑程进行简单的分析［５１，５９］：逡逑在０十时刻，绝缘栅双极晶体管（＾和（？４正向导通，Ｇ２和Ｇ３反向截止，电流逡逑流通路线如图２－１１左侧图中的红色线条所示，输出电压为＋％ｃ。在（１时刻，绝缘逡逑栅双极晶体管Ｇ３和Ｇ４的栅极信号正好相反，此时Ｇ４截止，负载侧电流无法进逡逑行突变，因此晶体管Ｇ３不能瞬间导通，与其并联的续流二极管Ｄ３导通进行续流，逡逑晶体管Ｇｉ正向导通，此时电流流通路线如图２－１】右侧图中的红色线条所示，输出逡逑电压为零。逡逑ＴＫ逦逡逑Ｕｄｃ￣＾邋＝＝邋ｃ逦（邋Ｉ邋￣逦ＵＤＣ邋二今－－ｃ逦Ｉ逡逑ＲＬＣ邋Ｕ0逦ＲＬＣ邋ｕ0逡逑逦！逦ｔ＋逦逦个＋逡逑图２－１１邋０－ｎ时刻、0时刻逆变电路电流流向图逡逑Ｆｉｇ．２－１１邋０－／ｉ邋ｔｉｍｅ＞邋ｔ＼邋ｔｉｍｅ邋Ｃｕｒｒｅｎｔ邋Ｆｌｏｗ邋Ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋Ｉｎｖｅｒｔｅｒ邋Ｃｉｒｃｕｉｔ逡逑ｒ２时刻，绝缘栅双极晶体管的栅极信号相反，晶体管（＾处于截止情逡逑况

流向图,逆变电路,电流,晶体管

绝缘栅双极晶体管ｆｔ和Ｇ４栅极信号再次取反，晶体管反向截止，逡逑此时负载电流小于零，不能瞬间完成变化，晶体管Ｇ４也不能瞬间导通，它的二极逡逑管Ｄ４完成续流，输出电压等于零，电流流通路线如图２－１３左侧红色线路所示。ｈ逡逑时刻，绝缘栅双极晶体管。，和＾的栅极信号再次取反，晶体管Ｇ２反向截止，此逡逑时负载电流依然小于零，晶体管0１不能瞬间导通，电流只能通过与其并联的续流逡逑二极管Ａ续流，逆变电路中的电流流向如图２－１３右侧红色线路所示。逡逑ＧｉＡ逦ＩｈＡ逡逑今－邋ｃ逦N－１邋Ｕｄｃ＾Ｔ邋－－邋Ｃ逦N－丨逡逑ＲＬＣ邋ｕ0逦ＲＬＣ邋ｕ0逡逑ｉ逦逦逦Ｉ邋＋逦＜逦—Ｔ邋＋逡逑ｃｈ邋１＾＾邋ｇａ逦Ｇ２逦ｃ？４逡逑逦逦逦逦逦＾１逦逡逑图２－１３邋／３时刻、／４时刻，逆变电路电流流向图逡逑Ｆｉｇ．２－１３邋ｔ３＞邋Ｕｙ邋ｃｕｒｒｅｎｔ邋ｆｌｏｗ邋ｃｈａｒｔ邋ｏｆ邋ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ逡逑根据数学知识中傅里叶级数的定义，取２；ｒ为一个周期的函数／ｘ）在变量［－７ｒ，；ｒ］逡逑之间可以展开为三角级数：逡逑ｍ＝Ｖ２邋＋邋ｃｏｓ（ｎ邋ｘ）邋＋邋ｂｎ邋ｓｉｎ（ｎ邋ｘ）］逦（２－６）逡逑１逡逑其中，，上式中的各系数为：逡逑１９逡逑
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM910.6

【参考文献】