1引言

　　機器人巡線是指用機器人攜帶檢測通信儀器沿 全線路行駛作業，并由機器人完成對線路運行故障的檢測和對安全事故隱患的巡視，并將所檢測的信息實時向地面傳送，由地面進行分析處理。在常規地面運作時，一般采用小型蓄電池定時更換方式。但是，高壓輸電線路分布在野外，跨越山川湖泊，巡線機器人作業時，能量消耗大，而現場沒有可供充電的電源，并且在巡線過程中頻繁的更換蓄電池會造成諸多不便，該因素會極大的限制巡線機器人的廣泛應用。

　　為此，本文研究了通過感應取電的方式為機器人提供電源的供電系統。

　　2 系統結構

　　為實現上述目的，設計鐵芯和線圈從高壓線路上獲取電能，獲取的電能通過開關電源轉換為穩流源，并通過充電使能電路向鎳氫電池充電，同時，充電控制電路對電池電壓監控以控制充電方式、是否充電、是否停機，并將信息傳送給巡線機器人主控制系統。

　　3工作原理

　　按照電磁場理論，環繞工作狀態的高壓輸電線 路存在著交變磁場，根據電磁感應定律，磁場中的回路將產生感應電流。在近似認為輸電線路為無限長的前提下，輸電線路所產生的磁場的磁通線為圍繞它的同心圓。如，輸電線路中的電流為I1，根據安培環路定理可以推出距輸電線距離為r的空間任一點磁場強度的大小為： H=I/2 πr（A/m）（1）

　　磁感應強度為： B=μI/2πr（T）（2）

　　B的方面與中心位于導線上的圓相切，并垂直 于導線的平面。 如果將機器人等為一個電阻R，則由感應線圈與機器人組成的回路中將產生電流I2，等效圖見圖1。

　　圖1取電裝置電路等效圖

　　機器人電源系統研究的核心內容是如何高效率 地從輸電線路四周的磁場能量轉換為電能，其中關鍵部分是鐵芯和線圈的設計。

　　4電源系統的構成

　　4.1鐵芯及線圈

　　鐵芯的特性及身體尺寸對感應裝置輸出功率的影響很大，如圖2所示，高壓輸電線路可視為只有一匝的初始繞組，按電磁感應定律，R兩端的感應電動勢的有效值為：

　　忽略勵磁電流，I1與流經R的電流I2滿足I1≈ NI2，按感應電流計算，R的功率為：

　　由式（4）可知，由于受機器人體積的限制，在S一定的情況下，應選擇合適的鐵芯材料以提高磁感應強度是提高輸出功率的途徑。 高壓輸電線路中的電流受負載的影響而不斷變化，峰值電流是谷值電流的數百倍。在如此大的變化范圍之內，為保證能為機器人連續供電，取電裝置必須在較小的電流時便能取得較高的能量，并且隨著電流不斷增加而增大。對應于鐵芯，則要求其應具有較高的初始磁導率及較高的飽和磁感應強度。在目前使用的軟磁材料中，由于硅鋼片具有較大的飽和磁感應強度及疊片系數，能取得較大的功率，故取其作為鐵芯材料。

　　為了避免磁場損耗，鐵芯應是一個整體，以保證磁路中無氣隙。但由于高壓輸電線路無斷點，同時，機器人在行進過程中需懸垂子、平衡錘等障礙。鐵芯必須設計成可以分合的兩部分，在正常工作時兩部分合為一體，跨越障礙時需通過機械手將其分開。

圖2 鐵芯結構示意圖

　　從式（1）、 （2）中同樣可知，取電裝置所取功率同時受線圈匝數的影響。取能裝置若要取得最大能量，則P1及P2應同時達到最大值，此時應滿足P1=P2，由此可推出

　　此時，取電裝置能取得最大功率。此關系是在忽略漏磁、氣隙、勵磁電流的情況下推出的，為了驗證其準確性，我們單獨對線圈匝數進行了試驗。實驗時，輸電線路電流I1=210A，此時，根據硅鋼的磁 化曲線可查得，B≈1.8T，負載等效電阻R=800 Ω，電流頻率f=50Hz，理論計算值為N=738。試驗數據見表1。

　　可以看出，在700匝左右時，功率達到最大值，與理論值相近。

　　4.2充電及控制電路

　　鐵芯和線圈從高壓線路上獲取的電能通過開關電源轉換為穩流源，并通過充電使能電路向鎳氫電池充電，同時，充電控制電路對電池電壓監控以控制充電方式、是否充電、是否停機，并將信息傳送給巡線機器人主控制系統，圖3是系統控制流程圖。

　　4.2.1開關電源電路

　　開關電源中采用半橋變換電路進行降壓，如圖4所示。為方便說明，場效應管的開關控制用兩個開關代替（swdip22），開關S1和S2交替導通，當S1導通時，S2斷開，然后反之。穩態條件下，在C1= C2時，S1導通時，C1上的1/2VS加在原邊線圈上， 副邊繞組電壓使D2導通。經占空比所定時間后，S1關斷，S2導通，副邊繞組電壓使D1導通。場效應管的開關控制是由KA7500B芯片9，10，12腳來控制的，控制電路利用變壓器耦合，驅動MOSFET，驅動BG3、BG4和BG7、BG8組成了橋式推挽功率放大電路。通過9腳輸出高電平時，10腳為低電平，BG4、BG7導通。變壓器TF1流過正向電流。變壓器TF1一次繞組上的電壓為反向，大小為從整流橋過來的總電壓的一半，如圖5所示。

　　10腳輸出高電平時，9腳為低電平，BG8、BG3 導通。變壓器TF1流過反向電流。變壓器TF1一 次繞組上的電壓為正向，大小同樣為從整流橋過來的總電壓的一半。

　　4.2.2充電控制電路

　　設計的充電電路須在電壓至峰值電壓時，停止 充電，以防電池過充電;并且在充電快完成時，應使用C/102C/15進行補充充電，以防止由于電池的弱極化。 充電使能電路如圖6所示，SR24是繼電器，CTL+，CTL-連接到線圈的輸出端，78L15為運放提供穩定的15V電源。使能電路的核心是CA3140，本電路不能采用開環比較器電路，因為，鎳 氫電池在充電時也要工作，其 dv dt 的特性可能變化很大，ca3140接成schmitt觸發器的形式。

　　圖7是充電控制電路，由CA3140組成schmitt 觸發器，穩壓管的主要作用是穩定輸出電壓的幅值，為三極管提供合適工作點。R5是保護電阻，起限流作用。兩個光隔，分別用于強制快充使能端和快速充電檢測，為機器人提供充電信息。

　　機器人過障時電機提供的功率較大，充電電流可能小于放電電流，為避免電池的過放電而損壞電池，設計的保護電路，如圖8所示。

　　當蓄電池兩端電壓低于24V時，由于穩壓管的 非線性，三級管Q1基極的電位趨于0，Q1反相截止，電流經R5，D2流入光隔D3，產生LOW信號，提示機器人停機充電。當蓄電池電壓高于24V時，則Q1導通，電流由R5流入三極管Q1。

　　機器人需要輸出32V，7A;24V，4A;12V，3A;5V，2A四路電壓，選用DC/DC模塊電源，把電池輸 出端的電壓轉換成以上四種電壓。

　　5結論

　　本文對機器人電源系統進行了理論分析和實際設計，主要闡述了感應取電裝置各參數（鐵芯磁性參數、幾何尺寸、線圈匝數等）對取電功率的影響，從理論上推出他們之間的關系，根據理論分析結果，進行了相應的試驗;同時，對電源系統的控制電路及充電電路工作原理進行詳細的介紹。本系統研制，對于高壓作業設備的電能供給問題，是一個很好的 解決方案。

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