CN103248115B - 一种变电站巡检机器人电源系统及其充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变电站巡检机器人电源系统及其充电方法，所述单片机通过通讯模块与上位工控机通讯，单片机接收上位工控机控制指令、向工控机反馈电源系统的实时状态和信息；单片机同时与直流电源的电压电流采样模块、电池的电压电流容量采样模块连接，单片机获取直流电源和电池实时信息；单片机通过电源切换模块控制整流模块、电池和电源输出模块之间的连接关系，单片机决策是否对电池充电、变电站巡检机器人是由电池还是由直流电源供电，保护电路用来保护电池。本发明能够保证向变电站巡检机器人不间断供电，监控电池充电过程，满足不同设备对电压的需求。

Description

一种变电站巡检机器人电源系统及其充电方法

技术领域

本发明涉及一种机器人电源系统，尤其涉及一种变电站巡检机器人电源系统及其充电方法。

背景技术

为了保证变电站内主线、母线、开关等主要设备运行状态，需要对变电站进行定期的检查和维护。传统的变电站监控和巡视主要通过人对设备进行感官的简单判断,现在，更灵活实用的变电站巡视机器人得到越来越广泛的应用。变电站巡检机器人通过自主或遥控的方式进行，特别是在无人值守或少人值守的变电站，对室外高压设备进行巡检，可及时发现电力设备的热缺陷、异物悬挂等设备异常现象，然后自动进行报警或执行预先设置好的故障处理。变电站巡检机器人是一种集计算机技术、传感器技术、电磁兼容、导航技术、运动控制、机器人视觉、红外检测技术、无线通讯技术等于一体的机电一体化设备,其本身携带有工控机、视频服务器、无线网桥、电机、云台、可见光摄像机、红外热成像仪以及各类传感器等设备，不同的设备对电源的电压和功率有不同的要求。变电站巡检机器人一般是通过电池提供动力源，工作电流可达5～10A，而电池充电电流在5A以上，电池只能提供固定的电压和功率，由于变电站巡检机器人本身携带设备的多样性、全自主运行、自主进行充电，因此需要一套电源系统将电池的电压转换为不同设备所需的电压，同时能够监控电池的充电过程，对电池进行充电保护，在电池充电同时，为变电站巡检机器人供电，保证变电站巡检机器人不间断运行。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题提供一种变电站巡检机器人电源系统，保证向变电站巡检机器人不间断供电，监控电池充电过程，满足不同设备对电压的需求。

本发明所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：

一种变电站巡检机器人电源系统包括：

单片机，与通讯模块相连，作用是通过通讯模块与上位工控机通讯、接收上位工控机控制指令、向工控机反馈直流电路的实时状态和信息；

通讯模块，与外部上位工控机通信；

交流电源，与整流模块和交流市电相连；

整流模块，连接于交流电源和电源切换模块之间，用于将交流电源输入的交流整流成直流输出；

电源切换模块，同时连接单片机、电池、整流模块、电源输出模块，用于控制直流电路、电池和电源输出模块三者之间的连接关系；

电池，与电源切换模块连接，用于为变电站巡检机器人供电；

电源输出模块，与电源切换模块和变电站巡检机器人供电系统相连，用于将输入的电压转化为不同电压的电路输出；

所述整流模块与电源切换模块之间设采样模块A，采样模块A与单片机相连；

所述电池和电源切换模块之间设保护电路和采样模块B，采样模块B与单片机相连。

所述整流模块将交流电源输入的交流整流成直流后通过直流一路、直流二路输出；所述两路直流电路通过电源切换模块与电池和电源输出模块相连。

所述采样模块A采集直流电路的电压、电流信息并反馈给单片机。

所述采样模块B采集电池的电压、电流、容量信息并反馈给单片机。

所述电源输出模块用于将电池或直流电路输入转换，转化结果包括非隔离24V、隔离24V、隔离12V、隔离5V。

所述电源切换模块包括若干个开关、二极管，直流二路、第三开关、电池依次相连组成闭合回路；电池、第二开关、第二二极管、电源输出模块依次相连组成闭合回路；直流一路、第一开关、第一二极管、电源输出模块依次相连组成闭合回路。

所述直流一路电压为24V，直流二路电压为29.6V。

所述开关采用功率MOSFET作为开关。

所述保护电路包括欠压保护、过压保护、过流保护以及超温保护。

电源系统的充电方法是：单片机监控电池电量和整流模块输出电压，

步骤1：当单片机检测到整流模块有输出电压时，

单片机通过电源切换源模块依次切换为：直流一路与电源输出模块相连，电池和电源输出模块断开，直流二路与电池相连；

当通讯模块接收到上位工控机指令变电站巡检机器人需要行走时，

步骤2：单片机通过电源切换源模块依次切换为：电池与电源输出模块相连，直流一路与电源输出模块断开，直流二路与电池断开。

本发明的有益效果在于：

本发明能够提供多级隔离与非隔离输出电压，能够满足各类设备对电源的需求；在电池充电时，整流模块可以提供两路直流电源，一路为电池充电，另一路为变电站巡检机器人供电；充电过程中，单片机通过采样模块对电池充电过程进行控制，从而有效的对电池进行保护，延长电池使用寿命；电源切换模块采用功率MOSFET作为开关器件，与继电器机械触点的方式比占有更小的体积、提供更大的工作电流和提高开关频率，同时由于本发明没有机械触点，因而比继电器使用寿命更长，可靠性更高。

附图说明

图1是本发明实例中变电站巡检机器人电源系统的结构示意图；

图2是本发明实例中电源切换模块与直流电源、电池的接线原理示意图；

图3是本发明实例中电源输出模块的接线原理示意图；

图4是本发明实例中充电方法的控制流程图；

图5是本发明实例中电源切换模块与单片机的电路连接图；

图6是本发明实例中电池的电压电流容量采样模块电路图。

其中1-通讯模块，2-单片机，3-交流电源，4-整流模块，5-电压电源采样模块，6-电源切换模块，7-电压电流容量采样模块，8-保护电路，9-电池，10-电源输出模块，11-直流29.6V电源，12-直流24V电源，13-第三开关,14-第一开关，15-第二开关，16-第一二极管，17-第二二极管，18-非隔离24V输出，19-隔离24V输出，20-隔离12V输出，21-隔离5V输出。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实例中变电站巡检机器人电源系统的结构图。

通讯模块1采用串行通讯方式，单片机2为ATMEGA128，这里仅为本实施例，但并不限于一种通信方式或一种单片机，单片机2通过通讯模块1与上位工控机通讯，单片机2接收上位工控机控制指令；单片机2分别连接电压电流采样模块5、电压电流容量采样模块7、电源切换模块6，单片机2向工控机反馈直流电源的实时状态和信息、单片机2控制电源切换模块6之间内部开关的开关动作，电源切换模块6与电源输出模块连接10。

整流模块4将交流电源3输入转化为直流29.6V电源11和直流24V电源12两路直流输出，

单片机2通过电源切换模块6控制直流29.6V电源11、直流24V电源12、电池9和电源输出模块10之间的连接关系，单片机2决策是否对电池9充电，在充电过程中单片机2通过电压电流采样模块5和电压电流容量采样模块7提供的信息对电池9进行控制，单片机2控制变电站巡检机器人是由电池9还是由直流24V电源12供电。

当单片机2获取到整流模块4有输出电压存在时，单片机2控制电源切换模块6动作，使电源输出模块10与直流24V电源12连接，从而使变电站巡检机器人由直流24V电源12供电，同时连接电池9和直流29.6V电源11，对电池9进行充电。

当上位工控机接收到命令变电站巡检机器人需要运动时，单片机2通过电源切换模块6使电池9与电源输出模块10连接，电池9为变电站巡检机器人供电，切断直流24V电源12与电源输出模块10连接，切断直流29.6V电源11与电池9连接，切断电池9为变电站巡检机器人充电。

图2是本发明实例中电源切换模块与其他部件的接线示意图。

电源切换模块6包括第一开关14、第二开关15、第三开关13和第一二极管16、第二二极管17；

直流29.6V电源11、第三开关13、电池9依次连接组成闭合回路，第三开关13控制直流29.6V电源11和电池9的连接与否，控制直流29.6V电源11对电池9充电与否；直流24V电源12、第一开关14、第一二极管16、电源输出模块10依次连接组成闭合回路，电池9、第二开关15、第二二极管17、电源输出模块10依次连接组成闭合回路，第一二极管16阳极与第一开关14连接，第二二极管17阳极与第二开关15连接，第一二极管16和第二二极管17能够保证电流的单向性，防止电流倒流。

当单片机2获取到整流模块4有输出电压存在时，单片机2控制第一开关14闭合、第三开关13闭合，第二开关15打开，使使电源输出模块10与直流24V电源12连接，从而使变电站巡检机器人由直流24V电源12供电，直流29.6V电源11对电池9进行充电。

当上位工控机接收到命令变电站巡检机器人需要运动时，单片机2控制第二开关15闭合，第一开关14打开，第三开关13打开，停止直流24V电源12为变电站巡检机器人供电，开始由电池9为其供电，停止直流29.6V电源11为电池9充电，

图3是本发明实例中电源输出模块的接线原理示意图。

电源输出模块10可将输入电路经过直流变压转换，变换为非隔离24V输出18、隔离24V输出19、隔离12V输出20和隔离5V输出21，以满足变电站巡检机器人各类设备的对电源的需求。

图4是本发明实例中充电过程的控制流程示意图。

单片机2通过直流29.6V电源11和直流24V电源的电压电流采样模块5监测整流模块4的状态(步骤S1)，

当检测到整流模块4有电压输出时(步骤S2)，

单片机2控制第一开关14闭合，将直流24V电源12与电源输出模块10连接(步骤S3)，

单片机2然后控制第二开关15打开，断开电池9与电源输出模块10的连接，此时变电站巡检机器人切换为由直流24V电源12供电(步骤S4)然后单片机2控制第三开关13闭合，将直流29.6V电源11与电池9连接起来，开始对电池9充电(步骤S5)。

充电过程中，单片机2通过电池9的电压电流容量采样模块7对电池9状态进行监测，以实现对充电过程的控制和对电池9的保护。

在充电完成后或者充电过程中，变电站巡检机器人需要运行时，上位工控机通过通信模块1向单片机2发送结束充电的指令，当单片机2接收到该指令后(步骤S6)，

单片机2控制第三开关13打开，停止对电池9充电(步骤S7)；

然后单片机2控制第二开关15闭合，将电池9与电源输出模块10连接起来(步骤S8)；

然后，单片机2控制第一开关14打开，断开直流24V电源12与电源输出模块10的连接，此时变电站巡检机器人由电池9供电(步骤S9)。

充电过程结束，变电站巡检机器人可正常运行。

图5是本发明实例中电源切换模块和单片机控制的电路图。

如图所示，本发明中使用功率MOSFET为IRF2807作为开关，其连续工作电流可达58A。图中PA0、PA1、PA2为控制开关的单片机2引脚，当PA0为高电平时，Q1导通，Q2截止，第三开关13导通；当PA0为低电平时，Q1截止，Q2导通，第三开关13关断。第一开关14和第二开关15的导通原理与第三开关13的导通原理相同。本例中，所述单片机2为ATMEGA128单片机。第一二极管16和第二二极管17，可以防止在电池9和直流24V电源12同时接入电源输出模块10发生电流倒流。电容C1和C2可以防止在电源切换瞬间电压发生大的波动，电阻R14为电流采样电阻，采集通过电池9的电流大小。

在变电站巡检机器人正常运行时第二开关15导通、第三开关13和第一开关14关断，电池9与电源输出模块10连接，变电站巡检机器人由电池9供电。充电时，第一开关14首先导通，此时直流24V电源12和电池9同时与电源输出模块10连接，二者的电压差使得第二二极管17和第一二极管16中有一个处于截止状态，从而防止了电流倒流。然后第二开关15关断，断开电池9与电源输出模块10连接，变电站巡检机器人系统转换为由直流24V电源12供电，电容C2有效防止电池9和直流电源切换瞬间电压发生大的波动。最后第三开关13导通，将直流29.6V电源11和电池9连接起来，开始对电池9充电。充电结束时：首先DQ1开关13关断，停止对电池9充电；然后第二开关15导通，将电池9与电源输出模块10连接起来；最后DQ2开关14关断，断开直流24V电源12与输出的连接，变电站巡检机器人转换为电池9供电。

图6是本发明实例中电压电流容量采样模块电路图。

电阻R15和R17组成分压电路，用于电池9的电压采样，电阻R14采样电池9的电流，在变电站巡检机器人正常工作时，电阻R14可反应电池9的充放电电流，电阻R14选用WSR3R0200FEA为电流采样电阻，其阻值为0.02欧姆，精度为1％，功率为3W。使用美国DALLAS公司生产的电池监测芯片DS2438来监测电池状态，该监测芯片具有以下特点：可以监测电池的温度，测量范围为－55℃～+125℃，分辨率可达0.03125℃；片内集成有10位A/D转换器，可以检测当前电池9的电压值，测量范围是0～10V，分辨率为10mV。通过测量电阻R14的电流来测量流经电池9的电流；利用集成电流累加器(ICA)对电池9的剩余电量进行跟踪；采用单总线工作方式，数据的输入/输出依靠一根数据线即可实现。在本例中，通过一个芯片即可对电池9电压、电流、容量的监控。单片机引脚PC0与电池监测芯片DS2438的数据线连接，实现两者之间的通讯。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种变电站巡检机器人电源系统，其特征是，包括：

单片机，与通讯模块相连，作用是通过通讯模块与上位工控机通讯、接收上位工控机控制指令、向工控机反馈直流电路的实时状态和信息；

通讯模块，与外部上位工控机通信；

交流电源，与整流模块和交流市电相连；

整流模块，连接于交流电源和电源切换模块之间，用于将交流电源输入的交流整流成直流输出；

电源切换模块，同时连接单片机、电池、整流模块、电源输出模块，用于控制直流电路、电池和电源输出模块三者之间的连接关系；所述电源切换模块包括三个开关、两个二极管，直流二路、第三开关、电池依次相连组成闭合回路；电池、第二开关、第二二极管、电源输出模块依次相连组成闭合回路；直流一路、第一开关、第一二极管、电源输出模块依次相连组成闭合回路；

电池，与电源切换模块连接，用于为变电站巡检机器人供电；

电源输出模块，与电源切换模块和变电站巡检机器人供电系统相连，用于将输入的电压转化为不同电压的电路输出；

所述整流模块与电源切换模块之间设采样模块A，采样模块A与单片机相连；

所述电池和电源切换模块之间设保护电路和采样模块B，采样模块B与单片机相连。

2.如权利要求1所述的一种变电站巡检机器人电源系统，其特征是，所述整流模块将交流电源输入的交流整流成直流后通过直流一路、直流二路输出；所述两路直流电路通过电源切换模块与电池和电源输出模块相连。

3.如权利要求1所述的一种变电站巡检机器人电源系统，其特征是，所述采样模块A采集直流电路的电压、电流信息并反馈给单片机。

4.如权利要求1所述的一种变电站巡检机器人电源系统，其特征是，所述采样模块B采集电池的电压、电流、容量信息并反馈给单片机。

5.如权利要求1所述的一种变电站巡检机器人电源系统，其特征是，所述电源输出模块用于将电池或直流电路输入转换，转化结果包括非隔离24V、隔离24V、隔离12V和隔离5V。

6.如权利要求1所述的一种变电站巡检机器人电源系统，其特征是，所述直流一路电压为24V，直流二路电压为29.6V。

7.如权利要求1所述的一种变电站巡检机器人电源系统，其特征是，所述开关采用功率MOSFET作为开关。

8.如权利要求1所述的一种变电站巡检机器人电源系统，其特征是，所述保护电路包括欠压保护、过压保护、过流保护以及超温保护。

9.如权利要求1所述的一种变电站巡检机器人电源系统，其特征是，电源系统的充电方法是：单片机监控电池电量和整流模块输出电压，

步骤1：当单片机检测到整流模块有输出电压时，

单片机通过电源切换源模块依次切换为：直流一路与电源输出模块相连，电池和电源输出模块断开，直流二路与电池相连；

当通讯模块接收到上位工控机指令变电站巡检机器人需要行走时，

步骤2：单片机通过电源切换源模块依次切换为：电池与电源输出模块相连，直流一路与电源输出模块断开，直流二路与电池断开。