CN201167024Y

CN201167024Y - 高压输电线路巡检机器人自取电装置

Info

Publication number: CN201167024Y
Application number: CNU2008200187982U
Authority: CN
Inventors: 周风余; 李贻斌; 宋锐; 荣学文; 李峰; 王常顺; 单金明; 王伟; 陈景帅
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2008-03-12
Filing date: 2008-03-12
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2018-03-12

Abstract

本实用新型提供了一种高压输电线路巡检机器人自取电装置，包括自取电电源模块和交直流电源转换模块，交直流电源转换模块与自取电电源模块的输出端连接，自取电电源模块由自取电装置、开关电源、电流检测电路、斩波器、电池检测及电源控制器、自适应电源切换器和蓄电池组成，自取电装置是以一相高压架空输电线为原边并以铁磁线圈为副边，自取电装置的副边与开关电源连接，开关电源的直流输出一路连接到自适应电源切换器，一路通过斩波器与蓄电池连接，电流检测电路与开关电源和蓄电池连接，电池检测及电源控制器与蓄电池和斩波器连接。本实用新型能够使高压输电线路巡检机器人自动获取电能，避免了频繁更换电池给巡视工作造成的不便。

Description

高压输电线路巡检机器人自取电装置

技术领域

本实用新型涉及高压输电线路巡检机器人自取电装置，属于高压输电线路巡检技术领域。

背景技术

高压输电线路巡检机器人携带大量的检测仪器和通信设备沿输电线路行驶，对线路故障及安全事故隐患进行巡视，并将所检测的信息实时向地面传送，能量消耗较大。由于机器人悬挂在输电线上，而高压输电线路又多分布在野外，跨越山川湖泊，在巡检过程中如果需要频繁更换电池，给巡视工作造成极大的不便，限制了巡检机器人的广泛应用。因此，为彻底解决巡检机器人的能源瓶颈，研究如何从高压输电线感应取电的方式为机器人提供电能，最大限度的提高机器人的续航能力，使之真正符合实用化的要求，就成为一个必须要研究的问题。

发明内容

本实用新型针对现有高压输电线路巡检机器人电能提供技术存在的不足，提供一种能够使高压输电线路巡检机器人自动获取电能的自取电装置。

本实用新型的高压输电线路巡检机器人自取电装置采用以下技术方案：

高压输电线路巡检机器人自取电装置包括自取电电源模块和交直流电源转换模块，交直流电源转换模块与自取电电源模块的输出端连接，自取电电源模块由自取电装置、开关电源、电流检测电路、斩波器、电池检测及电源控制器、自适应电源切换器和蓄电池组成，自取电装置是以一相高压架空输电线为原边并以铁磁线圈为副边的取电装置，自取电装置的副边与开关电源连接，开关电源的直流输出一路连接到自适应电源切换器，一路通过斩波器与蓄电池连接，电流检测电路与开关电源和蓄电池连接，电池检测及电源控制器与蓄电池和斩波器连接。电流检测电路把检测到的充电电流作为开关电源PWM控制器的输入，电池检测及电源控制器根据检测到的电池电压对斩波器实施PWM控制，以控制充电电压。

上述自取电装置的工作过程如下：自取电电源模块的自取电装置从高压线路上通过感应获取交流电，然后再通过开关电源转换为直流电源，通过斩波电路向蓄电池充电。同时，电压监测及控制保护电路对开关电源及电池电压和温度等实时监测，作为自取电电源模块控制器控制蓄电池是否需要充电，采用何种充电方式，是否要求机器人停机的依据。同时巡检机器人主控制器根据机器人运行状况，可随时通知自取电电源模块控制器打开或闭合CT副边线圈。

本实用新型通过高压输电线路自身产生感应电能，能够使高压输电线路巡检机器人自动获取取电能，避免了频繁更换电池给巡视工作造成的不便，打破巡检机器人的能源瓶颈，为巡检机器人的广泛应用铺平道路。

附图说明

图1是本实用新型的结构原理框图。

图2是本实用新型中的自取电电源模块电路原理图。

图3是本实用新型的控制流程图。

图中：1、自取电电源模块，2、交直流电源转换模块，3、高压输电相线，4、铁磁线圈，5、开关电源，6、电流检测电路，7、斩波器，8、电池检测及电源控制器，9、自适应电源切换器，10、蓄电池，11、机器人控制板，12、电机驱动器。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型的高压输电线路巡检机器人自取电装置包括自取电电源模块1和交直流电源转换模块2，交直流电源转换模块2与自取电电源模块1的输出端连接。自取电电源模块1由自取电装置、开关电源5、电流检测电路6、斩波器7、电池检测及电源控制器8、自适应电源切换器9和蓄电池10组成。自取电装置是以一相高压输电线3为原边，以铁磁线圈4为副边的取电装置，自取电装置的副边与开关电源5连接，电流检测电路6、斩波器7、电池检测及电源控制器8、自适应电源切换器9和蓄电池10按图所示连接在一起。由交直流电源转换模块2为机器人控制板11供电，进而控制电机驱动器12。

图2给出了自取电电源模块1的电路原理图。

铁磁线圈4采用一个整体铁芯，以保证磁路中无气隙。同时铁芯设计成可以分合的剖分式结构，由固定部分和活动部分组成，在正常工作时两部分合为一体，跨越高压线路障碍时由安装在机器人手臂上的机械装置将其分开。在自取电装置进行开合运动时，为了减小执行机构的电磁阻力，可控制使副边感应线圈短路。另外，为保证在尽可能大的电流范围内都能为机器人提供连续的电能，自取电装置必须在较小的电流时也能取得较大的能量，那么在原边电流、线圈匝数和磁通面积不变的情况下，提高铁芯的初始磁导率μ₀成为唯一有效的方法，因此选择铁基纳米晶合金作为铁磁线圈4的铁芯材料。

平波电抗L₁主要起限流和分压的作用，保证电源在大电流状态下的正常工作。采用适当的平波电抗可以把二次侧电流峰值I_2m限制到几安。平波电抗L₁除了限流作用外，还起到保护后续电路的作用。

铁磁线圈4感应得到的交流电经过平波电抗-初级滤波-整流-次级滤波得到的整流电压会随着高压输电线电流的升高而升高，而该电压的升高，使后续电路的等效阻抗增大，使稳压电容C5的放电电流减小，最终使得整流电压上升得更快。为了保护后续电路，必须把整流电压限制在要求的范围之内。为此电路中设计了由Z1，R01，R02，R03，RW和MOSFET Q1组成的能量泄放电路，如图2所示。当整流桥输出电压较高时，Q1导通，卸放电路进入工作状态，多余能量通过大功率电阻RW(50Ω100W)泄放掉；当整流桥输出电压恢复到正常范围内时，该电路不工作，因此不会影响电源启动电流。

如图2所示，蓄电池8(采用锂电池)的充电电路采用的是具有快充和慢充的智能型锂电池充电及保护电路。该电路采用AVR单片机控制，充电过程分为快充、慢充及涓流充(浮充)三个阶段(由于在电路中设计有电池欠压保护，当电池电压低于预充电压之前，已命令机器人停机，因此可省掉快充前面的低电流(0.1C)预充阶段)。该充电电路主要由开关稳压电源5、斩波器7、电流、电压及温度检测电路和控制器等四个部分组成，具有过流保护，过压、欠压保护和超温保护功能。开关稳压电源5采用半桥式PWM变换电路。其工作原理是：由U2(TL494)开关电源集成控制器的8脚和11脚输出反相的PWM信号，经三极管T3、T4互补放大，通过驱动变压器DT，为三极管T1和T2基极提供驱动信号。使T1和T2交替通断，高频变压器HFT的初级绕组N1就会产生方波电压，在HFT的次级绕组N2、N3中就有感应电压产生，这个电压经整流、滤波后，变为直流电压，一路直接连到电源切换器9，一路通过斩波器7向蓄电池8充电。HFT次级绕组N4、N5为辅助绕组，其感应电压经整流、滤波后，接至U2的12脚，作为其工作电压。

图2中，电阻R10串接在HFT次级绕组N2和N3的中间抽头与输出地之间，作用是监控快充充电电流和过流保护。

恒流控制过程为：当充电电流超过恒定值0.5C时，R10上的压降增大，该压降经并联电阻R22、R23反馈到U2的15脚(内部电流误差放大器反相输入端)，使其电位变为负值，低于U2的16脚(内部电流误差放大器同相输入端)，则内部电流误差放大器输出电压升高，使U2的8脚和11脚输出的PWM信号的脉冲变窄，从而缩短T1和T2的导通时间，使输出电压下降，维持充电电流恒定；随着充电时间的延长，电池电压逐渐升高，充电电流按指数规律下降，U2的15脚电位按指数规律上升，则U2的8脚和11脚输出的PWM信号脉冲逐渐又变宽，从而延长T1和T2的导通时间，使输出电压升高，充电电流保持恒定。

在慢充阶段，通过电阻R29、R30、R31、R32、C18、C19组成电压取样电路和U2内部电压误差放大器，使输出电压恒定。

恒压控制过程为：取样电压输入到U2的1脚(内部电压误差放大器同相输入端)，与U2的2脚(内部电压误差放大器反相输入端)的基准电压比较，其误差信号放大后，经内部电路处理，使U2的8脚和11脚输出的PWM信号的脉宽改变，从而使T1、T2的导通时间改变，维持输出电压恒定。

斩波器7的电路由三极管T5和由T6、T7组成的达林顿管及电阻R12、R13、R14、R15等组成。工作过程为：U1(ATmega48)的14脚输出的PWM控制信号经电阻R15接至T5的基极，控制T5通断，从而使T6和T7亦导通或截止，充电电流通过T7对电池充电。改变PWM控制信号的脉宽，就改变了充电电压。

电源控制器由U1、U3(LM358N)和U4(MC74HC14AN)以及电阻电容等组成。其中U1采用ATMEL公司生产的微功耗高性能八位RISC结构单片机ATmega48V[75]，TQFP32紧凑型封装，内有4KB的Flash程序存储器、256B的EEPROM和512B的静态存储器。支持ISP串行下载方式，有可编程代码保护。

ATmega48V单片机内有两个8位的定时/计数器，一个16位的定时/计数器，可以满足本电路对开启时间、脉宽、脉冲频率的精确控制。控制过程为：快充阶段U1的14脚输出高电平，使斩波器7导通，通过电流监控电路，以恒定电流对电池充电。当电池电压V_BAT上升到规定值时，由电阻R33、R34、R35对电池电压取样后，送至比较器U3A的3脚，与2脚的基准电压比较，在1脚输出高电平，经具有抗扰动特点的施密特触发器反相器U4A、U4B进入U1的25脚输入高电平，再经软件滤波和延时，判断检测无误后；U1的14脚输出低电平，关断斩波器，停止充电，快充阶段结束。慢充阶段，U1的14脚输出PWM控制信号，使斩波器7以固定的占空比导通，充电器以恒定电压对电池充电，此时充电电流随着电池电压的上升，按指数规律下降。当电池电压V_BAT上升到规定值时，由电阻R33、R34、R35对电池电压取样后，送至比较器U5B的5脚，与6脚的基准电压比较，在7脚输出高电平，经反相器U6A、U6B进入U1的24脚输入高电平，再经软件滤波和延时，判断检测无误后，结束慢充。涓流充阶段，U1的14脚输出占空比更小的PWM控制信号，使斩波器7以较小的占空比导通，将充电电流维持在0.05C左右，对电池进行涓流充电。

欠压保护：当开关电源的电压大于电池电压时，电源切换器9(V1)的3脚和2脚之间导通，1脚和2脚之间反向截止，交直流电源转换模块2的输入为开关电源电压；如果线路无电流或电流小于启动电流时，开关电源无输出或输出电压小于电池电压，此时电源切换器V1的3脚和2脚之间反向截止，1脚和2脚之间导通，交直流电源转换模块2的输入为电池电压。这种情况下，自取电装置已无法给电池充电，机器人系统的运行能量完全靠电池供给，当电池电压降低到容许的最小值时，由电阻R51、R52及电位器WR1采样后，送至比较器U5A的2脚，与3脚的基准电压比较，在1脚输出高电平，经反相器U4E、U4F进入U1的26脚，经软件滤波和延时，判断检测无误后，通过串口通知机器人控制器，命令机器人停机以避免由于过放而损坏电池。当充电到正常水平后再继续执行巡检任务。

超温保护是通过附加在电池上的正温度特性热敏电阻RT及R38、R39实现的。当电池温度升高时，热敏电阻RT的阻值增大，则U3B的5脚电压上升；若电池温度T_BAT升高到规定值时，5脚电位高于6脚电位，则7脚输出高电平，U1的23脚输入高电平，则U1的14脚输出PWM信号，使充电器以涓流充电方式对电池充电，有效地保护了电池。该充电控制器虽然设计有温度监测功能，但由于目前市场上买到的大多数锂电池都已具备了过充保护功能，因此，温度监测也可选用。

图2中的发光二极管指示充电状态。快充和慢充阶段点亮绿色发光二极管；涓流充电阶段点亮黄色发光二极管。

本实用新型的控制流程如图3所示。自取电装置从高压线路上获取的交流电能通过开关电源5转换为直流电源，一路直接连到自适应电源切换器9，一路通过斩波器7向电池充电。根据开关电源输出电压与电池电压大小关系，电源切换器会自适应的把开关电源的输出或电池的输出引入到交直流电源转换模块2的输入端。电池充电过程中，充电电流检测电路6用于控制开关电源5的占空比，保证充电过程中某一阶段的恒流充电；电池检测电路对电池电压及温度等实施监测并将信息传送给电源模块控制器，作为控制电池是否需要停机？是否需要充电，采用何种充电方式的依据。同时巡检机器人主控制器根据机器人运行状况，可随时通知电源模块控制器使铁磁线圈4的副边线圈的短路开关闭合或打开。

Claims

1.一种高压输电线路巡检机器人自取电装置，其特征在于：包括自取电电源模块和交直流电源转换模块，交直流电源转换模块与自取电电源模块的输出端连接，自取电电源模块由自取电装置、开关电源、电流检测电路、斩波器、电池检测及电源控制器、自适应电源切换器和蓄电池组成，自取电装置是以一相高压架空输电线为原边并以铁磁线圈为副边的取电装置，自取电装置的副边与开关电源连接，开关电源的直流输出一路连接到自适应电源切换器，一路通过斩波器与蓄电池连接，电流检测电路与开关电源和蓄电池连接，电池检测及电源控制器与蓄电池和斩波器连接。