尋軌機(jī)器人用無線充電系統(tǒng)的研究

孫 川，王春芳

（青島大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，青島266071）

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用范圍已由傳統(tǒng)的機(jī)械、電子、石油、汽車、電力等行業(yè)拓展至海洋勘察、航天航空、醫(yī)療衛(wèi)生、體育娛樂、餐飲服務(wù)等領(lǐng)域。近幾年，許多餐飲業(yè)引入尋軌機(jī)器人服務(wù)后，使其成本大為降低，而且已成為招攬顧客的一個(gè)噱頭。餐廳尋軌機(jī)器人可按固定軌跡行至餐桌前供客人點(diǎn)餐并返回為顧客取菜、送飯，在其電量較低時(shí)，機(jī)器人可自行返回充電端進(jìn)行接觸式充電，容易因機(jī)械接觸磨損導(dǎo)致接觸不良，從而降低充電的可靠性和安全性。如果尋軌機(jī)器人采用無線充電方式，既能摒棄插頭使機(jī)器人外觀美觀，又能增加充電的可靠性和安全性，所以此機(jī)器人無線充電將成為必然趨勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)為動(dòng)力電池組無線充電的變換器拓?fù)涠嗖捎冒霕颉⑷珮虻入娐穂1-3]，而針對(duì)尋軌機(jī)器人用動(dòng)力電池組（24 V/24 Ah）的功率等級(jí)，這些拓?fù)潆娐芳仍黾恿顺杀居衷黾恿送負(fù)潆娐返捏w積，且控制方法較為復(fù)雜[4-8]。

為解決上述問題，本文研究了一種基于電磁感應(yīng)耦合技術(shù)[9-15]（簡(jiǎn)稱ICPT）的單管逆變無線充電方法，該方法由前后兩級(jí)電路組成，前級(jí)由單個(gè)開關(guān)管逆變，可在整個(gè)開關(guān)周期均傳輸能量，從而提高了整個(gè)ICPT傳輸系統(tǒng)的功率因數(shù)和傳輸效率，電路具有成本低、體積小、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，控制上采用變頻和變占空比的控制方式，使電路工作于零電壓軟開關(guān)狀態(tài)，減少了開關(guān)損耗，增加了系統(tǒng)可靠性；后級(jí)充電電路采用Buck-Boost電路拓?fù)洌肔TC4020電源管理芯片來控制，通過計(jì)算所需參數(shù)搭建了外圍電路，實(shí)現(xiàn)了電池的各種保護(hù)，延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命。

1 尋軌機(jī)器人充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

尋軌機(jī)器人充電系統(tǒng)由前后兩級(jí)電路組成，如圖1所示，前級(jí)ICPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括原邊電路和副邊電路兩部分，原副邊電路均采用并聯(lián)補(bǔ)償方式。

輸入為220 V交流電壓，經(jīng)全橋整流后轉(zhuǎn)變?yōu)榉逯?10 V的脈動(dòng)直流電壓。該電壓先經(jīng)L1、C1濾波，由單管高頻逆變后施加到初級(jí)線圈LP上，再由LP將能量傳遞給次級(jí)線圈LS，經(jīng)全橋整流和L2、C2濾波后輸出32 V電壓U1，為后級(jí)電路供電。在電能傳輸過程中，開關(guān)管Q每次開通時(shí)均為零電壓開關(guān)，初級(jí)線圈LP一直都處在傳遞能量的過程中，使系統(tǒng)的開關(guān)管損耗大大降低，從而提高了系統(tǒng)的傳輸效率。

圖1 機(jī)器人充電系統(tǒng)Fig.1 Charging system for robot

后級(jí)充電電路拓?fù)洳捎肂uck-Boost電路，由電管理芯片LTC4020作為控制器。此芯片要求Buck-Boost的輸入電壓范圍為4.5～55 V，通過控制4個(gè)開關(guān)管分別工作在Buck或Boost的不同工作模式以調(diào)整輸出電壓，使其達(dá)到要求。本設(shè)計(jì)由前級(jí)輸出的32 V電壓作為輸入，后級(jí)電路工作在Buck模式下，為24 V鋰電池進(jìn)行充電。

2 工作原理及充電方法

圖1中前級(jí)主電路可以簡(jiǎn)化為4種工作狀態(tài)，如圖2所示。經(jīng)全橋整流濾波后的電壓可視為一恒定的電壓源Vd，LP*是副邊電感LS反射到原邊并與原邊電感疊加后的等效電感，Zeq為副邊負(fù)載等效到原邊的阻抗。相應(yīng)的工作波形如圖3所示。電路的4個(gè)工作狀態(tài)簡(jiǎn)要分析如下。

狀態(tài)1（t0～t1）：在t0時(shí)刻，開關(guān)管Q門極承受正向脈沖，電感電流iLp*仍為負(fù)值，二極管D1導(dǎo)通，此時(shí)開關(guān)管為零電壓導(dǎo)通，直到t1時(shí)刻電感電流上升至零值；

狀態(tài)2（t1～t2）：在此階段，電感電流逐漸上升，直到t2時(shí)刻開關(guān)管Q關(guān)斷；

圖2 單管逆變4階段工作狀態(tài)Fig.2 Four-stage operation states of single-switch inversion

圖3 工作波形Fig.3 Working waveforms

狀態(tài) 3（t2～t3）：在此階段，電感 LP*與電容 Cp發(fā)生諧振，在t3時(shí)刻電感電流降低為0，此時(shí)電容承受最大反向電壓，開關(guān)管Q耐壓達(dá)到最大值；

狀態(tài)4（t3～t4）：在此階段，電容反向放電，直到t4時(shí)刻電容電壓上升并鉗位至輸入電壓，諧振電流達(dá)到反向最大值。

機(jī)器人無線充電系統(tǒng)的后級(jí)充電管理電路如圖4所示，因后級(jí)電路輸入電壓VIN高于輸出電壓VOUT，此時(shí)充電電路工作于降壓（Buck）模式，開關(guān)管Q1（由TG1引腳驅(qū)動(dòng)）和開關(guān)管 Q2（由 BG1引腳驅(qū)動(dòng)）由PWM驅(qū)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換。理想狀態(tài)下，開關(guān)管Q4（由TG2引腳驅(qū)動(dòng)）將會(huì)持續(xù)導(dǎo)通而開關(guān)管Q3（由GB2引腳驅(qū)動(dòng)）將會(huì)保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，此時(shí)電路的工作狀態(tài)類似于Buck拓?fù)潆娐贰５珜?shí)際中，開關(guān)管Q4需要通過自舉電路驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通，所以開關(guān)管Q3每個(gè)周期需導(dǎo)通150 ns的時(shí)間用以更新驅(qū)動(dòng)，為防止對(duì)地產(chǎn)生直通電流，開關(guān)管Q4在此時(shí)間內(nèi)保持關(guān)斷狀態(tài)，為此設(shè)計(jì)75 ns的死區(qū)時(shí)間保護(hù)電路。

當(dāng)尋軌機(jī)器人沿軌跡行至充電處后，首先檢測(cè)電池溫度、電量等信息，判斷是否需要充電，如果均滿足條件之后，開始充電，其充電過程分為3個(gè)階段：第1個(gè)階段為涓流預(yù)充電，通過VFBMIN引腳檢測(cè)電池電壓，若電池過放，大電流會(huì)對(duì)電能不足的電池造成非常大的沖擊，從而導(dǎo)致機(jī)器人電池?fù)p壞，涓流預(yù)充電的作用是激活機(jī)器人電池，通過設(shè)計(jì)的最大充電電流的1/15給電池充電，使機(jī)器人電池安全進(jìn)入到充電狀態(tài)；第2個(gè)階段為恒流充電，首先設(shè)計(jì)限流電阻RSENSEA和RSENSEB控制電感上的最大電流，如果電感電流過大，則控制開關(guān)管Q1關(guān)斷4個(gè)周期后重新檢測(cè)電流，然后設(shè)計(jì)電阻RCS控制充電電流最大值，使此階段充電電流保持最大恒定值，此時(shí)充入電池的電量快速增加，電池電壓快速上升，從而提高充電速度；第3個(gè)階段采用恒壓充電，在此期間充電電壓保持恒定，充電電流下降，電池電壓緩慢上升，該方法可以有效避免電池充電后期因充電電流過大而造成極板活性物質(zhì)脫落和電能的損失，從而高效率地將電池剩余電量充滿。

圖4 后級(jí)充電管理電路Fig.4 Charging management circuit on post stage

3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 單管逆變補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

由于ICPT系統(tǒng)通過具有較大漏感的松耦合變壓器傳遞能量，效率比較低。為了增大傳輸功率，采用諧振電路對(duì)漏感進(jìn)行一定的補(bǔ)償。常用的補(bǔ)償方式分別為：電容原邊串聯(lián)—副邊串聯(lián)SS（series and series）補(bǔ)償、電容原邊串聯(lián)—副邊并聯(lián)SP（series and parallel）補(bǔ)償、電容原邊并聯(lián)—副邊串聯(lián)PS（parallel and series）補(bǔ)償和電容原邊并聯(lián)—副邊并聯(lián)PP（parallel and parallel）補(bǔ)償。一般PS、SS補(bǔ)償多用在小功率的場(chǎng)合，而PP、SP補(bǔ)償多用在大功率的場(chǎng)合。

本文采用PP補(bǔ)償方式，原邊并聯(lián)補(bǔ)償方式的優(yōu)點(diǎn)是諧振電流不經(jīng)過開關(guān)管而僅在諧振電感電容內(nèi)部流動(dòng)，因此在諧振電流較大時(shí)，此補(bǔ)償方式可以極大減少開關(guān)管的電流應(yīng)力。副邊并聯(lián)補(bǔ)償方式的優(yōu)點(diǎn)是可以使輸出電壓紋波減小。

3.2 單管逆變電路建模

如圖2簡(jiǎn)化電路，把副邊電路等效到原邊，建立ICPT系統(tǒng)的原邊電路模型。

副邊等效阻抗為式中：ω為角頻率；M為原副邊線圈互感；RS為副邊補(bǔ)償電容；CS為副邊補(bǔ)償電容；RL為等效負(fù)載電阻（為簡(jiǎn)化分析，將副邊電路看成純電阻）。

雖然后級(jí)電路準(zhǔn)許一個(gè)寬范圍的輸入電壓，但此設(shè)計(jì)仍要求前級(jí)電路輸出恒定電壓，所以當(dāng)RL增大（或減?。r(shí)，RL上的電流將會(huì)減?。ɑ蛟龃螅?，從而代表后級(jí)負(fù)載減輕（或加重）。

原副邊線圈內(nèi)阻相對(duì)較小時(shí)，由式（1）可得

式中：ω0為諧振角頻率，為

通過計(jì)算可知，ICPT系統(tǒng)CP與RL無關(guān)，但實(shí)際中，負(fù)載的變化對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定影響很大。

3.3 軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)方法

在前級(jí)電路中，控制開關(guān)管Q工作頻率變化可調(diào)整輸出電壓的大小，但原邊諧振電容CP選定后，當(dāng)開關(guān)管的工作頻率增大時(shí)，死區(qū)時(shí)間會(huì)相應(yīng)減小，并且當(dāng)開關(guān)管工作頻率等于或大于某個(gè)臨界值諧振頻率。

圖5 過零檢測(cè)電路Fig.5 Zero detection circuit

此外為提高傳輸功率，系統(tǒng)原邊的阻抗角還要接近 0，即時(shí)，將無法實(shí)現(xiàn)零電壓開通，因此為保證開關(guān)管能零電壓開通，留有一定的死區(qū)時(shí)間，就需為開關(guān)管增加一個(gè)軟開關(guān)檢測(cè)電路。圖5所示為軟開關(guān)過零檢測(cè)電路。

圖5中，Rc1、Rc2組成電壓采樣電路，可將開關(guān)管耐壓降到單片機(jī)可操作電壓范圍之內(nèi)，傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的ADC端口之中用于監(jiān)控開關(guān)管的耐壓，再通過計(jì)算由PWM端口輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制開關(guān)管。在驅(qū)動(dòng)信號(hào)到來之前的1 μs，由單片機(jī)的ADC端口采樣開關(guān)管電壓，檢測(cè)開關(guān)管耐壓是否降到0。如果開關(guān)管電壓不為0，則單片機(jī)需要減小驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)

基于saber對(duì)前級(jí)ICPT系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，主電路仿真波形如圖6所示。圖中，Uge為開關(guān)管Q的脈沖驅(qū)動(dòng)波形，Uce為開關(guān)管Q上的耐壓波形，Ice為開關(guān)管Q上的電流波形，Uo為前級(jí)電路輸出電壓波形。可以看出，Uge為正脈沖信號(hào)時(shí)，Uce電壓為0，Ice開始由負(fù)值逐漸增大，此時(shí)前級(jí)電路工作在零電壓開通狀態(tài)。

圖6 ICPT系統(tǒng)仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of ICPT system

本文搭建了實(shí)際樣機(jī)，其參數(shù)如下：前級(jí)電路輸入為220 Vac；原邊LC濾波電路中電感為300 μH，電容為 10 μF；原邊線圈電感為 180 μH，副邊線圈電感為60 μH，原副邊線圈相隔3 cm，CP=100 nF，CS=1 000 nF，M=32 μH，L2=150 μH，C2=2 200 μF，后級(jí)電路的輸入電壓值即為前級(jí)電路的輸出電壓32 V，后級(jí)電路中的限流電阻RSENSEA=0.006 Ω，RSENSEB=0.006 Ω，RCS=0.015 Ω，L4=20 μH。圖7為開關(guān)管Q開通時(shí)的軟開關(guān)波形，圖中，方波為脈沖電壓，饅頭波為開關(guān)管電壓，由圖中可看出當(dāng)脈沖電壓來臨時(shí)開關(guān)管電壓為0，即實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)技術(shù)。

圖7 軟開關(guān)波形Fig.7 Waveform of soft switching

前級(jí)輸出電壓32 V在LTC4020芯片的可操作輸入電壓范圍內(nèi)；后級(jí)電路為鋰電池 （24 V/24 Ah），其充電曲線如圖8所示。檢測(cè)電池電壓時(shí)，由于電池電壓低于正常充電電壓（設(shè)計(jì)電池正常充電電壓最小值為20.4 V），第1階段即為涓流預(yù)充電，充電電流為最大充電電流的1/15，經(jīng)過約20 min充電后電池電壓達(dá)到要求，進(jìn)入第2階段恒流充電；此時(shí)電池電壓快速增大，當(dāng)電池電壓接近飽和電壓時(shí)，轉(zhuǎn)入第3階段恒壓充電，此階段為電池提供25.2 V的恒定電壓，充電電流逐漸減小，4 h后充電電流接近為0，電池電量充滿。

圖8 鋰電池充電波形Fig.8 Charging waveform of lithium battery

5 結(jié)語

為尋軌機(jī)器人用鋰電池，提出一種單管逆變ICPT電路與電源管理LTC4020芯片相結(jié)合的無線充電方案。仿真和實(shí)驗(yàn)證明，所提出的新型無線充電方案能夠安全快速地給機(jī)器人充電，且具有過流、欠壓、軟啟動(dòng)等各類功能；相對(duì)傳統(tǒng)有線充電方法，具有充電時(shí)不接觸、不磨損、不產(chǎn)生電火花、安全可靠等特點(diǎn)；相對(duì)于其他一些無線充電方案，具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無線電能傳輸效率高和可靠性高等特點(diǎn)，具有可推廣的應(yīng)用前景。