自動化分揀線無接觸供電系統(tǒng)的設(shè)計

劉鵬宇 劉紅兵

（太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，山西 太原030024）

所謂自動分揀是指通過分揀系統(tǒng)將商品按照類別、發(fā)送目的地等條件進(jìn)行分類的過程[1]。傳統(tǒng)的分揀系統(tǒng)采用滑觸線方式供電，但是滑觸線有很多弊端，壽命短，維護(hù)成本較高，而且還限制了分揀速度[2]。

故本文以自動化分揀線為應(yīng)用背景探究無接觸供電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，在每個載物盤和分揀格口下安裝電能收發(fā)線圈，當(dāng)分揀系統(tǒng)識別物品走到對應(yīng)格口時，發(fā)射線圈通電，接收線圈得電，載物盤將物品彈出到格口，以此實(shí)現(xiàn)分揀。因?yàn)椴淮嬖谀Σ?，所以用無接觸供電沒有任何損耗，提高分揀速度的同時大大減少了維護(hù)時間和成本。

目前的無接觸供電技術(shù)主要分為四種：磁感應(yīng)耦合式、磁諧振耦合式、微波輻射式、激光式。磁諧振耦合式作為本文研究的重點(diǎn)，最早提出于2006 年10 月的美國物理學(xué)會工業(yè)物理論壇上，美國麻省理工學(xué)院（MIT），Marin Soljacic 的科研小組提出該理論，并在2007 年運(yùn)用磁諧振耦合原理在2m 左右距離點(diǎn)亮一盞60W 的白熾燈[3]；而在國內(nèi)，在該領(lǐng)域的研究起步較晚，研究機(jī)構(gòu)也集中于重慶大學(xué)、浙江大學(xué)、東南大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等少數(shù)高等院校和科研院所。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 降壓電路

本路采用15V 直流供電，考慮到為后續(xù)芯片的邏輯電源供電，故設(shè)計5V 的降壓電路，選取7805 三端穩(wěn)壓集成芯片完全滿足本文設(shè)計要求，降壓電路原理圖如圖1 所示。

圖1 降壓電路

1.2 PWM發(fā)生電路

常見的無接觸供電系統(tǒng)采用SG3525 等集成PWM 控制芯片生成PWM，而本設(shè)計采用信號發(fā)生器生成，但是用信號發(fā)生器只產(chǎn)生一路PWM信號，通過圖2 電路生成兩路互補(bǔ)信號的同時，施加死區(qū)時間。其中采用74HC14 高速CMOS 器件，該器件有六路施密特觸發(fā)反相器。

圖2 PWM 發(fā)生電路

1.3 驅(qū)動電路

故本設(shè)計采用全橋逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而為了增強(qiáng)驅(qū)動信號、提高驅(qū)動能力，選用IR2110 驅(qū)動器，采用兩片IR2110 能夠合成H 全橋功率MOS 管驅(qū)動器，如圖3 所示。

當(dāng)HO 為高電平時，C31 通過VB 和VS 端形成回路放電，C31 充當(dāng)電源的作用，使VT3 導(dǎo)通。由于HIN 和LIN 是一對互補(bǔ)輸入信號，所以此時LIN 為低電平，聚集在VT4 柵極和源極的電荷通過芯片LO 和COM端內(nèi)部、R17 快速對地放電，由于施加的死區(qū)時間，使VT4 在VT3 開通前迅速關(guān)斷。當(dāng)HO 為低電平時，聚集在VT3 柵極和源極的電荷在芯片內(nèi)部通過R15 迅速放電使VT3 關(guān)斷，經(jīng)過短暫的死區(qū)時間LO 為高電平，使VCC 經(jīng)過R17 與VT4 的柵極和源極形成回路，對C31 進(jìn)行充電，之后循環(huán)往復(fù)。

1.4 線圈和補(bǔ)償電路

收發(fā)線圈和補(bǔ)償電路的設(shè)計決定著整個系統(tǒng)的工作頻率和傳輸效率。頻率越高對系統(tǒng)的要求越高。在頻率確定的情況下，線圈的電感值和補(bǔ)償電容的容值成反比，但是如果線圈電感值太小，會使系統(tǒng)的傳輸功率降低，所以在設(shè)計收發(fā)線圈時，一定要保證一定的電感值。

圖3 H 全橋驅(qū)動電路

本設(shè)計采用的收發(fā)線圈如圖4 所示，直徑18cm，遠(yuǎn)小于分揀板尺寸（長80cm，寬60cm），由22 股0.4mm 的漆包銅絲絞合而成的2.5mm 銅線繞制27 匝得到，電感值為140μH 這種多股絞合的結(jié)構(gòu)減小了直流電阻，既降低了電流的熱效應(yīng)損耗，又減小了自身的渦流損耗。在線圈背面安裝6 片磁條，用以減小漏磁。

圖4 收發(fā)線圈實(shí)物圖

補(bǔ)償電路作為電路發(fā)生諧振的關(guān)鍵一環(huán)，結(jié)構(gòu)和容值的選擇至關(guān)重要。由于串- 并補(bǔ)償情況下輸入電壓最小，功率因數(shù)最高，故采用串- 并補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。根據(jù)式（1）可知，可得到補(bǔ)償電容的容值C。

由于本設(shè)計中采用的發(fā)射線圈和接收線圈完全相同，所以發(fā)射端和接收端的補(bǔ)償電容也應(yīng)相同。

2 實(shí)驗(yàn)

圖5 為實(shí)物演示圖，表1 為此實(shí)驗(yàn)所得傳輸距離、收發(fā)功率和傳輸效率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。負(fù)載為120W 的節(jié)能燈（分揀線分揀板的電機(jī)功率通常為100W），通過實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)完全適用于分揀線。

圖5 實(shí)驗(yàn)

表1 傳輸距離、收發(fā)功率和傳輸效率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

本文以自動分揀線為應(yīng)用背景對磁諧振耦合式無接觸供電系統(tǒng)進(jìn)行了研究，用理論分析的方法對系統(tǒng)的頻率特性進(jìn)行分析，討論了抑制頻率分裂的方法；用仿真驗(yàn)證了電路設(shè)計的可行性；用實(shí)物實(shí)驗(yàn)的方法檢驗(yàn)了系統(tǒng)設(shè)計。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為直觀的反映了系統(tǒng)工作情況，100W 以上的傳輸功率、65%的傳輸效率和52cm 傳輸距離完全適用于分揀線，證明本次設(shè)計是成功的，為傳統(tǒng)滑觸線式分揀系統(tǒng)提出一種新的供電方案。