自主移动机器人的非接触充电模式

王建军，周 瑾

(上海第二工业大学电子与电气工程学院，上海 201209)

自主移动机器人的非接触充电模式

王建军，周 瑾

(上海第二工业大学电子与电气工程学院，上海 201209)

自主移动机器人在无人值守的情况下采用非接触供电方式获取电能是合适的。提出了采用最大电流作为判断非接触供电系统是否处于谐振状态的依据。采用固定激励电源频率与动态调节电路无功器件参数相结合的方法进行自适应调谐。激励电源保持较高的固定工作频率，根据最大电流原则，系统自动调节原边和副边电路的补偿电容值，使系统重新回归谐振状态。另外，机器人在充电时，需要较高的定位精度，利用辅助传感器可以减小定位误差，提高供电效率。

机器人；非接触充电；自动调谐

0 引言

随着信息与控制技术的发展，机器人进入家庭已经成为现实。家用服务机器人的工作方式更多地表现为自主工作和无人值守的运行方式。在无人值守的条件下，机器人保持足够的电能是至关重要的，因此，机器人的充电方法极为重要。对于无人值守的机器人而言，采用非接触的方法进行充电是合适的，因为这种供电方式不需要供电端与受电端存在物理线路的连接。在无人值守的条件下，机器人可根据自身电源情况，在必要的时候，采用智能的空间搜索和定位方式，定位于固定的充电体附近进行充电。采用非接触方式进行充电，机器人一般是作为可分离变压器的副边，而系统的原边则采用位置固定的方式，充电时机器人副边系统需要运动到原边附近的固定位置才能进行充电。机器人非接触电能传输技术是一种新型的电能传输方法[1-3]，它以非接触的方式向移动设备传输电能，实现了供电端与受电端的机械分离，具有使用安全、可靠性高、接入方式灵活的特点，在医学、矿山、军事等领域具有极高的应用前景。

1 非接触供电原理

基于可分离变压器的非接触供电系统的结构如图1所示，电力电子技术主要体现在整流逆变环节和输出调节部分。工频交流电经过整流逆变环节变为中高频交流电，作为可分离变压器的激磁电源。可分离变压器是非接触供电系统的核心，其初级和次级可分离，不存在物理连接，但由于较大的气隙的存在，使得系统的传输效率降低。可分离变压器工作在中高频激励状态，其激磁频率就是逆变环节输出的电流频率。初级线圈中的能量通过互感作用传递到可分离变压器的副边，变压器副边的输出则一般要经过整流和输出调节环节再供给负载。

图1 非接触供电系统结构简图Fig. 1 Schematic of contactless power transfer system

无论是感性还是容性电路，都可以通过补偿的方式改变电路的特性。根据原边和副边补偿电容位置的不同，非接触供电系统一般被分为四种拓扑结构[4-5]。但无论是何种拓扑结构，电路分析所采用的方法都是类似的，因此，在这里不讨论非接触供电系统电路的补偿方式，而只是假定电路是存在感性和容性元件的串联补偿型电路。在简化中间环节如整流与逆变过程的条件下，非接触供电系统可以用图2的物理结构来描述[6]。

图2 非接触供电系统模型Fig. 2 Model of contactless power system

图2中的iU是原边系统激励电源电压，iI为流过变压器原边的电流，iR为原边线圈内阻，iC为原边电路所含器件的电容，iL为原边电感，M为互感系数，oI为副边工作电流，oL为副边电感，oC为副边电路所含器件的电容，LR为负载阻抗。

根据图2的系统结构模型，分别对变压器的原边系统和副边系统列出式(1)和式(2)的环路电压方程。方程中对可分离变压器采用了互感模式，这是因为可分离变压器的原边与副边之间无物理连接，完全是一种开放的结构，能量的传递完全依靠互感的作用[7]。式中ω为激励电源的角频率。

可分离变压器的原、副边线圈之间存在的空气间隙导致一次侧原边线圈及二次侧副边线圈都存在较大的漏感。

定义传输效率η为副边负载LR得到的功率LP与原边输入功率iP的比值。对于RLC电路而言，处于谐振状态时，电路中的电流最大，电能传输能力最强。因此，系统的原边和副边电路同时处于谐振状态时是最好的，此时，系统的工作角频率0ω用式(3)表示

解方程(1), (2)和(3)，得系统的传输效率的表达式(4)

2 充电系统的工作方式

从式(4)可以看出，在系统处于谐振的条件下，影响系统电能传输效率的主要因素有谐振频率、互感系数、负载阻抗以及原边和副边的内阻。在M、LR、iR的值确定的情况下，共振频率对传输效率的影响极其显著。升高系统的谐振频率对提高电能的传输效率是有益的。但是当频率增大到一定程度的时候，其对传输效率的贡献将迅速减小，甚至变得非常微弱。而过高的电路变换频率会大幅增加系统的设计难度并提高系统成本。实验表明，谐振频率设定在50千赫到100千赫之间是比较合适的。

受到工作条件的影响，机器人供电系统可能会偏离原来的谐振状态。为了保证系统的传输效率，系统必须存在自调谐机制，以保证充电效率。在图2的电路中，原边系统和副边系统都是R, L, C串联电路。系统偏离谐振状态后，可以采用两种方法使系统重新回到谐振状态：一种是通过调整激励电源的工作频率，使之适应电容或电感参数变化后的系统，使系统重新回到谐振状态，但是这种方法不是最优的；另一种方法是保持激励电源的工作频率固定不变，通过动态调节电路元器件参数，使系统重新进入谐振状态，比如，通过调节补偿电容或者补偿电感的值，使系统重新回到谐振状态，这样还可以使电能的传输效率保持稳定。

3 自动调谐系统的电气结构

对于一个RLC电路而言，自动调谐系统的硬件组成如图3所示，其中oL为副边电感，oC为副边电路的当量电容，LR为负载阻抗。iR为原边线圈内阻，iC为原边电路的当量电容，iL为原边电感，M为互感系数，此处忽略了副边内阻，而把它看作是负载阻抗的一部分。副边有电容xC。xC是可变的，这是为了适应系统谐振点发生变化的情况。xC的轴与驱动电机的轴固定在一起，利用电机带动xC的旋转部分转动，从而控制电路中的电容值。可变电容接入电路的时候，要调节电路的参数，使谐振点处于电容的中间值位置，保证电容可以进行双向调节，即电路失谐后，电容既可以向增大的方向调节，也可以向减小的方向调节。

图3 自适应调谐系统原理图Fig. 3 Schematic of adaptive tuning system RC

4 自动调谐过程的工程实现

系统发生谐振时，电流处于最大状态。理论也表明，越接近谐振点的位置，电流越大。调节电路中可变电容和电感的值，当电路电流达到最大时，电路中的电容以及电感的值就是谐振电路的最佳工作参数。因此，通过寻找电流的最大值，可以确定电路的谐振参数。采用电流最大模式寻找谐振参数需要利用计算机系统。调谐系统的结构组成如图3所示。副边调谐电路由固有电感、补偿电感、固有电容、可调电容、采样电阻、负载电阻构成。可调电容的轴与步进电机M的轴相连，电容值可由计算机进行控制。利用最大电流模式确定谐振参数的过程如下：利用采样电阻oR监控电路中电流的变化，oR的阻值为0.1欧姆，其上电压经过信号放大后送入A/D采样系统。系统开始工作后，由计算机记录采样电阻oR两端的电压差值V∆。V∆与电路中的电流成正比，因此，用该电压差表示电流值I，存储电流I，然后通过计算机控制步进电机向电容增大的方向转过一个固定的微小角度φ∆，即电路中的电容增大固定的值C∆。由于计算机每次调节的电容量都是C∆，因此C∆被称为步长。电容减小一个步长值后，重新采样并存储电流值1I。将电流1I与I比较，如果1I大于I，说明参数调节的方向是正确的，用1I代替I。此时，再将电容增大一个步长的值，检测此时的电流值2I，将1I与2I相比较，如果1I大于2I，则重复上述调节过程，直至检测到的当前电流值nI小于1nI−，说明电流1nI−所对应的电容值就是系统的最佳谐振参数。因此，计算机自动调节电容减小一个步长的值，使电流回到1nI−的状态，此时可以认为系统工作于谐振状态。在系统开始工作后，第一次调节增加一个步长的电容值C∆后，如果检测到的电流1I小于I，则说明参数调节的方向可能是错误的，这时可尝试向相反的方向调节，即减小电容的值，直至出现电流最大的状态。若反向后电流仍然变小，则说明不需要调节。需要说明的是，找到谐振参数后，调节过程并未停止，因为负载是动态的，系统可能随时进入失谐状态。正确的做法是在找到谐振点后，在每个固定调节周期，电容分别增加和减小一个步长值C∆，观测电流变化的情况。如果发现电流都减小，则说明谐振点不变；如果电流出现增大的情况，则说明系统已经失谐，需要重新进行上述调节过程。

5 机器人充电定位

由于技术的原因，自主机器人的空间定位存在误差，因此，要求机器人在充电过程中受电端与电源供电端实现精确对准是不现实的。解决的方法是采用辅助定位法，如图4所示。为保证机器人受电端与电源供电端的间隙尽可能减小，采用近距离的接近开关作为间隙传感器。机器人上的接近开关与受电端的距离是固定的，这个距离等于充电系统固定部分的供电端与接近开关固定端的距离。只有机器人采集到接近开关信号或接触开关信号时，才能确认间隙的准确。为防止横向错位过大，可以采用接触开关作为定位传感器。这就要求机器人进入充电区域时的路径是固定的，要沿着图中箭头的方向运动。由于充电区域的位置是不变的，因此，这种方式可以实现。

图4 机器人充电辅助定位方法Fig. 4 Assisted positioning method for robot charging

6 结论

本文研究了家庭服务型自主机器人的充电问题，提出了采用非接触方法实现机器人的电能供给。由于工作条件的变化，机器人的受电端的副边必须存在自调谐机制。设计了采用固定激励电源频率与调节电路无功器件参数相结合的自适应调谐方法。另外，还设计了机器人充电过程的空间定位方法。利用辅助传感器可以减小定位误差，提高供电效率。

[1] 韩腾, 卓放, 刘涛, 等. 可分离变压器实现的非接触电能传输系统研究[J]. 电力电子技术, 2004, 38(5): 28-31.

[2] BOYS J T, COVIC G A ,GREEN A W. Stability and control of inductively coupled power transfer systems[J]. IEE Proc., Electr. Power Appl., 2000, 147(1): 37-43.

[3] 田野, 张永祥, 明廷涛, 等. 松耦合感应电源性能的影响因素分析[J]. 电工电能新技术, 2006, 25(1): 73-76.

[4] WANG J J, SONG S J. Analysis on transmission characteristic of contactless power transfer system[C]//2011 Second International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering, 2011, 7: 5606-5608.

[5] 周雯琪, 马皓, 何湘宁. 感应耦合电能传输系统不同补偿拓扑的研究[J]. 电工技术学报, 2009, 24(1): 133-136.

[6] 张敏, 周雒维. 松耦合感应电能传输系统的分析[J]. 重庆大学学报: 自然科学版, 2006, 29(7): 33-36.

[7] WANG C, COVIC G A, STIELAU O H. Power transfer capability and bifurcation phenomena of loosely coupled inductive power transfer systems[J]. IEEE Tran., Industrial Electronics, 2004, 51(1): 148-157.

Contactless Charging Mode for Autonomic Mobile Robot

WANG Jian-jun，ZHOU Jin
( School of Electronic & Electrical Engineering, Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209, P. R. China )

Contactless power transfer is suitable for the unattended autonomous mobile robots combining fixed power frequency with dynamic adjustment of the circuit reactive parameters are presented to assure the system working in the resonant state. That is the excitation power maintaining high fixed frequency, and the control system real-time detecting load current, according to loads current to adjust the compensation capacitor value, return the system to re-resonant state to generate higher load current. Other, while charging, robots need to maintain a high positioning accuracy, so the auxiliary sensors are used to reduce the positioning errors and improve the efficiency of power transmission.

autonomic mobile robot; contactless charging mode; automatic tuning

TM46

A

1001-4543(2012)02-0112-05

2012-04-09;

2012-06-18

王建军（1971－），男，黑龙江双城人，副教授，博士，主要研究方向为电力电子技术，电子邮箱jjwang@ee.sspu.cn。

上海市教委重点学科资助项目（No. J51801）