自动化分拣线无接触供电系统的设计

刘鹏宇 刘红兵

（太原科技大学 电子信息工程学院，山西 太原030024）

所谓自动分拣是指通过分拣系统将商品按照类别、发送目的地等条件进行分类的过程[1]。传统的分拣系统采用滑触线方式供电，但是滑触线有很多弊端，寿命短，维护成本较高，而且还限制了分拣速度[2]。

故本文以自动化分拣线为应用背景探究无接触供电系统的实现，在每个载物盘和分拣格口下安装电能收发线圈，当分拣系统识别物品走到对应格口时，发射线圈通电，接收线圈得电，载物盘将物品弹出到格口，以此实现分拣。因为不存在摩擦，所以用无接触供电没有任何损耗，提高分拣速度的同时大大减少了维护时间和成本。

目前的无接触供电技术主要分为四种：磁感应耦合式、磁谐振耦合式、微波辐射式、激光式。磁谐振耦合式作为本文研究的重点，最早提出于2006 年10 月的美国物理学会工业物理论坛上，美国麻省理工学院（MIT），Marin Soljacic 的科研小组提出该理论，并在2007 年运用磁谐振耦合原理在2m 左右距离点亮一盏60W 的白炽灯[3]；而在国内，在该领域的研究起步较晚，研究机构也集中于重庆大学、浙江大学、东南大学、哈尔滨工业大学等少数高等院校和科研院所。

1 系统硬件设计

1.1 降压电路

本路采用15V 直流供电，考虑到为后续芯片的逻辑电源供电，故设计5V 的降压电路，选取7805 三端稳压集成芯片完全满足本文设计要求，降压电路原理图如图1 所示。

图1 降压电路

1.2 PWM发生电路

常见的无接触供电系统采用SG3525 等集成PWM 控制芯片生成PWM，而本设计采用信号发生器生成，但是用信号发生器只产生一路PWM信号，通过图2 电路生成两路互补信号的同时，施加死区时间。其中采用74HC14 高速CMOS 器件，该器件有六路施密特触发反相器。

图2 PWM 发生电路

1.3 驱动电路

故本设计采用全桥逆变拓扑结构。而为了增强驱动信号、提高驱动能力，选用IR2110 驱动器，采用两片IR2110 能够合成H 全桥功率MOS 管驱动器，如图3 所示。

当HO 为高电平时，C31 通过VB 和VS 端形成回路放电，C31 充当电源的作用，使VT3 导通。由于HIN 和LIN 是一对互补输入信号，所以此时LIN 为低电平，聚集在VT4 栅极和源极的电荷通过芯片LO 和COM端内部、R17 快速对地放电，由于施加的死区时间，使VT4 在VT3 开通前迅速关断。当HO 为低电平时，聚集在VT3 栅极和源极的电荷在芯片内部通过R15 迅速放电使VT3 关断，经过短暂的死区时间LO 为高电平，使VCC 经过R17 与VT4 的栅极和源极形成回路，对C31 进行充电，之后循环往复。

1.4 线圈和补偿电路

收发线圈和补偿电路的设计决定着整个系统的工作频率和传输效率。频率越高对系统的要求越高。在频率确定的情况下，线圈的电感值和补偿电容的容值成反比，但是如果线圈电感值太小，会使系统的传输功率降低，所以在设计收发线圈时，一定要保证一定的电感值。

图3 H 全桥驱动电路

本设计采用的收发线圈如图4 所示，直径18cm，远小于分拣板尺寸（长80cm，宽60cm），由22 股0.4mm 的漆包铜丝绞合而成的2.5mm 铜线绕制27 匝得到，电感值为140μH 这种多股绞合的结构减小了直流电阻，既降低了电流的热效应损耗，又减小了自身的涡流损耗。在线圈背面安装6 片磁条，用以减小漏磁。

图4 收发线圈实物图

补偿电路作为电路发生谐振的关键一环，结构和容值的选择至关重要。由于串- 并补偿情况下输入电压最小，功率因数最高，故采用串- 并补偿结构。根据式（1）可知，可得到补偿电容的容值C。

由于本设计中采用的发射线圈和接收线圈完全相同，所以发射端和接收端的补偿电容也应相同。

2 实验

图5 为实物演示图，表1 为此实验所得传输距离、收发功率和传输效率的实验数据。负载为120W 的节能灯（分拣线分拣板的电机功率通常为100W），通过实验证明，该系统完全适用于分拣线。

图5 实验

表1 传输距离、收发功率和传输效率实验数据

3 结论

本文以自动分拣线为应用背景对磁谐振耦合式无接触供电系统进行了研究，用理论分析的方法对系统的频率特性进行分析，讨论了抑制频率分裂的方法；用仿真验证了电路设计的可行性；用实物实验的方法检验了系统设计。实验数据较为直观的反映了系统工作情况，100W 以上的传输功率、65%的传输效率和52cm 传输距离完全适用于分拣线，证明本次设计是成功的，为传统滑触线式分拣系统提出一种新的供电方案。