無接觸供電在導軌式自動導向小車的研究

劉衡祁

（武漢理工大學 自動化學院，湖北武漢 430070）

無接觸供電在導軌式自動導向小車的研究

劉衡祁

（武漢理工大學 自動化學院，湖北武漢 430070）

隨著工業(yè)化進程的日益推進，對物料傳送設備的自動化水平要求越來越高，自動導向小車（Automated Guided Vehicle， AGV）因其高柔性、易擴展等優(yōu)點而得到了迅猛發(fā)展和廣泛應用。AGV由于采用可充電蓄電池供電，因此使用就受到蓄電池固有缺陷的制約，在線工作時間受到極大的限制，導致AGV的利用率下降。本項目以工業(yè)物料輸送系統(tǒng)中典型的自動導向小車（AGV）為應用對象，闡述了無接觸供電技術的基本原理、發(fā)展過程以及研究現(xiàn)狀，探討了將無接觸供電技術應用到AGV的可行性和優(yōu)勢。

AGV 無接觸供電 應用

隨著工業(yè)化進程的日益推進，對物料傳送設備的自動化水平要求越來越高，自動導向小車（Automated Guided Vehicle， AGV）因其高柔性、易擴展等優(yōu)點而得到了迅猛發(fā)展和廣泛應用。AGV由于采用可充電蓄電池供電，因此使用就受到蓄電池固有缺陷的制約，在線工作時間受到極大的限制，導致AGV的利用率下降。隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，自動化物料輸送裝備對供電技術提出了更高的要求，傳統(tǒng)供電方式由于其固有的局限性已經難以滿足新的要求。而無接觸供電技術（CPS）依靠其安全、可靠、高效、靈活等特點，適應了物流自動化發(fā)展的最新要求。

1 項目的研究內容

1.1 感應式耦合無線電能傳輸機理（ICPT）

ICPT是以耦合的電磁場為媒介實現(xiàn)電能傳遞，對于AGV用ICPT，是將耦合線圈原邊導軌、副邊繞組分置于車外地面上和車內底盤上，通過高頻磁場的耦合傳輸電能。該系統(tǒng)主要由發(fā)射部分、感應耦合和接收部分組成。其原理如圖1所示。發(fā)射部分從電網獲取電能后經過整流濾波獲得直流電，進入逆變器中進行高頻逆變，產生的高頻交變電流在信號控制電路的控制下經過一次側諧振電路后注入原邊導軌，在臨近空間產生高頻交變磁通；位于車底盤的副邊繞組在靠近原邊導軌空間通過感應耦合高頻交變磁通獲取感應電動勢，同時在信號控制電路的控制下經過整流濾波以及穩(wěn)壓調節(jié)，從而實現(xiàn)為AGV提供電能。此系統(tǒng)本質上相當于變壓器的疏松耦合系統(tǒng)，其一次側、二次側之間通過電磁感應實現(xiàn)電能傳輸，因氣隙導致的耦合系數(shù)的降低，可以由提高一次側輸入電源的頻率加以補償。AGV感應式耦合無接觸供電系統(tǒng)示意圖如圖2。

1.2 松耦合變壓器等效模型

AGV感應耦合無接觸供電系統(tǒng)的耦合線圈相當于一個松耦合變壓器，變壓器的一側放在地面，另一側安裝在車底盤上，通過中間幾十厘米的距離傳輸能量。由于原副邊距離較大，所以耦合系數(shù)非常小，不同于傳統(tǒng)的緊耦合變壓器，AGV的耦合線圈具有較大的漏感。

描述松耦合變壓器的模型有漏感等效模型和互感等效模型，漏感等效模型如圖3所示。

圖2 AGV無接觸供電系統(tǒng)結構

圖3 松耦合變壓器的漏感模型

圖4 松耦合變壓器的互感模型

圖5 原邊LCL副邊LC并聯(lián)的拓撲結構圖

如圖3所示，忽略變壓器原、副邊繞組的等效電阻。Ls1和Ls2為原副邊漏感值，Lm為勵磁電感，漏感等效模型將漏感和勵磁電感分開來分析。

圖6 程序流程圖

圖7 實施方案

松耦合變壓器的互感等效模型如圖4所示。

忽略變壓器原、副邊繞組的等效電阻。Lp與Ls分別為原、副邊自感，M為互感，-jωMIs為副邊磁場在原邊的感應電壓，jωMIp為原邊磁場在副邊的感應電壓。通過互感模型對松耦合變壓器解耦，可以對原副邊單獨進行分析。

從磁的角度分析，兩個模型的主要區(qū)別在于計算中的磁通劃分不同；從電感的角度分析，漏感等效模型側重對漏感和激磁電感的分析，互感等效模型側重對互感和自感的分析，用互感來描述變壓器原、副邊的耦合關系，而在系統(tǒng)設計時，需要對原副邊自感整體分析進行電容補償，因此互感等效模型不將勵磁電感和漏感分開討論。因此采用互感等效模型對耦合線圈進行分析相對簡單。

1.3 原邊LCL副邊LC并聯(lián)的補償拓撲結構

如圖5所示，電感L1、L2和電容C1構成LCL結構，當L1和C1的諧振頻率等于開關頻率時，流過原邊導軌的電流Ip為恒定的正弦，不受負載和耦合系數(shù)變化的影響，使得副邊有穩(wěn)定的電能，便于給AGV供能。電容Cp與Lp串聯(lián)，可以減小無功功率，提高電路整體的功率因數(shù)。副邊電容Cs和自感Ls諧振，在合適的參數(shù)設計下，可以很好地實現(xiàn)軟開關，減小開關損耗，提高整體電路效率。因此，決定采用LCL和LC并聯(lián)的方式。

1.4 基于DSP控制的原邊恒流

為了滿足將來實用AGV無接觸供電系統(tǒng)的性能需求，項目目前擬采用DSP：TMS320F28335作為控制核心，以便提高系統(tǒng)的可擴展性。圖6為軟件流程圖，程序實現(xiàn)過程如下：

根據(jù)電流傳感器的信號電流與原邊導軌電流的對應關系，預先設定電流基準，每個PWM周期結束時，進行A/D采樣，進入中斷服務程序；在中斷服務程序中，將A/D采樣值與電流基準值比較，根據(jù)不同情況，確定調整方式，依據(jù)設定的算法進行調節(jié)。

1.5 PWM控制芯片實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出

本穩(wěn)壓方案中開關轉換器的控制方式采用最基本的電壓型控制，屬于單閉環(huán)負反饋控制方式。BUCK轉換器的輸出電壓采樣以后，與給定的基準電壓相比較，產生變化的 PWM，驅動功率開關管，實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定調節(jié)。

1.6 耦合線圈的仿真設計及優(yōu)化研究

補償電容僅僅是為了提高功率傳輸能力，但是并不能改善線圈的耦合性能。而優(yōu)化耦合線圈的結構，可以提高能量的傳輸效率，并一定程度上減小電力電子器件的應力。因此優(yōu)化耦合線圈結構的研究具有重要的意義。耦合線圈之間的磁場效應也是整個無接觸式供電的核心和理論基礎，研究耦合線圈的磁場狀況是項目的關鍵部分。通過Ansys仿真軟件，進行仿真模擬，設計線圈結構，使得線圈耦合程度增強。

············

2 項目研究的實施方案及研究方法

2.1 項目研究的實施方案

AGV無接觸式供電裝置的技術指標和參數(shù)：輸入電壓：三相AC380V，頻率（50±2）Hz；額定輸出功率：3.3kW；輸出穩(wěn)壓值：直流400V。

電網輸出三相交流電經過三相PFC電路，提高功率因數(shù)和電能質量，給后級電路提供穩(wěn)定的直流輸入。經過全橋逆變結構，直流電轉變?yōu)楦哳l交流電，流過耦合線圈原邊導軌，在臨近空間產生高頻交變磁通，位于AGV底盤的副邊線圈在靠近原邊導軌空間通過感應耦合高頻交變磁通獲取感應電動勢，補償整流穩(wěn)壓后給AGV供電。發(fā)射部分控制：對原邊導軌電流隔離采樣，反饋到DSP控制中心，產生驅動信號控制逆變橋，實現(xiàn)原邊導軌的恒流。接收部分的控制：對負載電壓采樣反饋到PWM控制芯片實現(xiàn)輸出電壓恒定。

2.2 項目的研究方法

（1）拾電器電磁機構設計的研究方法：以電磁場理論、磁性材料知識、變壓器原理以及磁路設計原理為理論基礎，針對AGV的應用提出研究指標，Ansoft Maxwell有限元電磁場仿真軟件為工具，最后設計開發(fā)電磁機構實物進行實驗測試與驗證。

（2）拾電器電能處理電路設計的研究方法：以諧振電路、整流濾波電路和穩(wěn)壓電路相關理論為基礎，在Simulink中對電路進行仿真，設計并驗證電路拓撲的合理性。配合電路設計軟件Altium Designer進行電路設計，完成實物電路制作并加以測試與驗證。

3 結語

本研究項目旨在通過感應耦合式電能傳輸技術實現(xiàn)AGV的無接觸供電，相比于傳統(tǒng)導線連接進行供電的方式，其最大優(yōu)點是安全，可以避免接觸火花和導線裸露造成的安全隱患，即使在惡劣的氣候下，如雨雪天，給AGV供電也無觸電的危險；其次是便利，采用無接觸式供電方式節(jié)省充電樁占用的大量土地，使AGV供電不再是制約其發(fā)展的困局。本項目通過感應耦合式電能傳輸技術對AGV供電，促進無接觸供電技術的發(fā)展與進步。

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