變電站巡檢機(jī)器人的充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

管文龍 車金峰 付 淵

（貴陽供電局，貴州 貴陽550000）

0 引言

隨著我國電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行越來越受到重視。尤其在近年來大力發(fā)展的超高壓、特高壓輸電系統(tǒng)中，安全問題更受重視。變電站巡檢機(jī)器人的誕生大大提高了工作效率和質(zhì)量，降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度和危險(xiǎn)。機(jī)器人執(zhí)行巡檢任務(wù)時(shí)時(shí)刻查詢電池電量，當(dāng)電量降到輸出下限時(shí)，機(jī)器人返回充電系統(tǒng)，完成機(jī)器人電能自動(dòng)補(bǔ)給，對(duì)在無人參與下機(jī)器人自動(dòng)進(jìn)行充電完成機(jī)器人電能補(bǔ)給成為變電站巡檢機(jī)器人的一項(xiàng)重要研究課題。

1 鋰離子電池的工作原理

鋰離子電池以碳素材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子。鋰離子電池是以鋰離子嵌入化合物為正極材料的電池的總稱。鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中，同時(shí)伴隨著與鋰離子等當(dāng)量的電子的嵌入和脫嵌（習(xí)慣上正極用嵌入或脫嵌表示，負(fù)極用插入或脫插表示）。在充放電過程中，鋰離子在正、負(fù)極之間往返嵌入／脫嵌和插入／脫插，被形象地稱為“搖椅電池”。

鋰離子電池能量密度大，平均輸出電壓高；自放電小，每月在10%以下；沒有記憶效應(yīng)；工作溫度范圍為－20～60℃；循環(huán)性能優(yōu)越，可快速充放電，充電效率高達(dá)100%，而且輸出功率大；使用壽命長，沒有環(huán)境污染，被稱為“綠色電池”。

2 充電系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)采用ATmega128 A為中央處理器，設(shè)計(jì)時(shí)充分利用了其自身集成豐富的內(nèi)外設(shè)資源，簡化了外部電路，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。設(shè)計(jì)上，變電站巡檢機(jī)器人的充電系統(tǒng)主要包括采集電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電源模塊、激光傳感器接收電路和通信模塊等。

2.2 電源電路設(shè)計(jì)

電源電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

12 V電源由24 V電源隔離模塊URB2412YMD經(jīng)過濾波電容產(chǎn)生，為5 V電源模塊、電壓輸出開關(guān)電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路提供工作電壓。5 V電源由12 V非隔離穩(wěn)壓模塊7805產(chǎn)生，為保證電源質(zhì)量，后又經(jīng)過典型LC－π濾波電路處理，使得紋波小于100 mV，提高了模擬電源的抗干擾性。

圖1 充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 電源電路圖

2.3 對(duì)接機(jī)構(gòu)電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)選用42兩相四線步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用德州儀器（TI）的DRV8824步進(jìn)電機(jī)控制器IC為集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。德州儀器（TI）的DRV8824集成芯片是PWM微步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)置微索引器，片上可進(jìn)行1／32微步、1／16微步、1／8微步、1／4微步、1／2微步細(xì)分，24 V 時(shí)最大驅(qū)動(dòng)電流為1.6 A，工作電壓范圍為8～45 V。對(duì)接機(jī)構(gòu)電機(jī)控制電路如圖3所示，采用DRV8824典型電路，1／16微步控制，電流限制在1 A以下。單片機(jī)I／O端口PB0、PB1、PB2設(shè)置細(xì)分模式，PC0輸出可控的PWM波形，可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。待單片機(jī)檢測到對(duì)接狀態(tài)為“1”時(shí)，控制電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，完成充電對(duì)接動(dòng)作。

圖3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

2.4 采集電路設(shè)計(jì)

圖4 為電池電壓檢測電路，接收電路主要由儀表放大器AD620構(gòu)成。儀表放大器 AD620為 ADI（Analog Devices，Inc）公司研發(fā)出的單片IC儀表放大器，內(nèi)部經(jīng)典的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)有效減小了共模輸入的干擾，增益可以由外界1腳和8腳連接電阻控制，公式為G＝＋1，在8腳和1腳電阻不接時(shí)，放大倍數(shù)是1，使得單片機(jī)采集的模擬信號(hào)失真變小，大大提高了采集精度。

圖4 電池電壓檢測電路圖

2.5 通信電路設(shè)計(jì)

通信電路采用的ADM3251E是ADI公司推出的基于其專利i Coupler和iso Power磁隔離技術(shù)的RS－232隔離器，在性能、功耗、體積等各方面都有傳統(tǒng)光電隔離器（光耦）無法比擬的優(yōu)勢。它的功耗僅為光電耦合器的1／10～1／6，具有比光電耦合器更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、時(shí)序精度和瞬態(tài)共模抑制能力，大大提高了通信的質(zhì)量和正確性。

3 充電系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件程序包括初始化程序、定時(shí)器程序和串口通信程序等。程序運(yùn)行流程如圖5所示。

該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于變電站巡檢機(jī)器人，無故障運(yùn)行時(shí)間在1年以上，現(xiàn)場返回信息說明該系統(tǒng)運(yùn)行正常。

4 結(jié)語

該充電系統(tǒng)通過硬件和軟件設(shè)計(jì)上的一些優(yōu)化措施，成功解決了變電站存在的復(fù)雜的強(qiáng)電磁干擾問題，能夠保障系統(tǒng)正常工作。在變電站巡檢機(jī)器人完成巡檢任務(wù)的過程中，該系統(tǒng)能保障機(jī)器人能量供給正常，大大提高了機(jī)器人的智能性，使

圖5 程序運(yùn)行流程

得無人值守變成可能，也使減少人的工作成為可能。

［1］孫國凱，韓剛.變電站巡檢方式對(duì)比及其智能巡檢機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)［J］.電氣時(shí)代，2008（7）

［2］魯守銀，錢慶林，張斌，等.變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人的研制［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006（13）