水下機(jī)器人無線充電系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

逯玉明

摘 要 水下機(jī)器人充電裝置主電路共分4個(gè)模塊，分別為發(fā)送側(cè)電路、接收側(cè)電路、輔助電源及電壓電流采樣電路。發(fā)送側(cè)電路主要包括高頻逆變電路和DSP控制電路；接收側(cè)電路包括全橋整流電路和升壓電路以及DSP控制電路；輔助電源主要是為傳感器及DSP供電；電壓電流采樣電路主要是為了升壓變換器輸入電壓采樣，實(shí)現(xiàn)對(duì)其輸入電壓的控制。

關(guān)鍵詞 水下機(jī)器人；DSP控制電路；電壓采樣電路

中圖分類號(hào) TP242.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2017）05-0053-02

1 發(fā)送側(cè)主電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的發(fā)送側(cè)主要涉及高頻逆變和耦合諧振部分，直流電源作為輸入經(jīng)過高頻逆變，轉(zhuǎn)變成高頻交流電，通入線圈與電容的諧振電路，為達(dá)到最大的諧振頻率以得到最大的輸出交流電壓幅值，發(fā)送側(cè)逆變的頻率和串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的自然頻率相等為33kHz，逆變器選取為帶反并聯(lián)二極管的MOSFET功率管，以IR2101s為開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)芯片dsPIC33FJ64GS606為控制單元。

2 接收側(cè)主電路設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)接收側(cè)，電感耦合過來的電壓經(jīng)過全橋整流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鳎麟娐凡捎肕OSFET功率管的反并聯(lián)二極管作為整流管，整流后的直流電作為升壓變換器輸入，升壓變換器升壓后給電池充電，因需要控制升壓變換器的輸入為不同的電壓等級(jí)，采用PI控制算法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，用dsPIC33FJ64GS606為控制單元，開關(guān)頻率設(shè)定為50kHz，采樣頻率為10kHz對(duì)升壓變換器的輸入電壓進(jìn)行采樣。

3 水下無線功率傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中使用RX-3010D-II型直流電源作為發(fā)送側(cè)逆變器的輸入和輔助電路的電源，48V鉛酸蓄電池作為負(fù)載。無線功率傳輸樣機(jī)由發(fā)送側(cè)逆變器、發(fā)送側(cè)諧振網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送側(cè)線圈、接收側(cè)線圈、接收側(cè)整流器和匹配變換器（BOOST變換器）各部分組成。

實(shí)驗(yàn)具體步驟為：設(shè)置系統(tǒng)的輸入電壓為20V，BOOST變換器的輸入電壓為17V，分別采取線圈之間的距離為35mm、40mm、45mm、50mm、55mm、60mm、65mm、70mm、75mm、80mm、85mm來測(cè)量數(shù)據(jù)，系統(tǒng)效率計(jì)算公式為η=Pout/Pin。

觀察示波器，記錄水下傳輸靜態(tài)傳輸測(cè)試波形如圖1所示，發(fā)現(xiàn)發(fā)送側(cè)電壓超前電流，說明發(fā)送側(cè)電路呈感性。

4 線圈錯(cuò)位測(cè)試

水下機(jī)器人在停放充電的時(shí)候，并不可能完全與發(fā)送線圈對(duì)齊，所以針對(duì)錯(cuò)位問題做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，研究在負(fù)載錯(cuò)位的情況下，對(duì)傳輸功率以及效率的影響。錯(cuò)位有兩種形式的錯(cuò)位，一種是平行錯(cuò)位；另一種是傾斜錯(cuò)位，下面針對(duì)這兩種錯(cuò)位形式做測(cè)試分析。

4.1 平行錯(cuò)位測(cè)試

平行錯(cuò)位分兩種形式，具體如圖3所示，即沿著線圈的橫向和縱向錯(cuò)位，實(shí)驗(yàn)以20mm為步長(zhǎng)進(jìn)行錯(cuò)位，選擇了30mm的傳輸距離進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果如圖4所示：

圖4中，（a）為功率隨橫向錯(cuò)位距離變化曲線；（b）為效率隨橫向錯(cuò)位距離變化曲線；（c）為功率隨縱向錯(cuò)位距離變化曲線；（d）為效率隨縱向錯(cuò)位距離變化曲線由圖可知系統(tǒng)的傳輸功率隨著位移的增大而增大，這和距離增大導(dǎo)致輸入輸出增大時(shí)類似的，但是系統(tǒng)的效率幾乎不變。這個(gè)結(jié)果對(duì)于水下無線功率傳輸可知系統(tǒng)的傳輸功率隨著位移的增大而增大，這和距離增大導(dǎo)致輸入輸出增大時(shí)類似的，但是系統(tǒng)的效率是幾乎不變。

從理論角度分析，可以知道，在進(jìn)行橫向錯(cuò)位時(shí)，每移一次變化的面積是大于橫向錯(cuò)位的，也就是說，漏磁較多，從而導(dǎo)致了效率的降低。這個(gè)結(jié)果對(duì)于水下無線功率傳輸無疑是有益的。

同樣，在測(cè)試了50mm傳輸距離下的錯(cuò)位情況，發(fā)現(xiàn)結(jié)果和30mm基本一致，排除個(gè)別實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差。至此，所以得到的結(jié)論是，在系統(tǒng)穩(wěn)定傳輸?shù)那闆r下，一定平行錯(cuò)位對(duì)系統(tǒng)的傳輸效率無太大影響。

當(dāng)使系統(tǒng)恒定功率輸出時(shí)，觀察效率的變化。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將輸出功率控制在200W，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行橫向錯(cuò)位時(shí)，效率降低的較快，但是系統(tǒng)仍然保持較好的傳輸效率，總體在60%以上；在進(jìn)行縱向錯(cuò)位時(shí)，效率降低的較慢。從理論角度分析，可以知道，在進(jìn)行橫向錯(cuò)位時(shí)，每移一次變化的面積是大于橫向錯(cuò)位的，也就是說，漏磁較多，從而導(dǎo)致了效率的降低。

4.2 傾角錯(cuò)位測(cè)試

平行錯(cuò)位分兩種具體形式如圖5所示，傾斜錯(cuò)位時(shí)以5°為步長(zhǎng)，依據(jù)實(shí)際情況，測(cè)試三組數(shù)據(jù)。

具體如圖6所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，測(cè)得的結(jié)果和平行錯(cuò)位變化趨勢(shì)基本一致，輸入輸出功率增大，效率保持幾乎不變，由此可以得出，傾角錯(cuò)位是對(duì)效率的影響較小的。

圖6中左側(cè)為功率傾斜角度變化曲線，右側(cè)為效率變化曲線，當(dāng)控制輸出功率恒定時(shí)，效率是有明顯的降低的，具體如圖7所示。

5 結(jié)論

綜上所述，得到的結(jié)論是：在傳輸?shù)那闆r下，一定的傾斜和平行錯(cuò)位對(duì)系統(tǒng)的傳輸效率無大影響。當(dāng)恒定功率輸出時(shí)，雖然效率降低較為明顯，但是仍然保持60%以上的效率。

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