自動化分揀線無接觸供電系統的設計

劉鵬宇 劉紅兵

（太原科技大學 電子信息工程學院，山西 太原030024）

所謂自動分揀是指通過分揀系統將商品按照類別、發送目的地等條件進行分類的過程[1]。傳統的分揀系統采用滑觸線方式供電，但是滑觸線有很多弊端，壽命短，維護成本較高，而且還限制了分揀速度[2]。

故本文以自動化分揀線為應用背景探究無接觸供電系統的實現，在每個載物盤和分揀格口下安裝電能收發線圈，當分揀系統識別物品走到對應格口時，發射線圈通電，接收線圈得電，載物盤將物品彈出到格口，以此實現分揀。因為不存在摩擦，所以用無接觸供電沒有任何損耗，提高分揀速度的同時大大減少了維護時間和成本。

目前的無接觸供電技術主要分為四種：磁感應耦合式、磁諧振耦合式、微波輻射式、激光式。磁諧振耦合式作為本文研究的重點，最早提出于2006 年10 月的美國物理學會工業物理論壇上，美國麻省理工學院（MIT），Marin Soljacic 的科研小組提出該理論，并在2007 年運用磁諧振耦合原理在2m 左右距離點亮一盞60W 的白熾燈[3]；而在國內，在該領域的研究起步較晚，研究機構也集中于重慶大學、浙江大學、東南大學、哈爾濱工業大學等少數高等院校和科研院所。

1 系統硬件設計

1.1 降壓電路

本路采用15V 直流供電，考慮到為后續芯片的邏輯電源供電，故設計5V 的降壓電路，選取7805 三端穩壓集成芯片完全滿足本文設計要求，降壓電路原理圖如圖1 所示。

圖1 降壓電路

1.2 PWM發生電路

常見的無接觸供電系統采用SG3525 等集成PWM 控制芯片生成PWM，而本設計采用信號發生器生成，但是用信號發生器只產生一路PWM信號，通過圖2 電路生成兩路互補信號的同時，施加死區時間。其中采用74HC14 高速CMOS 器件，該器件有六路施密特觸發反相器。

圖2 PWM 發生電路

1.3 驅動電路

故本設計采用全橋逆變拓撲結構。而為了增強驅動信號、提高驅動能力，選用IR2110 驅動器，采用兩片IR2110 能夠合成H 全橋功率MOS 管驅動器，如圖3 所示。

當HO 為高電平時，C31 通過VB 和VS 端形成回路放電，C31 充當電源的作用，使VT3 導通。由于HIN 和LIN 是一對互補輸入信號，所以此時LIN 為低電平，聚集在VT4 柵極和源極的電荷通過芯片LO 和COM端內部、R17 快速對地放電，由于施加的死區時間，使VT4 在VT3 開通前迅速關斷。當HO 為低電平時，聚集在VT3 柵極和源極的電荷在芯片內部通過R15 迅速放電使VT3 關斷，經過短暫的死區時間LO 為高電平，使VCC 經過R17 與VT4 的柵極和源極形成回路，對C31 進行充電，之后循環往復。

1.4 線圈和補償電路

收發線圈和補償電路的設計決定著整個系統的工作頻率和傳輸效率。頻率越高對系統的要求越高。在頻率確定的情況下，線圈的電感值和補償電容的容值成反比，但是如果線圈電感值太小，會使系統的傳輸功率降低，所以在設計收發線圈時，一定要保證一定的電感值。

圖3 H 全橋驅動電路

本設計采用的收發線圈如圖4 所示，直徑18cm，遠小于分揀板尺寸（長80cm，寬60cm），由22 股0.4mm 的漆包銅絲絞合而成的2.5mm 銅線繞制27 匝得到，電感值為140μH 這種多股絞合的結構減小了直流電阻，既降低了電流的熱效應損耗，又減小了自身的渦流損耗。在線圈背面安裝6 片磁條，用以減小漏磁。

圖4 收發線圈實物圖

補償電路作為電路發生諧振的關鍵一環，結構和容值的選擇至關重要。由于串- 并補償情況下輸入電壓最小，功率因數最高，故采用串- 并補償結構。根據式（1）可知，可得到補償電容的容值C。

由于本設計中采用的發射線圈和接收線圈完全相同，所以發射端和接收端的補償電容也應相同。

2 實驗

圖5 為實物演示圖，表1 為此實驗所得傳輸距離、收發功率和傳輸效率的實驗數據。負載為120W 的節能燈（分揀線分揀板的電機功率通常為100W），通過實驗證明，該系統完全適用于分揀線。

圖5 實驗

表1 傳輸距離、收發功率和傳輸效率實驗數據

3 結論

本文以自動分揀線為應用背景對磁諧振耦合式無接觸供電系統進行了研究，用理論分析的方法對系統的頻率特性進行分析，討論了抑制頻率分裂的方法；用仿真驗證了電路設計的可行性；用實物實驗的方法檢驗了系統設計。實驗數據較為直觀的反映了系統工作情況，100W 以上的傳輸功率、65%的傳輸效率和52cm 傳輸距離完全適用于分揀線，證明本次設計是成功的，為傳統滑觸線式分揀系統提出一種新的供電方案。