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面向移动机器人的低频无线充电技术研究

田浩  
【摘要】:无线充电技术对机器人的智能化发展起了很大的作用,可以保证机器人自行完成所有的工作。本文设计了一个小功率、低频率、针对中小型移动机器人的无线充电系统,系统的频率是10k Hz,传输功率在百瓦以上,传输距离30mm,线圈尺寸在100mm*100mm以内,发射端电路板与接收端电路板均在100mm*100mm以内,效率要求达到80%以上,这种系统在大小上完全适合机器人使用,因为其不会占机器人太多内部空间,并且频率低、辐射小、价格低,便于向商品化发展。本课题对LC串联系统、LCL谐振系统以及LCL谐振系统中采用不同感值之间的区别做了分析比较,通过原理研究和公式推导得出了发射端分别是LCL谐振系统与LC串联谐振的电路耦合公式,确定在低频率、小型化的无线充电系统中使用发射端LCL、接收端LC串联的耦合谐振结构可以很好地提高系统的效率,增强系统的鲁棒性。结合仿真与实验来验证系统输入输出电压电流范围,确定应用全桥逆变电路并选取满足系统耐压耐流参数的器件,通过内置PWM信号发射芯片控制逆变电路的输出频率。对耦合线圈的不同匝数、不同距离以及不同偏移进行仿真,得到了耦合系统的自感与耦合系数。使用BUCK电路控制接收端对电池恒流充电,并研究BUCK电路在无线电能传输系统接收端中的特性,通过仿真与实验验证方案的可行性。系统的闭环设计采用控制芯片STM32,闭环控制的主要部分是PI调节,通过检测充电电流来调节BUCK电路的占空比,从而对电池进行恒流充电。本文分析了在不同位移、不同传输距离、不同BUCK电路占空比以及系统无负载时的系统特性,对这四种情况进行仿真与实验,以此为根据设计出系统闭环控制策略,保证闭环程序对系统偏移、母线电压变化有良好的鲁棒性。


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