CN105262154A - 一种水下机器人无线充电***及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水下机器人无线充电***及其控制方法，所述水下无线充电***包括耦合连接的发射端***和接收端***，所述发射端***包括了顺序连接的电源***、交流转换***以及发射端的谐振电路；述接收端***包括接收端谐振电路、接收端直流转换电路以及接收端负载匹配电路；所述能量控制方法包括机器人充电控制和充电功率控制算法，本发明利用电磁感应原理对水下机器人进行无线充电，同时设计了一种能量控制方法，实现了对水下机器人充电的控制，实现低电荷量情况下恒功率充电以及充满断电的控制。
Description
技术领域
本发明属于水下充电***及其控制技术，特别是一种水下机器人无线充电***及其控制方法。
背景技术
随着技术的普及，水下机器人的技术被越来越广泛地应用到民用领域，而对于水下机器人的供电方式较为单一，多为插拔式充电和更换电池，这种充电方式存在一系列的缺点：(1)每次插拔式充电都需要将水下机器人从水底上浮进行充电，大大缩短了水下机器人在水下的工作时间；(2)频繁的插拔式充电会使接口老化，带来安全隐患；(3)多次的电池更换大大减少了机器的寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水下机器人无线充电***及其控制方法，提高电路工作的安全性和能量的传输效率，同时对水下机器人的电池进行能量管理，增加水下机器人在水下的工作时间，无接口充电增加水下机器人的安全性，增大电池的使用寿命。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种水下机器人无线充电***，包括主电路和控制电路，所述主电路包括耦合连接的发射端主电路和接收端主电路，所述发射端主电路包括顺序连接的发射端直流电源***、发射端交流转换***以及发射端谐振电路，所述接收端主电路包括顺序连接的接收端谐振电路、接收端直流转换电路以及接收端负载匹配变换电路；
所述控制电路包括发射端控制电路和接收端控制电路，发射端控制电路包括分别连接在发射端数字信号处理器DSP上的发射端PWM驱动电路和发射端电流采样电路，该发射端电流采样电路连接在发射端谐振电路上；所述接收端控制电路包括分别连接在接收端数字信号处理器DSP上的接收端PWM驱动电路、接收端两路电压采样电路和接收端电流采样电路，所述接收端两路电压采样电路的接收端第一电压采样电路接在接收端直流转换电路的输出端，接收端第二电压采样电路串联连接在水下机器人电池正极和负极之间，所述接收端电流采样电路串联连接在水下机器人电池正极O与接收端负载匹配变换电路出书的正极P之间。
一种水下机器人无线充电***的控制方法，首先，检测发射端谐振电路的电流，通过发射端谐振电路的电流变化判定接收端是否接入电路，即负载检测，若发射端检测到接收端接入电路后，发射端数字信号处理器DSP发出充电指令，电路进入工作状态，通过发射端PWM驱动电路控制发射端交流转换***输出交流电，经过发射端谐振电路将电能传输到接收端，接收端通过接收端谐振电路接收发射端传输来的能量，并把这些能量转变为交流电输出，经过接收端直流转换电路以及接收端负载匹配电路后，对水下机器人电池进行充电，若发射端检测到接收端离开电路或者接收端水下机器人电池电量充满后，发射端数字信号处理器DSP发出停止充电的指令，并将控制发射端主电路电路回归检测模式运行；
其次，在电路工作时发射端电流采样电路对发射端谐振电路的电流进行采样，通多对发射端谐振电路的电流进行采样，通过采样电流的值与零值相比较，通过比较的值，改变发射端数字信号处理器DSP发出的PWM的频率，校正发射端交流转换***的输出频率达到发射端谐振电路的谐振频率，即进行谐振频率追踪；
再者，接收端主电路在工作时，接收端的第二电压采样电路对水下机器人的电池电压进行采样，接收端电流采样电路对水下机器人电池的充电电流进行采样，采集的电压和电流信息送给接收端数字信号处理器DSP，在接收端数字信号处理器DSP中进行处理，从而根据处理结果，发出相应的PWM信号，控制接收端对水下机器人的充电模式，实现对水下机器人的电池能量管理。
本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)设计了水下的无线充电***，实现水下机器人无接触充电。(2)利用电磁感应和负载检测电路的原理，实现了对接收端是否接入电路的检测，根据接收端接入与否适时的进入持续模式运行和检测模式运行，避免了过大的电流，提高了电路的安全性能。(3)通过对***谐振频率进行追踪，使得发射端交流转换***的输出电压频率与发射端谐振电路的谐振频率一致，提高了***能量的传输效率。(4)通过水下机器人电池能量控制实现了对水下机器人充电功率的闭环控制，实现了水下机器人的恒功率充电，并通过电量实时对机器人的充电状态进行检测。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明的水下机器人无线充电***主框架图(不包括水下机器人电池)。
图2为本发明主电路原理图。
图3为本发明中发射端控制电路原理图。
图4为本发明中接收端控制电路原理图。
图5为本发明中水下机器人电池能量管理控制逻辑原理图。
图6为本发明中负载检测流程图。
具体实施方式
结合图1，本发明水下机器人无线充电***，包括主电路和控制电路，所述主电路包括耦合连接的发射端主电路和接收端主电路，所述发射端主电路包括顺序连接的发射端直流电源***、发射端交流转换***以及发射端谐振电路，所述接收端主电路包括顺序连接的接收端谐振电路、接收端直流转换电路以及接收端负载匹配变换电路。
发射端交流转换***将发射端直流电源***输出的直流电转变(对电极点A、B间电压进行逆变，)为高频交流电，经发射端谐振电路将电能转换为场能发射，接收端谐振电路接收发射端发出的场能，并将接收到的场能转换为交流电能，经接收端直流转换电路变为直流电，经接收端负载匹配变换电路进行变换后输出对水下机器人电池充电，实现无线充电功能。
所述控制电路包括发射端控制电路和接收端控制电路，发射端控制电路包括分别连接在发射端数字信号处理器DSP上的发射端PWM驱动电路和发射端电流采样电路，该发射端电流采样电路连接在发射端谐振电路上；所述接收端控制电路包括分别连接在接收端数字信号处理器DSP上的接收端PWM驱动电路、接收端两路电压采样电路(由接收端第一电压采样电路、接收端第二电压采样电路组成)和接收端电流采样电路，所述接收端两路电压采样电路的接收端第一电压采样电路接在接收端直流转换电路的输出端，接收端第二电压采样电路串联连接在水下机器人电池正极和负极之间，所述接收端电流采样电路串联连接在水下机器人电池正极O与接收端负载匹配变换电路出书的正极P之间。数字信号处理电路可以是由dsPIC33FJ64GS606芯片及其***供电电路组成。
结合图2和图3，本发明水下机器人无线充电***的发射端交流转换***包括第一功率MOS开关管S1、第二功率MOS开关管S2、第三功率MOS开关管S3、第四功率MOS开关管S4；第一功率MOS开关管S1的漏极、第三功率MOS开关管S3的漏极与发射端直流电源***的正极A相连，第一功率MOS开关管S1的源极与第二功率MOS开关管S2的漏极相连，第三功率MOS开关管S3的源极与第四功率MOS开关管S4的漏极相连，第二功率MOS开关管S2的源极、第四功率MOS开关管S4的源极与发射端直流电源***的负极B连接，第一功率MOS开关管S1的栅极接发射端PWM驱动电路的第一路PWM信号端，第二功率MOS开关管S2的栅极接发射端PWM驱动电路的第二路PWM信号端，第三功率MOS开关管S3的栅极接发射端PWM驱动电路的第三路PWM信号端，第四功率MOS开关管S4的栅极接发射端PWM驱动电路的第四路PWM信号端。发射端数字信号处理器DSP通过发射端PWM驱动电路控制所述发射端四个功率MOS开关管动作，接收端数字信号处理器DSP通过接收端PWM驱动电路控制接收端负载匹配电路内的一个功率MOS开关管动作。
结合图2和图3，本发明水下机器人无线充电***的发射端谐振电路包括发射端谐振电容C1和发射端谐振电感L1，该发射端谐振电容C1的一端与第一功率MOS开关管S1的源极连接；发射端谐振电容C1的另一端与发射端谐振电感L1的一端连接；发射端谐振电感L1的另一端与第四功率MOS开关管S4的漏极连接。
结合图2和图4，本发明水下机器人无线充电***的接收端直流转换电路包括第一二极管VD1、第二二极管VD2、第三二极管VD3、第四二极管VD4；第一二极管VD1的阴极、第三二极管VD3的阴极与第三电感L3的一端连接，第一二极管VD1的阳极与第二二极管VD2的阴极连接，第三二极管VD3的阳极与第四二极管VD4的阴极连接，第二二极管VD2的阳极与第四二极管VD4的阳极与第五功率MOS开光管S5的源极连接。接收端直流转换电路对接收端谐振电路的输出电压进行整流，端子M、N与接收端第一电压采样电路连接。
结合图2和图4，本发明水下机器人无线充电***的接收端谐振电路包括接收端谐振电容C2和接收端谐振电感L2，该接收端谐振电容C2的一端与第一二极管VD1的阳极连接，另一端与接收端谐振电感L2的一端连接，该接收端谐振电感L2的另一端与第四二极管VD4的阴极连接。水下机器人通过接收端谐振电感L2和谐振电容C2接受发射端谐振电路传输来的场能并转变为电能，经过接收端直流转换电路和接收端负载匹配电路后给水下机器人电池充电。
结合图2和图4，本发明水下机器人无线充电***的接收端负载匹配电路包括第三电感L3、第五功率MOS开关管S5、第五二极管VD5以及第三电容C3，所述接收端直流转换电路输出的正极M与机器人电池接口正极P之间串接第三电感C3和第五二极管VD5，所述第五功率MOS开关管S5的漏极接第三电感C3和第五二极管VD5之间的电极点I，第五功率MOS开关管的源极接在接收端直流转换电路输出的负极N，第五功率MOS开关管的栅极接在接收端PWM驱动电路的第五PWM信号端，接收端负载匹配变换电路输出的正极P与负极Q之间串接第三电容C3。端子PQ与接收端第二电压采样电路连接，端子PQ两端电压、R点电流以及端子M、N两端电压用于实现机器人电池的能量管理，实现恒功率充电以及充电控制，接收端负载匹配电路对接收端直流转换电路MN端输出电压进行转换，使得输出电压等级满足机器人电池的电压等级，同时满足输入电压电流的持续性，输出经第三电容C3，得到的电压给机器人电池充电；发射端PWM驱动电路接收来自发射端数字信号处理器DSP传来的信号，驱动上述发射端第一到第四功率MOS开关管动作；接收端PWM驱动电路接收来自接收端数字信号处理器DSP传来的信号，驱动上述接收端第五功率MOS开关管动作。
结合图1至图5，本发明利用上述的水下机器人无线充电***的控制方法，首先是检测模式和持续运行模式，检测发射端谐振电路的电流，通过发射端谐振电路的电流变化判定接收端是否接入电路，即负载检测，若发射端检测到接收端接入电路后，发射端数字信号处理器DSP发出充电指令，电路进入工作状态，通过发射端PWM驱动电路控制发射端交流转换***输出交流电，经过发射端谐振电路将电能传输到接收端，接收端通过接收端谐振电路接收发射端传输来的能量，并把这些能量转变为交流电输出，经过接收端直流转换电路以及接收端负载匹配电路后，对水下机器人电池进行充电，若发射端检测到接收端离开电路或者接收端水下机器人电池电量充满后，发射端数字信号处理器DSP发出停止充电的指令，并将控制发射端主电路电路回归检测模式运行；
其次，在电路工作时发射端电流采样电路对发射端谐振电路的电流进行采样，通多对发射端谐振电路的电流进行采样，通过采样电流的值与零值相比较，通过比较的值，改变发射端数字信号处理器DSP发出的PWM的频率，校正发射端交流转换***的输出频率达到发射端谐振电路的谐振频率，即进行谐振频率追踪；
再者，接收端主电路在工作时，接收端的第二电压采样电路对水下机器人的电池电压进行采样，接收端电流采样电路对水下机器人电池的充电电流进行采样，采集的电压和电流信息送给接收端数字信号处理器DSP，在接收端数字信号处理器DSP中进行处理，从而根据处理结果，发出相应的PWM信号，控制接收端对水下机器人的充电模式，实现对水下机器人的电池能量管理。
本发明水下机器人无线充电***的控制方法中，负载检测的具体方法为：发射端主电路开始初始化时，发射端主电路处于检测模式运行，每1s运行20个周期，在每个PWM波的中点对发射端谐振电路中电感(即电极点F)上的电流进行采样，取中间的采样值，若此时的电流小于20安培，则发射端主电路转为持续模式运行，若此时电流值大于20安培，则继续检测模式运行，取中间的采样值，通过和前1秒所取的采样值相比较来决定电路的工作模式，由于接收端接入的时候，接收端的电感线圈会在发射端产生一个互感阻抗，使得发射端谐振电路电感中的电流产生2安培左右的幅值的减小。若电流采样值比前一秒采样值减小的幅值超过2安培，则证明接收端主电路接入电路，电路进入持续模式运行，电路持续工作，对水下机器人电池进行充电，在持续模式运行时，每个周期在PWM的中点处对发射端电感上的电流进行采样，每秒取一次中间值，同时，每秒进行一次比较，若检测的电流值增大幅度超过2安培，则发射端停止持续模式工作，转为检测模式运行若与前一秒的采样值相比，电流大小的变化在1安培之内，则证明接收端无动作，电路维持之前的模式运行。
在电路工作过程中，为了使电路始终处于最大功率和做大效率运行，节省了能源，还会进行谐振点追踪，在发射端电容与电感串联的发射端谐振电路中，通过比较发射端谐振电路中的电流和发射端交流转换***输出电压之间的相位差，可以得出发射端电路是否处于谐振点工作。本发明水下机器人无线充电***的控制方法中，谐振频率追踪的方法为：在每个PWM的上升沿对发射端谐振电路中电感上的电流进行采样，若采样值大于零，则证明发射端谐振电路中的电流超前发射端交流转换***的输出电压，电路呈现容性，则调大发射端交流转换***的输出电压的频率，直到电流的采样值为零；若采样值小于零，则证明发射端谐振电路中的电流滞后发射端交流转换***的输出电压，电路呈现感性，则调小发射端交流转换***的输出电压的频率，直到电流的采样值为零；若采样值等于零，则证明发射端谐振电路中的电流与发射端交流转换***的输出电压同相位，电路处于谐振点运行，因此发射端交流转换***的输出电压的频率不变。
本发明的控制过程还进行了对电池的能量管理控制，***中的功率匹配闭环电路实际上相当于一个模拟的可调负载，而由于接收端负载匹配电路的输出为水下机器人电池，电压为定值，因此本***对接收端负载匹配电路的输入电压进行控制，控制对象为占空比对输入电压的传递函数，选取了零极相消的PI控制器对其进行输入电压控制，首先，对接收端负载匹配电路的输入电压即M点与N点之间的电压进行采样，与设定值比较，经过接收端数字信号处理器DSP进行PI运算，得出一个新的PWM占空比，输出给接收端负载匹配电路，从而控制接收端负载匹配电路的输入电压，通过对接收端负载匹配电路的输入电压控制，控制了模拟负载的值，从而控制了传输功率，同时对接收端负载匹配电路输出电压和输出电流进行采样，计算实时的输出功率，通过与给定值比较，经过接收端数字信号处理器DSP进行处理，改变PWM占空比，从而改变***的输出功率，使其达到给定值，实现恒功率充电。即本发明水下机器人无线充电***的控制方法中，水下机器人的电池能量管理方法为：在电池电量低于50％时，进行充电，在电池电流高于90％时，由负载匹配变换器结束充电，即在对水下机器人进行充电时，对电池的充电功率进行控制，实现恒功率充电，具体由双环闭环控制实现：对电池的电压以及充电电流进行采样，与给定的恒定功率进行比较，其误差通过数字信号处理器DSP进行积分处理生成功率匹配变换器输入电压的参考值；对功率匹配变换器进行输入电压的控制，从而控制输出功率即电池的充电功率达到给定的恒定功率，实现恒功率充电。如图5所示，为电池能量管理控制原理图，CP为功率控制器，LUT为电池电量监测控制器，CV为电压控制器，GV为利用小信号分析法得出的控制占空比到输出电压VMN的传递函数，HV为输出电压采样电路的传递函数，此控制***旨在对电池电量的检测与管理，同时对电池充电功率的控制，实现恒功率充电，所述电池电量检测控制器LUT为查表指令，功率控制器Cp为功率计算指令，电压控制器CV，传递函数GV以及电压采样电路的传递函数HV其公式见表1(本发明中水下机器人电池能量管理控制逻辑原理图中部分控制器和控制对象的传递函数)。
表1
Claims (10)
1.一种水下机器人无线充电***，其特征在于包括主电路和控制电路，所述主电路包括耦合连接的发射端主电路和接收端主电路，所述发射端主电路包括顺序连接的发射端直流电源***、发射端交流转换***以及发射端谐振电路，所述接收端主电路包括顺序连接的接收端谐振电路、接收端直流转换电路以及接收端负载匹配变换电路；
所述控制电路包括发射端控制电路和接收端控制电路，发射端控制电路包括分别连接在发射端数字信号处理器DSP上的发射端PWM驱动电路和发射端电流采样电路，该发射端电流采样电路连接在发射端谐振电路上；所述接收端控制电路包括分别连接在接收端数字信号处理器DSP上的接收端PWM驱动电路、接收端两路电压采样电路和接收端电流采样电路，所述接收端两路电压采样电路的接收端第一电压采样电路接在接收端直流转换电路的输出端，接收端第二电压采样电路串联连接在水下机器人电池正极和负极之间，所述接收端电流采样电路串联连接在水下机器人电池正极O与接收端负载匹配变换电路出书的正极P之间。
2.根据权利要求1所述的水下机器人无线充电***，其特征在于所述的发射端交流转换***包括第一功率MOS开关管S1、第二功率MOS开关管S2、第三功率MOS开关管S3、第四功率MOS开关管S4；第一功率MOS开关管S1的漏极、第三功率MOS开关管S3的漏极与发射端直流电源***的正极A相连，第一功率MOS开关管S1的源极与第二功率MOS开关管S2的漏极相连，第三功率MOS开关管S3的源极与第四功率MOS开关管S4的漏极相连，第二功率MOS开关管S2的源极、第四功率MOS开关管S4的源极与发射端直流电源***的负极B连接，第一功率MOS开关管S1的栅极接发射端PWM驱动电路的第一路PWM信号端，第二功率MOS开关管S2的栅极接发射端PWM驱动电路的第二路PWM信号端，第三功率MOS开关管S3的栅极接发射端PWM驱动电路的第三路PWM信号端，第四功率MOS开关管S4的栅极接发射端PWM驱动电路的第四路PWM信号端。
3.根据权利要求1或2所述的水下机器人无线充电***，其特征在于所述的发射端谐振电路包括发射端谐振电容C1和发射端谐振电感L1，该发射端谐振电容C1的一端与第一功率MOS开关管S1的源极连接；发射端谐振电容C1的另一端与发射端谐振电感L1的一端连接；发射端谐振电感L1的另一端与第四功率MOS开关管S4的漏极连接。
4.根据权利要求1所述的水下机器人无线充电***，其特征在于所述的接收端直流转换电路包括第一二极管VD1、第二二极管VD2、第三二极管VD3、第四二极管VD4；第一二极管VD1的阴极、第三二极管VD3的阴极与第三电感L3的一端连接，第一二极管VD1的阳极与第二二极管VD2的阴极连接，第三二极管VD3的阳极与第四二极管VD4的阴极连接，第二二极管VD2的阳极与第四二极管VD4的阳极与第五功率MOS开光管S5的源极连接。
5.根据权利要求1或4所述的水下机器人无线充电***，其特征在于所述的接收端谐振电路包括接收端谐振电容C2和接收端谐振电感L2，该接收端谐振电容C2的一端与第一二极管VD1的阳极连接，另一端与接收端谐振电感L2的一端连接，该接收端谐振电感L2的另一端与第四二极管VD4的阴极连接。
6.根据权利要求1所述的水下机器人无线充电***，其特征在于所述的接收端负载匹配电路包括第三电感L3、第五功率MOS开关管S5、第五二极管VD5以及第三电容C3，所述接收端直流转换电路输出的正极M与机器人电池接口正极P之间串接第三电感C3和第五二极管VD5，所述第五功率MOS开关管S5的漏极接第三电感C3和第五二极管VD5之间的电极点I，第五功率MOS开关管的源极接在接收端直流转换电路输出的负极N，第五功率MOS开关管的栅极接在接收端PWM驱动电路的第五PWM信号端，接收端负载匹配变换电路输出的正极P与负极Q之间串接第三电容C3。
7.一种利用权利要求1所述的水下机器人无线充电***的控制方法，其特征在于：
首先，检测发射端谐振电路的电流，通过发射端谐振电路的电流变化判定接收端是否接入电路，即负载检测，若发射端检测到接收端接入电路后，发射端数字信号处理器DSP发出充电指令，电路进入工作状态，通过发射端PWM驱动电路控制发射端交流转换***输出交流电，经过发射端谐振电路将电能传输到接收端，接收端通过接收端谐振电路接收发射端传输来的能量，并把这些能量转变为交流电输出，经过接收端直流转换电路以及接收端负载匹配电路后，对水下机器人电池进行充电，若发射端检测到接收端离开电路或者接收端水下机器人电池电量充满后，发射端数字信号处理器DSP发出停止充电的指令，并将控制发射端主电路电路回归检测模式运行；
其次，在电路工作时发射端电流采样电路对发射端谐振电路的电流进行采样，通多对发射端谐振电路的电流进行采样，通过采样电流的值与零值相比较，通过比较的值，改变发射端数字信号处理器DSP发出的PWM的频率，校正发射端交流转换***的输出频率达到发射端谐振电路的谐振频率，即进行谐振频率追踪；
再者，接收端主电路在工作时，接收端的第二电压采样电路对水下机器人的电池电压进行采样，接收端电流采样电路对水下机器人电池的充电电流进行采样，采集的电压和电流信息送给接收端数字信号处理器DSP，在接收端数字信号处理器DSP中进行处理，从而根据处理结果，发出相应的PWM信号，控制接收端对水下机器人的充电模式，实现对水下机器人的电池能量管理。
8.根据权利要求7所述的水下机器人无线充电***的控制方法，其特征在于负载检测的具体方法为：
发射端主电路开始初始化时，发射端主电路处于检测模式运行，每1s运行20个周期，在每个PWM波的中点对发射端谐振电路中电感上的电流进行采样，取中间的采样值，若此时的电流小于20安培，则发射端主电路转为持续模式运行，若此时电流值大于20安培，则继续检测模式运行，取中间的采样值，通过和前1秒所取的采样值相比较来决定电路的工作模式，若电流采样值比前一秒采样值减小的幅值超过2安培，则证明接收端主电路接入电路，电路进入持续模式运行，电路持续工作，对水下机器人电池进行充电，在持续模式运行时，每个周期在PWM的中点处对发射端电感上的电流进行采样，每秒取一次中间值，同时，每秒进行一次比较，若检测的电流值增大幅度超过2安培，则发射端停止持续模式工作，转为检测模式运行若与前一秒的采样值相比，电流大小的变化在1安培之内，则证明接收端无动作，电路维持之前的模式运行。
9.根据权利要求7所述的水下机器人无线充电***的控制方法，其特征在于谐振频率追踪的方法为：在每个PWM的上升沿对发射端谐振电路中电感上的电流进行采样，若采样值大于零，则增加发射端交流转换***的输出电压的频率，知道电流的采样值为零；若采样值小于零，则调小发射端交流转换***的输出电压的频率，直到电流的采样值为零；若采样值等于零，因此发射端交流转换***的输出电压的频率不变。
10.根据权利要求7所述的水下机器人无线充电***的控制方法，其特征在于水下机器人的电池能量管理方法为：在电池电量低于50％时，进行充电，在电池电流高于90％时，由负载匹配变换器结束充电，即在对水下机器人进行充电时，对电池的充电功率进行控制，实现恒功率充电，具体由双环闭环控制实现：对电池的电压以及充电电流进行采样，与给定的恒定功率进行比较，其误差通过数字信号处理器DSP进行积分处理生成功率匹配变换器输入电压的参考值；对功率匹配变换器进行输入电压的控制，从而控制输出功率即电池的充电功率达到给定的恒定功率，实现恒功率充电。
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