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什么是电源系统

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电源系统(Power System)是由整流设备、直流配电设备、蓄电池组、直流变换器、机架电源设备等和相关的配电线路组成的总体。电源系统为各种电机提供各种高、低频交、直流电源，维护电机系统的平稳运行。

开关电源工作原理—简介

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顾名思义，开关电源就是利用电子开关器件(如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等)，通过控制电路，使电子开关器件不停地“接通”和“关断”，让电子开关器件对输入电压进行脉冲调制，从而实现DC/AC、DC/DC电压变换，以及输出电压可调和自动稳压。开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比有源电力滤波器 主电路，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。

开关电源工作原理—结构

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开关电源大致由主电路、开关电源控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成

亚博AG娱乐1、主电路冲击电流限幅：限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。输入滤波器：其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分。输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。2、控制电路一方面从输出端取样，与设定值进行比较，然后去控制逆变器，改变其脉宽或脉频，使输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对电源进行各种保护措施。3、检测电路提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。4、辅助电源实现电源的软件(远程)启动，为保护电路和控制电路(PWM等芯片)工作供电。

开关电源工作原理—分类

开关电源一般有三种工作模式：频率、脉冲宽度固定模式，频率固定、脉冲宽度可变模式，频率、脉冲宽度可变模式。前一种工作模式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换;后两种工作模式多用于开关稳压电源。另外，开关电源输出电压也有三种工作方式：直接输出电压方式、平均值输出电压方式、幅值输出电压方式。同样，前一种工作方式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换;后两种工作方式多用于开关稳压电源。开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化;AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。DC/DC变换DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton(通用)，二是频率调制方式有源电力滤波器 主电路，ton不变，改变Ts(易产生干扰)。其具体的电路由以下几类：1) Buck电路——降压斩波器，其输出平均电压U0小于输入电压Ui，极性相同。2) Boost电路——升压斩波器，其输出平均电压U0大于输入电压Ui，极性相同。

3) Buck-Boost电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。4) Cuk电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反，电容传输。当今软开关技术使得DC/DC发生了质的飞跃，美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器，其最大输出功率有300W、600W、800W等，相应的功率密度为(6.2、10、17)W/cm3，效率为(80～90)%。日本NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列，其开关频率为(200～300)kHz，功率密度已达到27W/cm3，采用同步整流器(MOSFET代替肖特基二极管)，使整个电路效率提高到90%。AC/DC变换AC/DC变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准(如UL、CCEE等)及EMC指令的限制(如IEC、、FCC、CSA)，交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制AC/DC电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作损耗增大，限制了AC/DC变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。AC/DC变换按电路的接线方式可分为，半波电路、全波电路。按电源相数可分为，单相、三相、多相。按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。

开关电源工作原理—原理

开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的(在导通时，电压低，电流大;关断时，电压高，电流小)/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。

解释上图：市电(交流电)入口进去的第一部分称为一级EMI，主要负责内部电路与外部电源之间的过渡，在一级EMI旁边还有二级EMI，这些一二级EMI主要起到电路保护作用，比如当外部电源有波动的时候，一二级EMI会减少内部冲突，从而保护电源内部的硬件不容易受到损坏，另外当电源内部硬件出现不稳定，一二级EMI可以抑制内部波动冲击外部电路，以免影响其他电器的正常使用，简单来说一二级EMI相当于一层滤网有源电力滤波器 主电路，防止双向冲击，对于一款合格的开关电源来说，一二级EMI都是必要的，当对于山寨低价电源来说，往往为了节省成本，省去了一二级EMI，尽管不影响电源功能，但对于电源的稳定性以及干扰外部电源还是有影响的。一二级EMI电路过后，就到了整流部分了，这里主要有一个由四个整流二极管组建的整流桥堆，其功能是实现，将交流电转变成为直流电。其之后就是高压滤波电路了，这里会看到有一个或者两个大电容，以电感线圈等，主要负责进来的交流电进行滤波，由于外部交流电频率可能波动较大，通过电容与线圈进行滤波，可以得到比较平滑的直主流电。再往下就是中间部分了，在电源的中间是变压器部分。由于开关电源有多路输出，包括3.3V、5V、12V等等，因此需要变压器，将前面的直流电分成几组输出电压。在变压器之后的下面，就是电源输出部分了。(引用电子产品世界）

经典巡线机器人电源系统研究

机器人巡线是指用机器人携带检测通信仪器沿 全线路行驶作业，并由机器人完成对线路运行故障的检测和对安全事故隐患的巡视，并将所检测的信息实时向地面传送，由地面进行分析处理。在常规地面运作时，一般采用小型蓄电池定时更换方式。但是，高压输电线路分布在野外，跨越山川湖泊，巡线机器人作业时，能量消耗大，而现场没有可供充电的电源，并且在巡线过程中频繁的更换蓄电池会造成诸多不便，该因素会极大的限制巡线机器人的广泛应用。为此，本文研究了通过感应取电的方式为机器人提供电源的供电系统。

系统结构

为实现上述目的，设计铁芯和线圈从高压线路上获取电能，获取的电能通过开关电源转换为稳流源，并通过充电使能电路向镍氢电池充电，同时，充电控制电路对电池电压监控以控制充电方式、是否充电、是否停机有源电力滤波器 主电路，并将信息传送给巡线机器人主控制系统。

工作原理

按照电磁场理论，环绕工作状态的高压输电线 路存在着交变磁场，根据电磁感应定律，磁场中的回路将产生感应电流。在近似认为输电线路为无限长的前提下，输电线路所产生的磁场的磁通线为围绕它的同心圆。如，输电线路中的电流为I1,根据安培环路定理可以推出距输电线距离为r的空间任一点磁场强度的大小为：

磁感应强度为：

B的方面与中心位于导线上的圆相切，并垂直 于导线的平面。 如果将机器人等为一个电阻R,则由感应线圈与机器人组成的回路中将产生电流I2，等效图见图1。

机器人电源系统研究的核心内容是如何高效率 地从输电线路四周的磁场能量转换为电能，其中关键部分是铁芯和线圈的设计。

电源系统的构成

铁芯及线圈铁芯的特性及身体尺寸对感应装置输出功率的影响很大，如图2所示，高压输电线路可视为只有一匝的初始绕组，按电磁感应定律，R两端的感应电动势的有效值为：

由式（4）可知，由于受机器人体积的限制，在S一定的情况下，应选择合适的铁芯材料以提高磁感应强度是提高输出功率的途径。 高压输电线路中的电流受负载的影响而不断变化，峰值电流是谷值电流的数百倍。在如此大的变化范围之内，为保证能为机器人连续供电，取电装置必须在较小的电流时便能取得较高的能量，并且随着电流不断增加而增大。对应于铁芯，则要求其应具有较高的初始磁导率及较高的饱和磁感应强度。在目前使用的软磁材料中，由于硅钢片具有较大的饱和磁感应强度及叠片系数，能取得较大的功率，故取其作为铁芯材料。

为了避免磁场损耗，铁芯应是一个整体，以保证磁路中无气隙。但由于高压输电线路无断点，同时，机器人在行进过程中需悬垂子、平衡锤等障碍。铁芯必须设计成可以分合的两部分，在正常工作时两部分合为一体，跨越障碍时需通过机械手将其分开。

从式（1）、 （2）中同样可知，取电装置所取功率同时受线圈匝数的影响。取能装置若要取得最大能量，则P1及P2应同时达到最大值，此时应满足P1=P2，由此可推出。此时，取电装置能取得最大功率。此关系是在忽略漏磁、气隙、励磁电流的情况下推出的，为了验证其准确性，我们单独对线圈匝数进行了试验。实验时，输电线路电流I1=210A,此时，根据硅钢的磁 化曲线可查得有源电力滤波器 主电路，B≈1.8T，负载等效电阻R=800 Ω，电流频率f=50Hz，理论计算值为N=738。试验数据见表1。

可以看出，在700匝左右时，功率达到最大值，与理论值相近。

充电及控制电路

铁芯和线圈从高压线路上获取的电能通过开关电源转换为稳流源，并通过充电使能电路向镍氢电池充电，同时，充电控制电路对电池电压监控以控制充电方式、是否充电、是否停机，并将信息传送给巡线机器人主控制系统，图3是系统控制流程图。

开关电源电路

开关电源中采用半桥变换电路进行降压，如图4所示。为方便说明，场效应管的开关控制用两个开关代替（swdip22），开关S1和S2交替导通，当S1导通时，S2断开，然后反之。稳态条件下，在C1= C2时，S1导通时，C1上的1/2VS加在原边线圈上， 副边绕组电压使D2导通。经占空比所定时间后，S1关断，S2导通，副边绕组电压使D1导通。场效应管的开关控制是由KA7500B芯片9,10,12脚来控制的，控制电路利用变压器耦合，驱动MOSFET,驱动BG3、BG4和BG7、BG8组成了桥式推挽功率放大电路。通过9脚输出高电平时，10脚为低电平，BG4、BG7导通。变压器TF1流过正向电流。变压器TF1一次绕组上的电压为反向，大小为从整流桥过来的总电压的一半，如图5所示。

10脚输出高电平时，9脚为低电平，BG8、BG3 导通。变压器TF1流过反向电流。变压器TF1一 次绕组上的电压为正向，大小同样为从整流桥过来的总电压的一半。

充电控制电路

设计的充电电路须在电压至峰值电压时，停止 充电，以防电池过充电；并且在充电快完成时，应使用C/102C/15进行补充充电，以防止由于电池的弱极化。 充电使能电路如图6所示，SR24是继电器，CTL+,CTL-连接到线圈的输出端，78L15为运放提供稳定的15V电源。使能电路的核心是CA3140,本电路不能采用开环比较器电路，因为，镍 氢电池在充电时也要工作，其 dv dt 的特性可能变化很大，ca3140接成schmitt触发器的形式。

图7是充电控制电路，由CA3140组成schmitt 触发器，稳压管的主要作用是稳定输出电压的幅值，为三极管提供合适工作点。R5是保护电阻，起限流作用。两个光隔，分别用于强制快充使能端和快速充电检测，为机器人提供充电信息。

机器人过障时电机提供的功率较大，充电电流可能小于放电电流，为避免电池的过放电而损坏电池，设计的保护电路，如图8所示。

当蓄电池两端电压低于24V时，由于稳压管的 非线性，三级管Q1基极的电位趋于0，Q1反相截止，电流经R5，D2流入光隔D3，产生LOW信号，提示机器人停机充电。当蓄电池电压高于24V时，则Q1导通，电流由R5流入三极管Q1。机器人需要输出32V,7A;24V,4A;12V,3A;5V,2A四路电压，选用DC/DC模块电源，把电池输 出端的电压转换成以上四种电压。

亚博AG娱乐本文对机器人电源系统进行了理论分析和实际设计，主要阐述了感应取电装置各参数（铁芯磁性参数、几何尺寸、线圈匝数等）对取电功率的影响，从理论上推出他们之间的关系，根据理论分析结果，进行了相应的试验；同时，对电源系统的控制电路及充电电路工作原理进行详细的介绍。本系统研制，对于高压作业设备的电能供给问题，是一个很好的 解决方案。