【導(dǎo)讀】半自動或全自動清潔,替代傳統(tǒng)繁重的人工清潔工作,近年來已受到國內(nèi)外的研究重視。動機(jī)器人的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),具有較強(qiáng)的代表性。從市場前景角度講,自主吸塵器將大大降低勞。動強(qiáng)度、提高勞動效率,適用于家庭和公共場館的室內(nèi)清潔。因此開發(fā)自主智能吸塵器既具有?？蒲猩系奶魬?zhàn)性,又具有廣闊的市場前景。沖，對墻壁等進(jìn)行判斷；通過以單片機(jī)為核心的控制器實(shí)現(xiàn)對超聲發(fā)射和接收的選通控制，機(jī)，帶動驅(qū)動輪，從而實(shí)現(xiàn)行走轉(zhuǎn)向等功能；通過紅外線熱釋電傳感器對人的活動進(jìn)行檢測，在吸塵器行走的同時，由其自身攜帶的小型吸塵部件，對經(jīng)過。的地面進(jìn)行必要的吸塵清掃。當(dāng)吸塵器電力不足時，它會自動尋找充電插頭上發(fā)射的紅外線，找到充電后其尾部的松耦合變壓器靠近插頭實(shí)現(xiàn)充電。當(dāng)蓄電池的電充滿后自動返回未完成

　　

【正文】 外 光 源紅 外 光 源傳感器B傳感器A紅 外 光 源（ b ）（ c ）（ a ） 圖 46 紅外光源方向檢測原理圖 充電座紅外線信標(biāo)發(fā)射電路如圖 47，由兩個 LM556 來產(chǎn)生 56KHz 的紅外信號。 LM556 是555 定時器電路系列中的一個雙定時器 IC，支持兩個有效觸發(fā)，并由電阻 R1 和電容 C1 的時間 常數(shù) b決定。 紅外接收頭選用頻率為 型號，工作電壓 5V，探測距離 8 米。充電座紅外線信標(biāo)檢測電路如圖 48。 圖 47 充電座紅外信標(biāo)發(fā)射電路圖 紅外接收頭A紅外接收頭BO u t AO u t B 紅 外 線傳 感 器紅 外 線L E D接 觸 板機(jī) 器 人充 電 座方 向 引 導(dǎo)電 氣 接 觸 式 對 接 圖 48 充電座紅外信標(biāo)探測電路圖 圖 49機(jī)器人充電對接示意圖 25 對接算法 為了更好地進(jìn)行對接，將周圍區(qū)域分為對接區(qū)域和非對接區(qū)域。與充電站在同一條直線上的一定寬度的區(qū)域稱為對接區(qū)域，機(jī)器人在此區(qū)域內(nèi)進(jìn)行位姿調(diào) 整以便達(dá)到第二部分的對接誤差要求，在非對接區(qū)域只需將機(jī)器人看作是一個質(zhì)點(diǎn)機(jī)器人即可，不必考慮角度和尺寸等要求，因此將對接任務(wù)分為遠(yuǎn)程對接和近程對接。 遠(yuǎn) 程 對 接 開 始搜 索 充 電 座發(fā) 現(xiàn) 目 標(biāo)是 否 有 障 礙 物向 目 標(biāo) 移 動到 達(dá) 對 接 區(qū) 域近 程 對 接 開 始初 步 定 位精 確 定 位位 置 對 正進(jìn) 行 對 接電 壓 監(jiān) 測 正 常漫 游充 電 開 始避 障NYYNYNYNYN調(diào) 姿后 退 充 電 模 式 開 始電 池 溫 度 超 過4 0 度NY電 池 電 壓 超 過1 1 .9 V超 過 最 長 充 電 時間NYN脫 離 充 電 座返 回 先 前 任 務(wù) 圖 410移動機(jī)器人充電對接程序流程圖 遠(yuǎn)程對接： 機(jī)器人在非對接區(qū)域向?qū)訁^(qū)域的運(yùn)動稱為遠(yuǎn)程對接。因?yàn)檩喪綑C(jī)器人為非完整約束，無法橫向移動，為了方便在對接區(qū)域機(jī)器人進(jìn)行位姿調(diào)整，機(jī)器人將對接區(qū)域內(nèi)的某一點(diǎn)而不是將充電站設(shè)為遠(yuǎn)程對接目標(biāo) ，機(jī)器人在遠(yuǎn)程對接時向?qū)幽繕?biāo)點(diǎn)運(yùn)動，機(jī)器人到達(dá)對接目標(biāo)后立即轉(zhuǎn)換為近程對接。 當(dāng)機(jī)器人的充電任務(wù)被觸發(fā)后，機(jī)器人可能在環(huán)境的任何地方，此時機(jī)器人的首要任務(wù)就是尋找充電站。機(jī)器人首先根據(jù)室內(nèi)系統(tǒng)來確定對接目標(biāo)。在充電站上設(shè)置導(dǎo)航紅外線信號燈，當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入對接區(qū)域時，由紅外線信號燈來引導(dǎo)機(jī)器人調(diào)整正確的航向，確保機(jī)器人以正確的姿態(tài)進(jìn)行對接。如果到達(dá)定位系統(tǒng)顯示的目標(biāo)區(qū)域仍找不到充電座信號，則進(jìn)行漫游搜索，直到發(fā)現(xiàn)目標(biāo)信號并向目標(biāo)運(yùn)動。如果在 內(nèi)無法發(fā)現(xiàn)目標(biāo)就認(rèn)為對接失敗。 26 近程對接： 由于進(jìn)行遠(yuǎn)程對 接時將機(jī)器人看作是一個質(zhì)點(diǎn)，并沒有考慮自身姿態(tài)，所以當(dāng)機(jī)器人進(jìn)人對接區(qū)域時需要根據(jù)傳感器信息進(jìn)行位姿調(diào)整，以滿足充電位置和角度要求。需根據(jù)各自位姿進(jìn)行調(diào)整，位姿調(diào)整時最大速度為 100 mm/s。 當(dāng)機(jī)器人調(diào)整位姿到適合對接時，機(jī)器人的微控制器發(fā)出指令，進(jìn)行對接。如果機(jī)器人接觸點(diǎn)電壓達(dá)到 ，表明對接成功，則機(jī)器人開始進(jìn)行充電并監(jiān)控電源電壓狀態(tài)，如果電壓達(dá)到指定電壓說明電源已充滿，機(jī)器人將將和自動和充電座分離，并繼續(xù)執(zhí)行原來任務(wù)。如果對接失敗，機(jī)器人稍微后退后進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，然后再次進(jìn)行對接，直到對接成功 。對接算法流程示意圖如圖 410所示。 非接觸感應(yīng)能量傳輸系統(tǒng)中松耦合變壓器 松耦合感應(yīng)電能傳輸模式（ Loosely CoupledInductive Power Transfer，簡稱 LCIPT）是一種基于電磁感應(yīng)耦合理論，現(xiàn)代電力電子能量變換技術(shù)及控制理論于一體的新型電能傳輸模式。實(shí)現(xiàn)了在供電線路和用電設(shè)備之間的非物理連接下的能量傳輸 [2]。從而克服了傳統(tǒng)接觸供電方式所具有的接觸火花、碳積、磨損、不安全等一系列缺陷 [4]。目前，在大功率汽車充電系統(tǒng)和礦井等特殊場合已經(jīng)成功開始使用。 在松耦合 感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中，能量發(fā)射裝置和能量接收裝置之間一般是通過有較大距離的分離式變壓器來連接。分離式變壓器的漏感具有較高的數(shù)量級，不僅影響能量傳輸?shù)墓β屎托?，而且會加大功率器件的電壓?yīng)力。雖然通過補(bǔ)償?shù)姆绞娇梢詼p小開關(guān)器件的電壓應(yīng)力，但是遠(yuǎn)距離傳輸所帶來的耦合系數(shù)低這個問題卻沒有辦法解決，本文就以非接觸變壓器為研究對象，對其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，基于 ANSYS 仿真軟件進(jìn)行了仿真比較，并且以所設(shè)計的 1 kW 松耦合諧振變換器的松耦合變壓器進(jìn)行了測試，給出了自感、漏感和耦合系數(shù)隨氣隙變化的曲線，就仿真與實(shí)驗(yàn)的差距給出了 詳細(xì)的理論分析。 1 松耦合感應(yīng)能量傳輸 27 圖 1 耦合感應(yīng)能量傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)將單相或三相交流市電整流為直流電供給松耦合變換器，變換器的輸出經(jīng)過整流獲得直流電供給負(fù)載。對于電池負(fù)載來說，最佳方法是采用恒流充電的方式，變換器就需要采用恒流源的拓?fù)?。對于滑動式無接觸能量 傳輸系統(tǒng)，進(jìn)行長距離供電時通常需要一定的開關(guān)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)初級繞組的分段式供電，提高傳輸效率。對于整個系統(tǒng)來說，核心部分為帶有松耦合變壓器的變換器。 對于大功率充電器來說選用全橋拓?fù)浔容^合適，全橋諧振變換器的電路原理圖如圖 2 所示。 圖 2 中 Vin 為輸入電壓， S1~S4 是開關(guān)管；虛線框內(nèi)表示的就是松耦合變壓器；副邊電壓經(jīng)過整流之后供給負(fù)載。松耦合變壓器最主要的缺點(diǎn)就是漏感值比傳統(tǒng)緊耦合變壓器漏感值大得多，這樣就會在開關(guān)器件上產(chǎn)生很大的電壓尖峰。解決這個問題的方法就是加入補(bǔ)償電容使之與漏感發(fā)生諧振，漏 感在開關(guān)過程中的電壓尖峰被電容電壓完全抵消。同時，諧振電路起到了濾波的作用。原邊電路加上補(bǔ)償后原邊獲得了正弦電流，此時，對于電路的分析可以大大簡化，并且松耦合變壓器對外界的電磁干擾也降到最低。但是補(bǔ)償電容并不能增大互感值，也就是耦合系數(shù)由變壓器的結(jié)構(gòu)本身決定。因?yàn)轳詈舷禂?shù)反映了系統(tǒng)的功率傳輸能力，所以如何提高松耦合變壓器的耦合系數(shù)是研究非接觸式能量傳輸系統(tǒng)中的一個重要問題。 28 圖 2 耦合全橋變換器電路原理圖 2 松耦合變壓器 圖 3（ a）和圖 3（ b）分別為松耦合變壓器實(shí)物示意圖和原理圖。 （ a） 松耦合變壓器實(shí)物示意圖 （ b） 松耦合變壓器原理圖 圖 3 松耦合變壓器 與傳統(tǒng)變壓器的不同是在原邊磁芯和副邊磁芯之間有很大的氣隙，雖然通過補(bǔ)償?shù)姆绞娇梢詫⑤^大的漏感的影響抵消掉，但是，耦合系數(shù)卻不能提高。本文就在相同氣隙前提下如何提高兩個耦合電感的耦合系數(shù)進(jìn)行了建模仿真 , 并且根據(jù)所設(shè)計的一臺 1 kW 松 耦合全橋諧振變換器的耦合變壓器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測試，對實(shí)驗(yàn)與仿真的差異進(jìn)行了理論分析。 29 步進(jìn)電機(jī)的原理及驅(qū)動電路 步進(jìn)電機(jī)的原理 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。 雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通 的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計算機(jī)等許多專業(yè)知識 。 步進(jìn)電機(jī)分三種： 反應(yīng)式（ VR）， 永磁式（ PM）和混合式（ HB）永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為 度 或 15 度；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為 度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國家 80 年代已被淘汰；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為 度而五相步 進(jìn)角一般為 度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的 35%，且不累積。 步 進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏 130 度以上，有的甚至高達(dá)攝氏 200 度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏 8090度完全正常。 1. 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) （ 1） 結(jié)構(gòu) 電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒（ 1， 2， 3， 4， 5），電機(jī)定子有三個勵磁繞阻（ A， B， C），A 與齒 1相對齊， B與齒 2錯開 1/3 て ， C與齒 3 錯開 2/3 て ， A與齒 5 相對齊 ...。將定子和轉(zhuǎn)子展開如 圖 43 所示： 30 (圖表 43 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖 ) （ 2） 旋轉(zhuǎn) 如 A相通電， B、 C相不通電時，由于磁場作用，齒 1 與 A 對齊；如 B相 通電， A、 C相不通電時，齒 2應(yīng)與 B 對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過 1/3 て ，此時齒 3與 C偏移為 1/3 て ，齒 4 與A 偏移 2/3 て ；如 C 相通電， A、 B 相不通電，齒 3應(yīng)與 C 對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過 1/3 て ，此時齒 4與 A偏移為 1/3 て 對齊；如 A 相通電， B、 C 相不通電，齒 4與 A對齊，轉(zhuǎn)子又向右移過 1/3 て。 這樣經(jīng)過 A、 B、 C、 A分別通電，齒 4 移到 A相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距，如果不斷地按 A、 B、 C、 A...通電，電機(jī)就 向右旋轉(zhuǎn) ；如按 A、 C、 B、 A?? 通電，電機(jī)就 向左 轉(zhuǎn)。由此可見：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電脈沖數(shù)和頻率成一一對應(yīng)關(guān) 系，而方向由導(dǎo)電順序決定。 不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮，往往采用 AABBBC－ CCAA這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來每步 1/3 て 改變?yōu)?1/6 て。 甚至于通過二相電流不同的組合，使其 1/3 て 變?yōu)?1/12 て， 1/24 て ，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。但經(jīng)過理論分析及大量的實(shí)驗(yàn)證明：細(xì)分?jǐn)?shù)如果超過 10，電機(jī)帶負(fù)載后，就會產(chǎn)生跳步和失步現(xiàn)象。 不難推 出： 電機(jī)定 子上 有 m 相勵磁 繞阻 ，其 軸線分 別與 轉(zhuǎn)子 齒軸 線偏移1/m,2/m??(m 1)/m,1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能正 反轉(zhuǎn)被控制 —— 這是步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進(jìn)電機(jī)，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。 （ 3） 力矩 電機(jī)一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場（磁通量 Ф ）。當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯開一定角度時，產(chǎn)生的吸引力 F=K*dФ /dθ 成正比。其中磁通量 Ф=Br*S （ Br=N*I/R 為磁密， S 為導(dǎo)磁面積，N*I 為勵磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)） R 為磁阻 ） ，θ為錯齒量， K 為系數(shù)。可見， F與 L*D*Br成正比（ L為鐵芯有效長度， D為轉(zhuǎn)子直徑）。 力矩 =F*D/2，因此，力矩與電機(jī)有效體積 *安匝數(shù) *磁密成正比（設(shè)為線性狀態(tài) ），即電機(jī)有效 體積越大，勵磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機(jī)力矩越大，反之亦然。 式步進(jìn)電機(jī)（永磁式） 永磁 式步進(jìn)電機(jī)與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī) 31 效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)某種程度上可以看作是低速 同步電機(jī)。一個四相電機(jī)可以作四相運(yùn)行，也可以作二相運(yùn)行（必須采用雙極電壓驅(qū)動），而反應(yīng)式電機(jī)則不能如此。 一個二相電機(jī)的內(nèi)部繞組與四相電機(jī)完全一致，小功率電機(jī)一般直接接為二相，而功率大一點(diǎn)的電機(jī)，為了方便使用，靈活改變電機(jī)的動態(tài)特點(diǎn)，往往將其外部接線為八根引線（四相），這樣使用時，既可以作四相電機(jī)使用，可以作二相電機(jī)繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。 步進(jìn)電機(jī)的特性 相數(shù)：產(chǎn)生不同對極 N、 S磁場的 磁極 線圈對數(shù)，常用 m表示。 拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或 導(dǎo)電狀態(tài)用 n 表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即 ABBCCDDAAB，四相八拍運(yùn)行方式即 AABBBCCCDDDAA。 步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用 θ 表示。 θ=360 度（轉(zhuǎn)子齒數(shù) J*運(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為 50 齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時步距角為 θ=360度 /（ 50*4） = 度（俗稱整步），八拍運(yùn)行時步距角為 θ=360 度 /（ 50*8） = 度（俗稱半步）。 每轉(zhuǎn)步數(shù)：電機(jī)每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)所轉(zhuǎn)過的步數(shù)。 定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定