【導(dǎo)讀】半自動(dòng)或全自動(dòng)清潔,替代傳統(tǒng)繁重的人工清潔工作,近年來(lái)已受到國(guó)內(nèi)外的研究重視。動(dòng)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(chǎng)前景角度講,自主吸塵器將大大降低勞。動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)效率,適用于家庭和公共場(chǎng)館的室內(nèi)清潔。因此開(kāi)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(chǎng)前景。沖，對(duì)墻壁等進(jìn)行判斷；通過(guò)以單片機(jī)為核心的控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲發(fā)射和接收的選通控制，機(jī)，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪，從而實(shí)現(xiàn)行走轉(zhuǎn)向等功能；通過(guò)紅外線熱釋電傳感器對(duì)人的活動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，在吸塵器行走的同時(shí)，由其自身攜帶的小型吸塵部件，對(duì)經(jīng)過(guò)。的地面進(jìn)行必要的吸塵清掃。當(dāng)吸塵器電力不足時(shí)，它會(huì)自動(dòng)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(mǎn)后自動(dòng)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(cè)原理圖 充電座紅外線信標(biāo)發(fā)射電路如圖 47，由兩個(gè) LM556 來(lái)產(chǎn)生 56KHz 的紅外信號(hào)。 LM556 是555 定時(shí)器電路系列中的一個(gè)雙定時(shí)器 IC，支持兩個(gè)有效觸發(fā)，并由電阻 R1 和電容 C1 的時(shí)間 常數(shù) b決定。 紅外接收頭選用頻率為 型號(hào)，工作電壓 5V，探測(cè)距離 8 米。充電座紅外線信標(biāo)檢測(cè)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(duì) 接 圖 48 充電座紅外信標(biāo)探測(cè)電路圖 圖 49機(jī)器人充電對(duì)接示意圖 25 對(duì)接算法 為了更好地進(jìn)行對(duì)接，將周?chē)鷧^(qū)域分為對(duì)接區(qū)域和非對(duì)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(chēng)為對(duì)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(duì)接誤差要求，在非對(duì)接區(qū)域只需將機(jī)器人看作是一個(gè)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(duì)接任務(wù)分為遠(yuǎn)程對(duì)接和近程對(duì)接。 遠(yuǎn) 程 對(duì) 接 開(kāi) 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(dòng)到 達(dá) 對(duì) 接 區(qū) 域近 程 對(duì) 接 開(kāi) 始初 步 定 位精 確 定 位位 置 對(duì) 正進(jìn) 行 對(duì) 接電 壓 監(jiān) 測(cè) 正 常漫 游充 電 開(kāi) 始避 障NYYNYNYNYN調(diào) 姿后 退 充 電 模 式 開(kāi) 始電 池 溫 度 超 過(guò)4 0 度NY電 池 電 壓 超 過(guò)1 1 .9 V超 過(guò) 最 長(zhǎng) 充 電 時(shí)間NYN脫 離 充 電 座返 回 先 前 任 務(wù) 圖 410移動(dòng)機(jī)器人充電對(duì)接程序流程圖 遠(yuǎn)程對(duì)接： 機(jī)器人在非對(duì)接區(qū)域向?qū)訁^(qū)域的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為遠(yuǎn)程對(duì)接。因?yàn)檩喪綑C(jī)器人為非完整約束，無(wú)法橫向移動(dòng)，為了方便在對(duì)接區(qū)域機(jī)器人進(jìn)行位姿調(diào)整，機(jī)器人將對(duì)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(duì)接目標(biāo) ，機(jī)器人在遠(yuǎn)程對(duì)接時(shí)向?qū)幽繕?biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人到達(dá)對(duì)接目標(biāo)后立即轉(zhuǎn)換為近程對(duì)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(shí)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(lái)確定對(duì)接目標(biāo)。在充電站上設(shè)置導(dǎo)航紅外線信號(hào)燈，當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入對(duì)接區(qū)域時(shí)，由紅外線信號(hào)燈來(lái)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(duì)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(hào)，則進(jìn)行漫游搜索，直到發(fā)現(xiàn)目標(biāo)信號(hào)并向目標(biāo)運(yùn)動(dòng)。如果在 內(nèi)無(wú)法發(fā)現(xiàn)目標(biāo)就認(rèn)為對(duì)接失敗。 26 近程對(duì)接： 由于進(jìn)行遠(yuǎn)程對(duì) 接時(shí)將機(jī)器人看作是一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，并沒(méi)有考慮自身姿態(tài)，所以當(dāng)機(jī)器人進(jìn)人對(duì)接區(qū)域時(shí)需要根據(jù)傳感器信息進(jìn)行位姿調(diào)整，以滿(mǎn)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(shí)最大速度為 100 mm/s。 當(dāng)機(jī)器人調(diào)整位姿到適合對(duì)接時(shí)，機(jī)器人的微控制器發(fā)出指令，進(jìn)行對(duì)接。如果機(jī)器人接觸點(diǎn)電壓達(dá)到 ，表明對(duì)接成功，則機(jī)器人開(kāi)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(shuō)明電源已充滿(mǎn)，機(jī)器人將將和自動(dòng)和充電座分離，并繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)任務(wù)。如果對(duì)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(duì)接，直到對(duì)接成功 。對(duì)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(jiǎn)稱(chēng) 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(chē)充電系統(tǒng)和礦井等特殊場(chǎng)合已經(jīng)成功開(kāi)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(guò)有較大距離的分離式變壓器來(lái)連接。分離式變壓器的漏感具有較高的數(shù)量級(jí)，不僅影響能量傳輸?shù)墓β屎托剩視?huì)加大功率器件的電壓應(yīng)力。雖然通過(guò)補(bǔ)償?shù)姆绞娇梢詼p小開(kāi)關(guān)器件的電壓應(yīng)力，但是遠(yuǎn)距離傳輸所帶來(lái)的耦合系數(shù)低這個(gè)問(wèn)題卻沒(méi)有辦法解決，本文就以非接觸變壓器為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，基于 ANSYS 仿真軟件進(jìn)行了仿真比較，并且以所設(shè)計(jì)的 1 kW 松耦合諧振變換器的松耦合變壓器進(jìn)行了測(cè)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(guò)整流獲得直流電供給負(fù)載。對(duì)于電池負(fù)載來(lái)說(shuō)，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)?。?duì)于滑動(dòng)式無(wú)接觸能量 傳輸系統(tǒng)，進(jìn)行長(zhǎng)距離供電時(shí)通常需要一定的開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)初級(jí)繞組的分段式供電，提高傳輸效率。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，核心部分為帶有松耦合變壓器的變換器。 對(duì)于大功率充電器來(lái)說(shuō)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(kāi)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(guò)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(huì)在開(kāi)關(guān)器件上產(chǎn)生很大的電壓尖峰。解決這個(gè)問(wèn)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(kāi)關(guān)過(guò)程中的電壓尖峰被電容電壓完全抵消。同時(shí)，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(shí)，對(duì)于電路的分析可以大大簡(jiǎn)化，并且松耦合變壓器對(duì)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(gè)重要問(wèn)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(guò)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(gè)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(jì)的一臺(tái) 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(cè)試，對(duì)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(dòng)電路 步進(jìn)電機(jī)的原理 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)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(hào)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(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)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(wú)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(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)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(hào)、功率驅(qū)動(dòng)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(jì)算機(jī)等許多專(zhuān)業(yè)知識(shí) 。 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(dòng)都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)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(guò)高首先會(huì)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(lái)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(gè)勵(lì)磁繞阻（ A， B， C），A 與齒 1相對(duì)齊， B與齒 2錯(cuò)開(kāi) 1/3 て ， C與齒 3 錯(cuò)開(kāi) 2/3 て ， A與齒 5 相對(duì)齊 ...。將定子和轉(zhuǎn)子展開(kāi)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(shí)，由于磁場(chǎng)作用，齒 1 與 A 對(duì)齊；如 B相 通電， A、 C相不通電時(shí)，齒 2應(yīng)與 B 對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子向右移過(guò) 1/3 て ，此時(shí)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(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過(guò) 1/3 て ，此時(shí)齒 4與 A偏移為 1/3 て 對(duì)齊；如 A 相通電， B、 C 相不通電，齒 4與 A對(duì)齊，轉(zhuǎn)子又向右移過(guò) 1/3 て。 這樣經(jīng)過(guò) 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(guò)一個(gè)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(jiàn)：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電脈沖數(shù)和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān) 系，而方向由導(dǎo)電順序決定。 不過(guò)，出于對(duì)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(lái)每步 1/3 て 改變?yōu)?1/6 て。 甚至于通過(guò)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(dòng)的基本理論依據(jù)。但經(jīng)過(guò)理論分析及大量的實(shí)驗(yàn)證明：細(xì)分?jǐn)?shù)如果超過(guò) 10，電機(jī)帶負(fù)載后，就會(huì)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(lì)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(chǎng)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(chǎng)（磁通量 Ф ）。當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯(cuò)開(kāi)一定角度時(shí)，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(lì)磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)） R 為磁阻 ） ，θ為錯(cuò)齒量， K 為系數(shù)?？梢?jiàn)， F與 L*D*Br成正比（ L為鐵芯有效長(zhǎng)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(lì)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(chǎng)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(shì)，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動(dòng)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(gè)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(dòng)），而反應(yīng)式電機(jī)則不能如此。 一個(gè)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(dòng)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(shí)，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(duì)極 N、 S磁場(chǎng)的 磁極 線圈對(duì)數(shù)，常用 m表示。 拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)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(guò)一個(gè)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(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)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(shí)步距角為 θ=360度 /（ 50*4） = 度（俗稱(chēng)整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為 θ=360 度 /（ 50*8） = 度（俗稱(chēng)半步）。 每轉(zhuǎn)步數(shù)：電機(jī)每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)所轉(zhuǎn)過(guò)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