一种机器人宇航员的无触点无线充电系统的制作方法

1.本发明涉及机器人无线充电技术领域，具体涉及一种机器人宇航员的无触点无线充电系统。


背景技术：

2.空间站任务期间，航天员需要长期在轨驻留，需要完成飞行器的操控、在轨科学实验操作、健康保障、科学演示等一系列工作，这些工作复杂、耗时、工作量大，对航天员身体素质和心理素质有更高的要求，对空间站的工作效能产生很大的影响。
3.在航天器上，应用机器人航天员分担航天员在轨期间简单的手动操作工作，减少航天员的工作量，提高航天员的工作效率。应用机器人航天员进行精细科学试验操作，可以克服航天员失重产生的操作困难，而且操作精准，从而更加出色的完成操作任务。机器人航天员可以长期驻守舱外，替代宇航员完成风险较大的操作，提高航天员的工作效率，降低安全风险。
4.机器人航天员的位置移动、关节动作、信息收集处理与交互等操作离不开电源作为能量支撑。能量包作为能量存储装置可以让机器人航天员摆脱线缆束缚，实现无人化、智能化的即停即充、即充即走，有效提升机器人航天员的工作效能。因此，目前亟需一种充电技术，能够对能量包有效充电，同时满足能量包充电传输过程中的安全性、稳定性和空间环境适应性。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种机器人宇航员的无触点无线充电系统，能够实现机器人航天员能量包的无线充电，满足能量包充电传输过程中的安全性、稳定性和空间环境适应性，实现无人化、智能化的即停即充、即充即走，有效提升机器人航天员的工作效能。
6.为实现上述目的，本发明的技术方案为：
7.一种机器人宇航员的无触点无线充电系统，包括发射端和接收端；
8.发射端中，
9.发射端控制模块采集逆变模块的逆变电压有效值，传输给发射端载波通信模块；检测发射线圈的交流电压的相位，结合整流电压有效值和发射线圈的交流电压的相位，发出激励信号传输给逆变模块。
10.发射端载波通信模块根据逆变电压有效值调制发射端调制载波，传输给接收端载波通信模块；解调接收端调制载波得到整流电压有效值。
11.逆变模块连接航天器的直流电源，根据激励信号将直流电压转换成交流电压，传输给发射线圈。
12.发射线圈接收交流电压并传输给接收线圈。
13.接收端中，
14.接收线圈接收交流电压并传输给整流模块。
15.接收端控制模块检测到接收线圈的交流电压的相位，结合逆变电压有效值和接收线圈的交流电压的相位，产生激励信号，驱动整流模块；采集整流模块的整流电压有效值，传输给接收端载波通信模块。
16.接收端载波通信模块解调发射端调制载波得到逆变电压有效值，传输给接收端控制模块；根据整流电压有效值调制接收端调制载波，传输给发射端载波通信模块。
17.整流模块根据激励信号将交流电压转化为直流电压，传输给电池管理模块。
18.进一步的，逆变模块采用全桥逆变技术完成电压逆变；整流模块采用同步整流技术完成电压整流。
19.进一步的，能量包还包括蓄电池组，与电池管理模块连接；蓄电池组包括至少一节电池单体；电池管理模块将直流电压转化为能量包的充电电压，对能量包进行充电，具体方式为：
20.电池管理模块内设置充电电流环和电压环双环控制电路；当蓄电池组电压未达到充电电压设定值时，充电电流环进入工作状态，控制电路按照设定的电流值充电；在蓄电池组达到充电电压档位设定值后，电压环处于工作状态，电池充电进入恒压状态。
21.进一步的，电池管理模块中，充电电流环使用buck降压电路，将直流电压转化为蓄电池组的充电电压。
22.进一步的，电池管理模块还包括采样及均衡电路，持续采样蓄电池组中的电池单体的单体电压；当单体电压不平衡时，开启均衡电路，使单体电压保持一致。
23.进一步的，逆变模块和整流模块的电路设置完全相同，都采用控制器u1实现收发切换，使用4个mosfet组成全桥型拓扑实现逆变与整流功能。
24.进一步的，接收端控制模块驱动整流模块的方法为：接收端控制模块检测接收线圈的交流电压相位和逆变电压有效值，产生双路互补pwm高频的激励信号，驱动整流模块按照相位开关mosfet，实现整流。
25.发射端控制模块驱动逆变模块的方法为：发射端控制模块检测发射线圈的交流电压相位和整流电压有效值，产生双路互补pwm高频的激励信号，驱动逆变模块按照相位开关mosfet，实现逆变。
26.进一步的，接收线圈内设置高阶补偿网络；接收线圈和发射线圈为利兹线绕制的径向螺旋线圈，采用铁氧体平面磁性材料。
27.有益效果：
28.1、本发明提出一种机器人宇航员的无触点无线充电系统，包括发射端和接收端。发射端安装在航天器的充电平台上，接收端安装在空间机器人的能量包上；能量包上设置电池管理模块与接收端连接，实现电能从发射端-接收端-能量包的传递。发射端与接收端通过载波通信的方式交互整流模块和逆变模块输出的电压有效值。接收端的逆变模块将航天器母线的直流电源转换为交流电压，发送线圈与接收线圈通过交流电产生感应磁场，接收线圈通过电磁感应产生交流电，完成电能的无线且无触点传递。接收端配置电池管理模块，实现高精度充放电、均衡控制，保证电池在安全域运行。航天器与移动机器人之间能量传输无需触点连接，没有金属直接裸露在太空环境的问题，彻底消除短路、拉弧、机械接口卡死的风险；同时，本发明系统能够实现机器人航天员能量包的无线充电，满足能量包充电传输过程中的安全性、稳定性和空间环境适应性，实现无人化、智能化的即停即充、即充即
走，有效提升机器人航天员的工作效能。
29.2、本发明中采用无线电能传输技术，其中发射端与接收端有一定的角度和距离容忍度(厘米级别)，降低航天器与移动机器人之间对接的精度要求。
30.3、在整流模块和逆变模块的设计上，本发明分别采用同步整流和全桥逆变的方式，提高传输效率，降低热控负担。
31.本发明中，能量包含有蓄电池组与电池管理模块连接。电池管理模块内设置buck降压电路结构的充电电流环和电压环的双环控制电路，实现对蓄电池组的恒流-恒压充电。当蓄电池组电压未达到充电电压设定值时，充电电流环进入工作状态，控制电路按照设定的电流值充电；在蓄电池组达到充电电压档位设定值后，电压环处于工作状态，电池充电进入恒压状态。
32.4、本发明中，电池管理模块还设置一个采样及均衡电路，持续采样电池单体的单体电压；当单体电压不平衡时，开启均衡电路，使单体电压保持一致，实现均衡充电的效果，提高充电效率。采样及均衡电路还具有快速过流、过压、和过温的保护作用，保证逆变模块和蓄电池组的安全运行。
33.5、针对航天器的特殊需求，为减小重量与安装体积、提高传输效率，逆变模块和整流模块的电路设计完全相同。本发明使用全桥逆变与同步整流共用一种主电路的方式，都采用控制器u1实现收发切换，都使用4个mosfet组成全桥型拓扑实现逆变与整流功能，满足高效率、高可靠能量传输的要求。
34.6、本发明中，采用高阶补偿网络对接收线圈的松耦合变压器的自感进行补偿，降低器件应力，实现副边零相角特性，降低无功损耗，提高传输效率。
35.7、本发明中，采用载波通信的方式交互状态信息，这种方式将需要传输的电压有效值作为振幅进行调制，可以实现信号与能量的同步传输，解决充放电时各种状态信息传输数量多、码速率高的问题。
36.8、线圈采用径向螺旋线圈设计，一是在有限的空间内提高发射端和接收端之间对径向、轴向、偏移、偏转的容差能力，以获得最大的空间利用率；二是采用利兹线绕制线圈，降低高频电流在传输过程中的集肤效应；三是采用铁氧体平面磁性材料，约束磁场分布，在满足航天器力学环境前提下，减小电磁辐射；同时对系统的电路进行电磁防护，防止受到干扰源的干扰。
附图说明
37.图1为本发明系统结构图。
38.图2为发射端控制模块的结构图。
39.图3为逆变模块和整流模块的结构图。
40.图4为发射端载波通信模块和接收端载波通信模块的结构图。
41.图5为发射线圈和接收线圈的结构图。
42.图6为接收端控制模块的结构图。
43.图7为电池管理模块与蓄电池组的结构图。
具体实施方式
44.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
45.本发明应用于航天器的充电平台与空间机器人的能量包之间的充电过程。其中，发射端安装在航天器的充电平台上，接收端安装在空间机器人的能量包上；能量包上设置电池管理模块和蓄电池组；电池管理模块与接收端连接，蓄电池组与电池管理模块连接。
46.如图1所示，本发明提供了一种空间机器人的无触点无线充电系统，包括发射端和接收端；发射端包括发射端控制模块、发射端载波通信模块、逆变模块和发射线圈；接收端包括接收端控制模块、接收端载波通信模块、整流模块和接收线圈。
47.发射端中，
48.发射端控制模块采集逆变模块的电压有效值，传输给发射端载波通信模块；发射端控制模块检测发射线圈的交流电压的相位，发出激励信号传输给逆变模块。发射端控制模块接收整流模块的电压有效值，根据逆变模块的电压有效值和发射线圈的交流电压的相位，发出激励信号，调节下一时刻交流电压的相位，保持恒压的充电模式。
49.逆变模块连接航天器的直流电源，根据激励信号，按照相位开关mosfet，将直流电压转换成交流电压，传输给发射线圈。发射线圈接收交流电压并传输给接收线圈。
50.发射端载波通信模块接收发射端控制模块传输的逆变模块的电压有效值，调制发射端调制载波，经发射线圈和接收线圈耦合，传输给接收端载波通信模块；发射端载波通信模块解调接收端调制载波，得到整流模块的电压有效值，传输给发射端载波通信模块。
51.接收端中，
52.接收线圈接收交流电压并传输给整流模块；
53.接收端控制模块检测到接收线圈的交流电压的相位，产生激励信号，驱动整流模块；接收端控制模块采集整流模块的直流电压，传输给接收端载波通信模块；
54.接收端载波通信模块解调发射端调制载波，得到逆变模块的电压有效值，传输给接收端控制模块；接收端载波通信模块接收接收端控制模块传输的整流模块的电压有效值，调制接收端调制载波，经接收线圈和发射线圈耦合，传输给发射端载波通信模块；
55.整流模块根据激励信号，按照相位开关mosfet，将交流电压转化为直流电压，传输给电池管理模块。电池管理模块将直流电压转化为能量包的充电电压，对能量包进行充电。电池管理模块内设置充电电流环和电压环双环控制电路；当蓄电池组电压未达到充电电压设定值时，充电电流环进入工作状态，控制电路按照设定的电流值充电；在蓄电池组达到充电电压档位设定值后，电压环处于工作状态，电池充电进入恒压状态。电池管理模块还包括采样及均衡电路，持续采样电池单体的单体电压；当单体电压不平衡时，开启均衡电路，使单体电压保持一致。
56.如图4所示，接收端和发射端的载波通信模块均具有解调和调制功能，可以实现整流和逆变同步进行。图4中提到的ask幅移键控，相当于模拟信号中的调幅，只不过与载频信号相乘的是二进制数码。ask技术把频率、相位作为常量，把振幅作为变量，通过载波的幅度来传递信息比特。本发明中，将电压有效值作为使能，电压幅值作为变量，通过调频载波传递电压有效值。在解调时，解调电路将接收到的调频载波经过放大、滤波、包络检测以及整形后实现调频载波的解调。
57.本发明中的发射线圈和接收线圈包括两个功能，一是实现无线电能传输，二是实
现载波通信。
58.在电能传输方面：逆变模块连接航天器的直流电源，转换成交流电压，以激励发射线圈；发射线圈将交流电压传递给接收线圈，接收线圈接收交流电压，将交流电压传输给整流模块；整流模块接收交流电压，转化为直流电压。直流电压经接收端载波通信模块，传输给电池管理模块。
59.在实现载波通信方面：发射端控制模块采集逆变模块的充电电压，通过通信接口传输给发射端载波通信模块；发射端载波通信模块采用振幅键控方式调制出发射端调制载波，经发射线圈和接收线圈耦合，传输给接收端载波通信模块，实现发射端与接收端的载波通信。同样地，接收端控制模块采集整流模块的充电电压，通过通信接口传输给接收端载波通信模块；接收端载波通信模块采用振幅键控方式调制出接收端调制载波，经接收线圈和发射线圈耦合，传输给发射端载波通信模块，实现接收端与发射端的载波通信。经双环控制电路对蓄电池组进行恒流-恒压充电。
60.下面结合附图具体介绍本发明提出的系统。
61.如图2所示的一个实施例，发射端控制模块是无线能量发射端的控制中枢，包括信号调理电路、模拟开关电路、ad转换电路和微控制器。本实施例中，微控制器采用其应用的最小系统。在接收逆变模块的电压有效值之后，通过信号调理电路、模拟开关电路和ad转换电路将其数字化，利用微控制器产生激励信号，驱动逆变模块，使逆变控制模块开始对航天器母线电源的转化传递。同时，发射端控制模块也实时监测逆变模块的温度信号和电流大小，以实现安全充电。
62.如图3所示，逆变模块与整流模块共用同样的硬件电路，通过控制器u1实现收发切换，使用4个mosfet(金属-氧化物半导体场效应晶体管，本实施例中为nmos)组成的全桥型拓扑电路实现逆变与整流功能。逆变模块被驱动后，高频开关管(图3中的二极管)工作，对分流调节后形成的直流电源进行逆变，激励发射线圈。
63.发射线圈和接收线圈的具体结构，包括聚酰亚胺盖板、利兹线圈、线圈支架、铁氧体磁芯、铝环和铝盖板，其安装方式如图5所示。发射端控制模块检测到发射线圈的交流电压及其相位，由此发出激励信号，驱动相应的mosfet按照规定的相位开关，实现对交流电压高效率的逆变。同样地，接收端控制模块检测接收线圈的交流电压及其相位，由此发出激励信号，驱动相应的mosfet按照规定的相位开关，实现对交流电压高效率的整流。
64.本发明实施例中，采用径向螺旋线圈以获得最大的空间利用率；设计磁场定向磁条，增大自感，降低所需的工作频率，提升系统效率。根据具体的工程参数需求，设计线圈最大直径，螺旋线中心距离，螺旋线直径，两线圈盘之间距离，线圈总匝数等。与此同时，本发明的接收线圈内还设计设置高阶补偿网络(图1中的s/lcc补偿电容、电感部分)，以对接收线圈的松耦合变压器的自感进行补偿，降低器件应力，实现副边零相角特性，降低无功损耗，提高传输效率。
65.如图6所示，接收端控制模块是无线能量接收端的控制中枢，检测接收线圈的交流电压相位，利用微控制器产生的激励信号驱动整流模块按照相位开关mosfet，实现同步整流。同时，发射端控制模块实时检测蓄电池组的充电状态(由电池管理模块的连接)，通过信号调理电路、模拟开关电路和ad转换电路将整流模块的状态信息数字化，并控制接收端载波通信模块与发射端控制模块交互信息。同时，接收端控制模块也实时监测整流模块的温
度信号和电流大小，以实现安全充电。
66.如图7所示，电池管理模块使用buck降压电路拓扑结构，将整流模块输出的直流电压进行转换，为蓄电池提供充电功率。电池管理模块内设置充电电流环(buck降压电路-蓄电池组)和电压环(buck降压电路-蓄电池组)的双环控制电路。电池管理模块还包括采样及均衡电路，持续采样电池单体的单体电压，发送给微控制器，用于当单体电压不平衡时，使单体电压保持一致。本发明实施例中，采用三节电池单体。在工作期间，采样及均衡电路持续采样并传输单体电压给微控制器，实时监测电池单体的电压状态，而采用哪一环控制电路根据微控制器的pwm信号进行选择。当蓄电池组电压未达到充电电压设定值时，充电电流环进入工作状态，控制电路按照设定的电流值充电；在蓄电池组达到充电电压档位设定值后，电压环处于工作状态，电池充电进入恒压状态。充电电流环使用buck降压电路，将直流电压转化为蓄电池组的充电电压。
67.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。