基于开关电容的无线充电系统及往复式轨道工业机器人技术方案

本发明专利技术涉及基于开关电容的无线充电系统及往复式轨道工业机器人，包括发射线圈，与交流电源连接，实现通以交变的电流，产生高频交变磁场；第一可变电容，其与发射线圈连接，调整第一可变电容的等效容值以改变发射线圈的谐振频率；接收线圈，在高频交变磁场中感生出相同频率的电压；第二可变电容，与接收线圈连接，调整第二可变电容的等效容值以改变接收线圈的谐振频率，使得发射线圈与接收线圈在不同距离下始终处于谐振状态；蓄电池与接收线圈连接，用于储存接收线圈接收的电能，对工业机器人充电。包括上述无线充电系统的轨道工业机器人在往复运动的过程中也能始终保持在谐振状态，提高充电效率。提高充电效率。提高充电效率。

Wireless charging system based on switched capacitor and reciprocating track industrial robot

【技术实现步骤摘要】
基于开关电容的无线充电系统及往复式轨道工业机器人


[0001]本专利技术涉及位移测量
，尤其是指一种基于开关电容的无线充电系统及往复式轨道工业机器人。

技术介绍

[0002]在工业机器人被广泛应用的今天，传统的充电方式已经不足以满足当下的技术需求，频繁地插拔电线，既不安全也容易磨损，存在很大的安全隐患。
[0003]基于磁共振的无线电能传输技术，消除了由于摩擦、静电等带来的危害，提高了充电系统的可靠性和安全性，再加上其柔性好，使用寿命长，同时可以实现能量信息同传的功能，这项技术正在逐步取代有线充电技术投入到工业生产中去。
[0004]目前主要的无线充电方式有超声波、电磁辐射、电场耦合和磁场耦合四种方式，其中磁场耦合式无线电能传输技术的传输距离较远、传输功率较大、传输效率较高，且磁场对人体的危害比电场小，因此其为当前最成熟最普遍的充电方案，被广泛应用于机器人无线充电。在磁场耦合式无线电能传输技术中，对发射端的线圈通以交变的电流，产生交变的磁链。交变的磁链部分铰链到接收端的线圈。接收端的线圈通过负载形成闭合回路后，即可将电能从发射端传输给接收端的负载。这种充电方式适合于固定的短距离充电，但由于其发射端频率不变，所以发射端与接收端之间的距离是固定不变的，一旦改变两者之间的距离，电能传输效率就会大幅降低，不利于处于运动中的工业机器人的高效率工作。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于开关电容的无线充电系统及往复式轨道工业机器人。基于开关电容的无线充电系统中的发射线圈和接收线圈均连接可变电容，通过调整可变电容的等效容值，以改变发射线圈和接收线圈的谐振频率，使得发射线圈与接收线圈始终处于谐振状态。包括上述无线充电系统的轨道工业机器人在往复运动的过程中也能始终保持在谐振状态，从而提高充电效率。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供了基于开关电容的无线充电系统，其优选为用于往复式轨道工业机器人的无线充电，当然，其也可以实现各类电器的无线充电。
[0007]其特征在于，包括：发射线圈，与交流电源连接，通以交变的电流，产生高频交变磁场；第一可变电容，其与所述发射线圈连接，调整所述第一可变电容的等效容值以改变所述发射线圈的谐振频率；接收线圈，在高频交变磁场中感生出相同频率的电压；第二可变电容，与所述接收线圈连接，调整所述第二可变电容的等效容值以改变所述接收线圈的谐振频率，使得发射线圈与接收线圈在不同距离下始终处于谐振状态；蓄电池，与所述接收线圈连接，用于储存接收线圈接收的电能。
[0008]作为优选的，所述第一可变电容和第二可变电容结构相同，均包括：MCU控制器、定值电容和两个串联的场效应管；串联后的两个所述场效应管与所述定值电容并联；所述MCU控制器输出的信号输入至所述定值电容内以控制所述定值电容两端的电压值。
[0009]作为优选的，所述MCU控制器输出两路互补的PWM脉冲信号。
[0010]作为优选的，所述第一可变电容和第二可变电容的等效容值计算公式为：
[0011][0012]其中，C
SC
为对外电路等效容值，C
a
为定值电容的容值，α为PWM脉冲信号的延时角；调节所述延时角α，以改变所述第一可变电容和第二可变电容的等效容值。
[0013]作为优选的，基于开关电容的往复式轨道工业机器人无线充电系统还包括发射端电能转换组件；所述发射端电能转换组件包括：整流器、直流斩波电路和逆变器；所述整流器与所述交流电源连接，用于将工频交流电压整流为直流电压；所述整流器的输出端与所述直流斩波电路的输入端连接，所述直流斩波电路的输出端与所述逆变器的输入端连接；所述直流斩波电路用于调整输入到逆变器中的直流电压值；所述逆变器的输出端与所述发射线圈连接；所述逆变器用于将调整过的直流电压转化成谐振频率下的交流电压。
[0014]作为优选的，所述发射端电能转换组件还包括：ARM供电控制器和距离传感器；所述距离传感器的输出端与所述ARM供电控制器的输入端连接，所述ARM供电控制器的输出端与所述斩波电路和逆变器均连接；其中，所述距离传感器用于采集发射线圈与接收线圈之间的距离，基于所述距离传感器采集的数据，所述ARM供电控制器调整所述斩波电路和逆变器的输出值。
[0015]作为优选的，所述无线充电接收端还包括：桥式整流器，所述蓄电池通过桥式整流器与所述接收线圈连接；所述桥式整流器用于将所述接收线圈上的交流电整流为直流电，为所述蓄电池充电。
[0016]基于开关电容的无线充电方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、提供交流电压，利用预设的发射线圈通以交变的电流，产生高频交变磁场；S2、利用预设的接收线圈在高频交变磁场中感生出相同频率的电压并转化成电能对工业机器人充电；S3、改变所述接收线圈和发射线圈的谐振频率，以使得发射线圈与接收线圈在不同传输距离下始终处于谐振状态；S4、储存所述接收线圈接收的电能。
[0017]作为优选的，基于所述接收线圈和发射线圈之间的距离，调节接收线圈和发射线圈的谐振频率，实现所述发射线圈与接收线圈在不同距离时均能保持电能的高效传输。
[0018]一种往复式轨道工业机器人，作为优选的，包括所述的基于开关电容的无线充电系统。
[0019]本专利技术的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
[0020]本专利技术在原有传统无线充电装置的基础上，增加第一可变电容和第二可变电容；第一可变电容与发射线圈连接，调整第一可变电容的等效容值以改变所述发射线圈的谐振频率，第二可变电容与接收线圈连接，调整第二可变电容的等效容值以改变接收线圈的谐振频率，使得发射线圈与接收线圈在不同距离下始终处于谐振状态。
[0021]包括上述无线充电系统的轨道工业机器人在往复运动的过程中也能始终保持在谐振的充电状态，有效提高充电效率。
附图说明
[0022]上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，
而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本专利技术的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，下面根据本专利技术的具体实施例并结合附图，对本专利技术作进一步详细的说明，其中：
[0023]图1为本专利技术的无线充电系统结构示意图；
[0024]图2为本专利技术第一可变电容和第二可变电容的结构示意图；
[0025]图3为本专利技术无线充电系统的闭环控制框图。
[0026]说明书附图标记说明：101
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交流电源，102
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稳流电容，103
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整流器，104
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直流斩波电路，105
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逆变器，106
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ARM供电控制器，107
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第一可变电容，108
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发射线圈，109
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距离传感器，110
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接收线圈，111
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第二可变电容，112
‑
桥式整本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于开关电容的无线充电系统，其特征在于，包括：发射线圈，与交流电源连接，通以交变的电流，产生高频交变磁场；第一可变电容，其与所述发射线圈连接，调整所述第一可变电容的等效容值以改变所述发射线圈的谐振频率；接收线圈，在高频交变磁场中感生出相同频率的电压；第二可变电容，与所述接收线圈连接，调整所述第二可变电容的等效容值以改变所述接收线圈的谐振频率，使得发射线圈与接收线圈在不同距离下始终处于谐振状态；蓄电池，与所述接收线圈连接，用于储存接收线圈接收的电能。2.根据权利要求1所述的基于开关电容的无线充电系统，其特征在于，所述第一可变电容和第二可变电容结构相同，均包括：MCU控制器、定值电容和两个串联的场效应管；串联后的两个所述场效应管与所述定值电容并联；所述MCU控制器输出的信号输入至所述定值电容内以控制所述定值电容两端的电压值。3.根据权利要求2所述的基于开关电容的无线充电系统，其特征在于，所述MCU控制器输出两路互补的PWM脉冲信号。4.根据权利要求3所述的基于开关电容的无线充电系统，其特征在于，所述第一可变电容和第二可变电容的等效容值计算公式为：其中，C
SC
为对外电路等效容值，C
a
为定值电容的容值，α为PWM脉冲信号的延时角；调节所述延时角α，以改变所述第一可变电容和第二可变电容的等效容值。5.根据权利要求1所述的基于开关电容的无线充电系统，其特征在于，还包括发射端电能转换组件；所述发射端电能转换组件包括：整流器、直流斩波电路和逆变器；所述整流器与所述交流电源连接，用于将工频交流电压整流为直流电压；所述整流器的输出端与所述直流斩波电路的输入端连接，所述直流斩波电路的输出端与所述逆变...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖扬，曹海朝，杨勇，何立群，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：