一种水下机器人无线充电系统及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水下充电系统及其控制技术，特别是一种水下机器人无线充电系统及 其控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着技术的普及，水下机器人的技术被越来越广泛地应用到民用领域，而对于水 下机器人的供电方式较为单一，多为插拔式充电和更换电池，这种充电方式存在一系列的 缺点：（1)每次插拔式充电都需要将水下机器人从水底上浮进行充电，大大缩短了水下机 器人在水下的工作时间；（2)频繁的插拔式充电会使接口老化，带来安全隐患；（3)多次的 电池更换大大减少了机器的寿命。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种水下机器人无线充电系统及其控制方法，提高电路工 作的安全性和能量的传输效率，同时对水下机器人的电池进行能量管理，增加水下机器人 在水下的工作时间，无接口充电增加水下机器人的安全性，增大电池的使用寿命。
[0004] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种水下机器人无线充电系统，包括主电路 和控制电路，所述主电路包括耦合连接的发射端主电路和接收端主电路，所述发射端主电 路包括顺序连接的发射端直流电源系统、发射端交流转换系统以及发射端谐振电路，所述 接收端主电路包括顺序连接的接收端谐振电路、接收端直流转换电路以及接收端负载匹配 变换电路；
[0005] 所述控制电路包括发射端控制电路和接收端控制电路，发射端控制电路包括分别 连接在发射端数字信号处理器DSP上的发射端PWM驱动电路和发射端电流采样电路，该发 射端电流采样电路连接在发射端谐振电路上；所述接收端控制电路包括分别连接在接收端 数字信号处理器DSP上的接收端PWM驱动电路、接收端两路电压采样电路和接收端电流采 样电路，所述接收端两路电压采样电路的接收端第一电压采样电路接在接收端直流转换电 路的输出端，接收端第二电压采样电路串联连接在水下机器人电池正极和负极之间，所述 接收端电流采样电路串联连接在水下机器人电池正极〇与接收端负载匹配变换电路出书 的正极P之间。
[0006] -种水下机器人无线充电系统的控制方法，首先，检测发射端谐振电路的电流，通 过发射端谐振电路的电流变化判定接收端是否接入电路，即负载检测，若发射端检测到接 收端接入电路后，发射端数字信号处理器DSP发出充电指令，电路进入工作状态，通过发射 端PWM驱动电路控制发射端交流转换系统输出交流电，经过发射端谐振电路将电能传输到 接收端，接收端通过接收端谐振电路接收发射端传输来的能量，并把这些能量转变为交流 电输出，经过接收端直流转换电路以及接收端负载匹配电路后，对水下机器人电池进行充 电，若发射端检测到接收端离开电路或者接收端水下机器人电池电量充满后，发射端数字 信号处理器DSP发出停止充电的指令，并将控制发射端主电路电路回归检测模式运行；
[0007] 其次，在电路工作时发射端电流采样电路对发射端谐振电路的电流进行采样，通 多对发射端谐振电路的电流进行采样，通过采样电流的值与零值相比较，通过比较的值，改 变发射端数字信号处理器DSP发出的PWM的频率，校正发射端交流转换系统的输出频率达 到发射端谐振电路的谐振频率，即进行谐振频率追踪；
[0008] 再者，接收端主电路在工作时，接收端的第二电压采样电路对水下机器人的电池 电压进行采样，接收端电流采样电路对水下机器人电池的充电电流进行采样，采集的电压 和电流信息送给接收端数字信号处理器DSP，在接收端数字信号处理器DSP中进行处理，从 而根据处理结果，发出相应的PWM信号，控制接收端对水下机器人的充电模式，实现对水下 机器人的电池能量管理。
[0009] 本发明与现有技术相比，其显著优点：（1)设计了水下的无线充电系统，实现水下 机器人无接触充电。（2)利用电磁感应和负载检测电路的原理，实现了对接收端是否接入 电路的检测，根据接收端接入与否适时的进入持续模式运行和检测模式运行，避免了过大 的电流，提高了电路的安全性能。（3)通过对系统谐振频率进行追踪，使得发射端交流转换 系统的输出电压频率与发射端谐振电路的谐振频率一致，提高了系统能量的传输效率。（4) 通过水下机器人电池能量控制实现了对水下机器人充电功率的闭环控制，实现了水下机器 人的恒功率充电，并通过电量实时对机器人的充电状态进行检测。
[0010] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
【附图说明】
[0011] 图1为本发明的水下机器人无线充电系统主框架图（不包括水下机器人电池）。
[0012] 图2为本发明主电路原理图。
[0013] 图3为本发明中发射端控制电路原理图。
[0014] 图4为本发明中接收端控制电路原理图。
[0015] 图5为本发明中水下机器人电池能量管理控制逻辑原理图。
[0016] 图6为本发明中负载检测流程图。
【具体实施方式】
[0017] 结合图1，本发明水下机器人无线充电系统，包括主电路和控制电路，所述主电路 包括耦合连接的发射端主电路和接收端主电路，所述发射端主电路包括顺序连接的发射端 直流电源系统、发射端交流转换系统以及发射端谐振电路，所述接收端主电路包括顺序连 接的接收端谐振电路、接收端直流转换电路以及接收端负载匹配变换电路。
[0018] 发射端交流转换系统将发射端直流电源系统输出的直流电转变（对电极点A、B间 电压进行逆变，）为高频交流电，经发射端谐振电路将电能转换为场能发射，接收端谐振电 路接收发射端发出的场能，并将接收到的场能转换为交流电能，经接收端直流转换电路变 为直流电，经接收端负载匹配变换电路进行变换后输出对水下机器人电池充电，实现无线 充电功能。
[0019] 所述控制电路包括发射端控制电路和接收端控制电路，发射端控制电路包括分别 连接在发射端数字信号处理器DSP上的发射端PWM驱动电路和发射端电流采样电路，该发 射端电流采样电路连接在发射端谐振电路上；所述接收端控制电路包括分别连接在接收端 数字信号处理器DSP上的接收端PWM驱动电路、接收端两路电压采样电路（由接收端第一 电压采样电路、接收端第二电压采样电路组成）和接收端电流采样电路，所述接收端两路 电压采样电路的接收端第一电压采样电路接在接收端直流转换电路的输出端，接收端第二 电压采样电路串联连接在水下机器人电池正极和负极之间，所述接收端电流采样电路串联 连接在水下机器人电池正极〇与接收端负载匹配变换电路出书的正极P之间。数字信号处 理电路可以是由dsPIC33FJ64GS606芯片及其外围供电电路组成。
[0020] 结合图2和图3,本发明水下机器人无线充电系统的发射端交流转换系统包括第 一功率M0S开关管S1、第二功率M0S开关管S2、第三功率M0S开关管S3、第四功率M0S开 关管S4 ;第一功率M0S开关管S1的漏极、第三功率M0S开关管S3的漏极与发射端直流电 源系统的正极A相连，第一功率M0S开关管S1的源极与第二功率M0S开关管S2的漏极相 连，第三功率M0S开关管S3的源极与第四功率M0S开关管S4的漏极相连，第二功率M0S开 关管S2的源极、第四功率M0S开关管S4的源极与发射端直流电源系统的负极B连接，第一 功率M0S开关管S1的栅极接发射端PWM驱动电路的第一路PWM信号端，第二功率M0S开关 管S2的栅极接发射端PWM驱动电路的第二路PWM信号端，第三功率M0S开关管S3的栅极 接发射端PWM驱动电路的第三路PWM信号端，第四功率M0S开关管S4的栅极接发射端PWM 驱动电路的第四路PWM信号端。发射端数字信号处理器DSP通过发射端PWM驱动电路控制 所述发射端四个功率M0S开关管动作，接收端数字信号处理器DSP通过接收端PWM驱动电 路控制接收端负载匹配电路内的一个功率M0S开关管动作。
[0021] 结合图2和图3,本发明水下机器人无线充电系统的发射端谐振电路包括发射端 谐振电容C1和发射端谐振电感L1，该发射端谐振电容C1的一端与第一功率M0S开关管S1 的源极连接；发射端谐振电容C1的另一端与发射端谐振电感L1的一端连接；发射端谐振 电感L1的另一端与第四功率M0S开关管S4的漏极连接。
[0022] 结合图2和图4,本发明水下机器人无线充电系统的接收端直流转换电路包括第 一二极管VD1、第二二极管VD2、第三二极管VD3、第四二极管VD4 ;第一二极