一种应用于防爆机器人的无线充电装置的制作方法

本实用新型属于无线充电装置领域，具体涉及一种应用于防爆机器人的无线充电装置。

背景技术：

随着科学技术的发展，在大型的石油化工企业以及一些特殊场合运用的特种机器人越来越多。防爆机器人作为特种机器人中的一种，在高危场所的工作中发挥着重要作用。防爆机器人采用车载蓄电池组为其提供运行能量，随着运行时间的增多，防爆机器人上的蓄电池组储存的电能逐渐减小，这就需要定时给蓄电池组补充电能。当防爆机器人在易燃、易爆的环境下需要充电时，充电过程需要满足国家ⅡC防爆要求。目前，防爆机器人一般采用的是在安全区域的非防爆手动充电形式，这就限制了防爆机器人的智能化程度。

无线能量传输技术可以解决许多有线供电中存在的问题，如灵活方便性较差、导体接触部分容易磨损、容易产生火花、供电线外露可能带来的安全隐患等问题。而在众多无线能量传输技术方案中，电磁共振方案又是近年来提出的、被认为是最具潜力的一项实用性方案。由于其高效、安全、可控、无辐射等诸多优点而在多领域有着广泛的应用。现有的无线充电装置大多是对手机、平板等移动终端进行充电，充电功率小，效率低；应用在防爆机器人领域的无线充电装置则较少。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对上述存在的问题和不足，提出一种结构简单、充电功率大，充电效率高，能够在防爆环境下工作、安全可靠的应用于防爆机器人的无线充电装置。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种应用于防爆机器人的无线充电装置，包括发射端和接收端；

所述发射端包括发射端控制系统、逆变模块和无线电能发射模块，发射端控制系统包括发射端微控制器，所述发射端微控制器为逆变模块发送驱动信号，逆变模块的输入端外接直流电压，逆变模块的输出端与无线电能发射模块的输入端连接，无线电能发射模块的输出端向外发射磁能；

所述接收端包括接收端控制系统、无线电能接收模块和整流模块，无线电能接收模块用于接收无线电能发射模块发射的磁能，无线电能接收模块的输出端连接整流模块的输入端，整流模块输出直流电为充电电池供电。

进一步地完善上述技术方案，所述逆变模块包括驱动电路和单相全桥逆变电路，发射端微控制器发送的驱动信号经驱动电路放大整形后驱动单相全桥逆变电路。

进一步地，所述逆变模块的驱动频率设定的工作区间为3kHz～7.5kHz。

进一步地，所述无线电能发射模块包括由无线发射线圈和第一电容器组成的串联谐振回路。

进一步地，所述无线电能接收模块包括由无线接收线圈和第二电容器组成的串联谐振回路。

进一步地，所述无线电能发射模块和无线电能接收模块的串联谐振频率设置为5kHz。

进一步地，所述发射端控制系统和接收端控制系统内均设置有无线通讯模块。

本实用新型的有益效果：(1)本实用新型通过电磁共振的方式实现发射端与接收端之间的能量传输，充电距离远，充电功率大，充电效率高，有效提高了防爆机器人工作的效率。

(2)本实用新型的逆变模块采用较低的驱动频率，无线电能发射模块和无线电能接收模块均采用串联谐振回路并设置较低的开关频率，防止高频频率对气体的激化危险，减小安全隐患，以适应本装置在防爆环境下的要求。

(3)本实用新型的发射端控制系统和接收端控制系统内均设置有无线通讯模块，以实现发射端与接收端之间的实时通讯。

附图说明

图1为本实用新型整体拓扑结构框图；

图2为图1中发射端控制系统电路图；

图3为图1中接收端控制系统电路图；

图中，L1、无线发射线圈；L2、无线接收线圈；Cs1、第一电容器；Cs2、第二电容器。

具体实施方式

为使本实用新型的内容更加清楚，下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本实用新型无关的、本领域普通技术人员已知的部件的表示和描述。

实施例1：

本实用新型提供的一种应用于防爆机器人的无线充电装置，如图1所示，包括发射端和接收端。所述发射端包括发射端控制系统、逆变模块和无线电能发射模块，发射端控制系统内设置有发射端微控制器，发射端微控制器为逆变模块发送驱动信号，逆变模块的输入端外接直流电压Vin，逆变模块的输出端连接无线电能发射模块的输入端，无线电能发射模块的输出端向外发射磁能。所述接收端包括接收端控制系统、无线电能接收模块和整流模块，无线电能接收模块用于接收无线电能发射模块发射的磁能，无线电能接收模块的输出端连接整流模块的输入端，整流模块输出直流电Vout为充电电池供电。

所述逆变模块包括单相全桥逆变电路和驱动电路，所述单相全桥逆变电路由4个MOSFET开关管组成，分别为T1、T2、T3和T4，用于将输入的直流电压Vin转换成交流方波电压；单相全桥逆变电路采用软开关的方式，设置其输出电流滞后于方波电压，使其工作在感性状态，实现移相桥超前臂开关管的软开关，防止了高压尖峰的放电危险，提高了本装置的效率和安全性能。所述驱动电路采用2个驱动器，发射端微控制器为每个驱动器发送2个PWM驱动信号，经驱动电路放大整形后输出至单相全桥逆变电路，以驱动单相全桥逆变电路工作；所述驱动器采用型号为IR2110的芯片，用于实现PWM驱动信号的放大。

所述无线电能发射模块包括由第一电容器Cs1和无线发射线圈L1组成的串联谐振回路，无线电能发射模块的输入端为逆变模块输出的交流方波电压，基于谐振原理流过交流正弦波电流，通过无线发射线圈将电能转换为磁能发射出去。无线发射线圈L1采用磁芯和多股线圈绕制而成，设计串联谐振频率在5kHz。

如图2所示，所述发射端控制系统还包括发射端电流采样电路、存储器、无线通讯模块和发射端辅助电源。发射端微控制器采用TI公司的DSP芯片TMS320F28035。所述发射端电流采样电路包括依次连接的电流互感器和运算放大器，电流互感器与无线发射线圈L1连接，用于采集流经无线发射线圈L1的电流信号；运算放大器连接发射端微控制器，用于将放大后的无线发射线圈L1的电流信号输出至发射端微控制器；优选地，电流互感器的型号为DL-CT03C0.2T，运算放大器的型号为OPA356。所述存储器的型号为FM24CL16，与发射端微控制器通过I2C总线通信。所述无线通讯模块采用型号为NRF24L01的无线通信芯片，无线通讯模块与发射端微控制器连接，同时与接收端的无线通信模块实现实时通讯。所述发射端辅助电源采用LPD3201和ASM1117-3.3实现两路电源的输出，3.3V电源为发射端控制系统供电，15V电源为驱动电路供电。

所述无线电能接收模块包括由第二电容器Cs2和无线接收线圈L2组成的串联谐振回路，无线电能接收模块接收发射端发出的磁能，并将其转换成电能得到正弦交流电。无线接收线圈L2采用磁芯和多股线圈绕制而成，设计串联谐振频率在5kHz。

所述整流模块为由4个二极管组成的全桥整流电路，分别为二极管D1、D2、D3和D4，用于将无线电能接收模块输出的正弦交流电转换成直流电为充电电池供电。

如图3所示，所述接收端控制系统包括接收端微控制器、接收端电压采样电路、接收端电流采样电路、存储器、无线通讯模块和接收端辅助电源。所述接收端微控制器采用ST公司的STM32F103C8T6芯片。所述接收端电压采样电路为由运算放大器OPA2376组成的差分放大电路，差分放大电路的输入端连接至整流模块的输出端，用于采集接收端输出的电压信号；差分放大电路输出至接收端控制器，用于将接收端输出的电压信号输出至接收端微控制器。所述接收端电流采样电路通过电流传感器检测接收端输出的电流信号，电流传感器的输出端连接至接收端微控制器；所述电流传感器的型号为ACS712ELCTR-20A-T。所述存储器的型号为FM24CL16，与发射端微控制器通过I2C总线通信。所述无线通讯模块采用型号为NRF24L01的无线通信芯片，无线通讯模块与接收端微控制器连接，与发射端的无线通讯模块实现实时通信。所述接收端辅助电源采用LPD3201和ASM1117-3.3实现两路电源的输出，3.3V电源为接收端控制系统供电，5V电源为电流传感器供电。

本实用新型发射端与接收端之间允许的最大空气距离为30mm，横向偏移20mm，纵向偏移10mm。本装置可设定输出电压24V～60V、设定输出电流5A～10A，充电功率较大，在充电范围内系统的充电效率能达到85％以上，防爆等级能够达到ⅡC级防爆标准。

以上仅表达了本实用新型的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。