1 引 言
高壓和超高壓架空電力線是長(zhǎng)距離輸配電力的主要方式。為確保供電可靠性,電力公司必須定期對(duì)線路設(shè)備進(jìn)行巡檢,及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期損傷和缺陷,安排必要的維護(hù)和修復(fù)。目前,對(duì)輸電導(dǎo)線進(jìn)行巡檢的方法主要有2 種:
人工巡線 采用肉眼、望遠(yuǎn)鏡或紅外成像儀等設(shè)備沿地面對(duì)轄區(qū)內(nèi)的電力線進(jìn)行觀測(cè)。這種方法勞動(dòng)強(qiáng)度大,工作效率和探測(cè)精度低,可靠性差。
航測(cè)法 直升飛機(jī)巡線。這種方法存在巡線盲區(qū)和安全問題,巡檢費(fèi)用昂貴。
移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,為架空電力線路巡檢提供了新的移動(dòng)平臺(tái)。高壓巡線機(jī)器人是沿架空高壓輸電線路進(jìn)行巡檢作業(yè)的全自動(dòng)化的巡線裝置,能夠帶電工作,沿輸電導(dǎo)線全程運(yùn)行（包括沿輸電導(dǎo)線的直線段和耐張線段實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)爬行,跨越及避讓懸垂線夾、懸垂絕緣子、防震錘、耐張線夾、桿塔等結(jié)構(gòu)型障礙） ,利用攜帶的傳感儀器對(duì)桿塔、導(dǎo)線及避雷線、絕緣子、線路金具、線路通道等實(shí)施接近檢測(cè),代替工人進(jìn)行電力線路的巡檢工作,提高巡線的工作效率和巡檢精度。作者所在的課題組在國(guó)家863 計(jì)劃資助下,已研制出巡線機(jī)器人樣機(jī),并通過了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行試驗(yàn)。本文只討論巡線機(jī)器人中采用電流傳感器對(duì)夾緊力進(jìn)行測(cè)量的一種方法。
巡線機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)是由兩小臂操作手機(jī)構(gòu)和一個(gè)公共的變長(zhǎng)大臂機(jī)構(gòu)組成。在機(jī)器人爬行和跨越障礙物時(shí),需要讓一個(gè)操作手夾緊導(dǎo)線,騰出另一操作手配合公共的變長(zhǎng)大臂在空間做動(dòng)作,此時(shí)操作手能否夾緊導(dǎo)線就顯得尤為關(guān)鍵:夾緊力過大,會(huì)損壞機(jī)械結(jié)構(gòu)或驅(qū)動(dòng)電機(jī);夾緊力不夠,機(jī)器人就可能從導(dǎo)線上掉下來。由于機(jī)器人工作在強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下,且高壓輸電導(dǎo)線為柔性導(dǎo)索,夾緊機(jī)構(gòu)的夾持角度不固定,待夾導(dǎo)線和障礙的直徑也不相同,使其對(duì)夾緊力傳感器的選用十分苛刻,必須具備以下條件:
（1）能避免強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾。
（2） 能自適應(yīng)夾緊不同直徑的物體。
（3） 結(jié)構(gòu)小巧、重量輕、便于安裝。
本文采用磁補(bǔ)償式電流傳感器間接測(cè)量巡線機(jī)器人夾緊力,效果良好。
2 磁補(bǔ)償式電流傳感器原理
磁補(bǔ)償式電流傳感器由原邊線圈、聚磁磁芯、霍爾電極、次級(jí)線圈、放大電路等部分組成,如圖1 所示,其工作原理為:原邊電流I1 通過原邊線圈N1 產(chǎn)生磁場(chǎng)B1 , 其磁力線集中在磁芯氣隙周圍。內(nèi)置在磁芯氣隙中的霍爾電極產(chǎn)生和原邊磁力線成正比的mV 級(jí)電壓, 后續(xù)電路將這個(gè)微小信號(hào)轉(zhuǎn)換成副邊補(bǔ)償電流I2 , I2 流過次級(jí)線圈N2 產(chǎn)生補(bǔ)償磁場(chǎng)B2 。當(dāng)原邊與副邊的磁場(chǎng)達(dá)到平衡時(shí), 補(bǔ)償電流I2 即可反映原邊電流I1 的值,即I1 N1 = I2 N2 。輸出電流I2 經(jīng)過測(cè)量電阻Rm , 則可以得到一個(gè)與原邊電流成正比的大小為幾伏的電壓輸出信號(hào)。
3 系統(tǒng)構(gòu)成
整個(gè)電流傳感器測(cè)力系統(tǒng)由直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電流傳感器、模擬/ 數(shù)字轉(zhuǎn)換（A/ D） 模塊、控制器及傳動(dòng)與夾緊機(jī)構(gòu)組成,如圖2 所示。
其中直流電機(jī)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)動(dòng)作,電流傳感器串接在電機(jī)正極接線端子中,其輸出信號(hào)送入A/ D轉(zhuǎn)換模塊,控制器根據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果控制電機(jī)的動(dòng)作。
4 電流傳感器測(cè)力原理
在電機(jī)工作時(shí),其工作電流I g 與電機(jī)軸輸出轉(zhuǎn)矩M的關(guān)系為:
I g = f （ M）
當(dāng)系統(tǒng)采用恒壓源供電時(shí), I g 與M 成線性關(guān)系,令:
I g = C1 M + C2 （1）
而: M = Mf + Ml （2）
則: I g = C1 （ Mf + Ml） + C2
其中Mf 為機(jī)械摩擦阻力矩; Ml 為夾緊力反力矩。
在電機(jī)正常工作過程中Mf 可視為定值（設(shè)為C3 ） , Ml是在夾緊過程中隨夾緊力F 變化的變量。由于在夾緊過程中Ml 的力臂保持不變,故Ml 與F 成線性關(guān)系,設(shè):
Ml = C4 F + C5（3）
則: I g = C1 C3 + C1 C4 F + C1 C5 + C2
令: C1 C3 + C1 C5 + C2 = C6 , C1 C4 = C7
則有:I g = C6 F + C7 （4）
以上各式中C1 ～ C7 均為常數(shù)。
由式（4） 可知,夾緊力F 與電機(jī)工作電流I g 成線性關(guān)系。用電流傳感器測(cè)出電機(jī)的工作電流I g , 通過標(biāo)定即可轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的夾緊力F。
5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理
根據(jù)上述方法,選用CS005LX 型霍爾電流傳感器,原邊電流測(cè)量范圍- 5～5 A ,副邊額定輸出電壓4 V ,安裝在一臺(tái)220 kV 沿相線巡線機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上。通過帶電運(yùn)行實(shí)驗(yàn),測(cè)得電流傳感器在夾緊過程中的輸出如圖3 所示。
由于機(jī)械摩擦阻力矩隨傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)而變化,電流傳感器的輸出有振動(dòng)現(xiàn)象,需要進(jìn)行相應(yīng)的軟件濾波處理,以保證夾緊效果。采用連續(xù)多次判斷采樣電流大于閥值的方法即可方便地濾除干擾,如圖4 所示。
6 結(jié) 論
通過對(duì)不同實(shí)驗(yàn)條件下夾緊效果的檢測(cè)表明:采用電流傳感器測(cè)量夾緊力,根據(jù)預(yù)置閥值的不同可以達(dá)到不同的夾緊效果,反應(yīng)靈敏,重復(fù)性較好;能自適應(yīng)夾緊不同直徑的導(dǎo)線或障礙物,無需調(diào)整軟硬件;不受強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾,符合實(shí)際應(yīng)用要求。
采用電流傳感器測(cè)量高壓巡線機(jī)器人的夾緊力,是對(duì)電流傳感器用法的一種全新嘗試。他區(qū)別于一般的通過形變來測(cè)量力的方法,通過對(duì)系統(tǒng)功耗的轉(zhuǎn)化,用電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流間接地反應(yīng)夾緊力。這種方法無需增加額外的儀器設(shè)備,不受結(jié)構(gòu)的安裝位置限制,控制簡(jiǎn)單,成本低廉,可應(yīng)用于過載保護(hù)、拉壓力控制等場(chǎng)合。
