面向移动机器人的无线充电技术实现工业4.0

工业4.0被称为第四次工业革命，其重点在于互联互通、自动化、机器学习和实时数据处理。随着制造业整体向工业4.0迈进，为了保持竞争力并降低制造成本，制造商正致力于为工厂投入更多设备并削减员工数量。

他们的其中一项举措是在其工厂和仓库中大力投资先进的移动机器人技术，来承担大部分的材料建造、组装和运输工作。然而，这些移动机器人必须定期充电，这对工业工厂来说是一个日益严峻的挑战。如今，无线充电空间做出了一些改进，让这些机器人变得更加灵活。

应用于工厂车间的无线充电技术

最新的无线充电解决方案采用电磁感应原理技术，当交流电通过发送器侧的感应线圈时，会产生振荡磁场，振荡磁场与接收器侧的感应线圈耦合时，接收器侧线圈则会产生交流电。完整的无线充电系统需要多个组件，例如发送器线圈、调谐电容、线圈驱动器和接收器线圈，以及二极管整流器、直流-直流转换器、发送器和接收器控制电路及算法、电池充电电路等。无线充电系统借助电磁感应，能够将电能从安装在工厂车间的充电源垫传输到安装在移动机器人上的接收垫。

工厂车间移动机器人的无线充电

经过验证，在现代化工厂中采用更高效率和成本优化组件的现代无线充电系统，将会更具优势。首先，它可通过多种方式提高生产力并降低制造成本，例如可通过机会充电（即利用空闲时间充电）实现连续操作，并减少投资。充电过程自动化还能减少人为干预，降低维护成本，因为无需使用连接器和电缆等，实现完全非接触式充电过程。

其次，这类充电系统还提高了安全性。它们消除了因连接器导致的火花及内部污染或水份引起的短路风险。充电器和机器人之间可轻松实现安全验证，从而避免未经授权的访问，同时充电期间的数据传输可用于预测性维护以防止停机。

克服挑战实现部署

与传统有线充电相比，无线充电的部署需要相对较高的投资来建造基础设施，同期也存在低效和EMI问题。如果发送器和接收器线圈之间有异物，还会存在与过热相关的安全问题。

在无线电源发送器中，大功率无线电源系统中开关电流的关键回路包括功率开关、谐振电容和线圈。此回路涉及高电压、高电流和高开关频率。这种高功率无线电力传输系统中的PCB布局、组件布局和布线会影响效率、EMI性能和散热，进而影响系统性能和可靠性。此外，由于线圈存在制造可变性，线圈之间的变化可能导致产品之间存在差异，从而导致行为不一致和现场性能不可靠。

用固定功能器件优化无线充电解决方案，能应对在高功率水平下实现安全、可靠、高效的无线电源这一挑战。

理想情况下，无线充电解决方案中应采用带内通信，这有助于消除带外通信方案所增加的系统成本。寻找约100kHz范围内的电力传输频率，应使用驱动发送器中全桥逆变器的PWM的可变频率和可变占空比控制来执行功率控制。在高功率水平下，FOD变得至关重要。采用这种方法时，电力传输会短暂停止几微秒，并使用解决方案的高性能外设和内核测量线圈电压。当输出FET关闭时，可通过计算线圈电压的斜率来检测是否存在异物。

选择解决方案的所有组件时，必须使成本符合总系统预算，解决方案的效率取决于功率控制方案和最佳线圈设计。

除了降低开关频率外，还可在发送器中使用适当的控制方法和优化使用去耦电容来降低开关噪声，进而减轻EMI问题。

线圈参数可在生产线上组装时进行校准。这种解决方案的优势在于，可在产品测试期间将线圈校准数据写入系统，从而实现整个产品的一致操作和可靠性能。最后，为在发送器和接收器之间创建1:1配对，可在带内包含安全通信，以确保只有经过发送器验证的接收器才能获得供电。系统开发人员应与可提供使用其无线充电解决方案的详细指南的供应商合作，具体包括组件选择、线圈设计和电路板布局的指南。供应商还应提供分步指导，以确保最终产品能够无缝执行。借助这种方法，开发人员可节省时间、降低风险并简化其无线充电器设计，从而在充分履行电磁感应技术承诺的同时，提高生产力、降低制造成本并提高安全性。

作者：Microchip Technology Pramit Nandy和Vijay Bapu

来源：荣格-《智能制造纵横》

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