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电流传感器在巡线机器人夹紧力测量中的应用

编辑：日期：2007-11-3 浏览人数： 173

   1  引言

      高压和超高压架空电力线是长距离输配电力的主要方式。为确保供电可靠性,电力公司必须定期对线路设备进行巡检,及时发现早期损伤和缺陷,安排必要的维护和修复。目前,对输电导线进行巡检的方法主要有2 种:

      人工巡线采用肉眼、望远镜或红外成像仪等设备沿地面对辖区内的电力线进行观测。这种方法劳动强度大,工作效率和探测精度低,可靠性差。

      航测法直升飞机巡线。这种方法存在巡线盲区和安全问题,巡检费用昂贵。

      移动机器人技术的发展,为架空电力线路巡检提供了新的移动平台。高压巡线机器人是沿架空高压输电线路进行巡检作业的全自动化的巡线装置,能够带电工作,沿输电导线全程运行（包括沿输电导线的直线段和耐张线段实现滚动爬行,跨越及避让悬垂线夹、悬垂绝缘子、防震锤、耐张线夹、杆塔等结构型障碍） ,利用携带的传感仪器对杆塔、导线及避雷线、绝缘子、线路金具、线路通道等实施接近检测,代替工人进行电力线路的巡检工作,提高巡线的工作效率和巡检精度。作者所在的课题组在国家863 计划资助下,已研制出巡线机器人样机,并通过了现场运行试验。本文只讨论巡线机器人中采用电流传感器对夹紧力进行测量的一种方法。

      巡线机器人移动平台是由两小臂操作手机构和一个公共的变长大臂机构组成。在机器人爬行和跨越障碍物时,需要让一个操作手夹紧导线,腾出另一操作手配合公共的变长大臂在空间做动作,此时操作手能否夹紧导线就显得尤为关键:夹紧力过大,会损坏机械结构或驱动电机;夹紧力不够,机器人就可能从导线上掉下来。由于机器人工作在强电场、强磁场环境下,且高压输电导线为柔性导索,夹紧机构的夹持角度不固定,待夹导线和障碍的直径也不相同,使其对夹紧力传感器的选用十分苛刻,必须具备以下条件:（1）能避免强电场、强磁场的干扰。

      （2）能自适应夹紧不同直径的物体。

      （3）结构小巧、重量轻、便于安装。

      本文采用磁补偿式电流传感器间接测量巡线机器人夹紧力,效果良好。

      2  磁补偿式电流传感器原理

      磁补偿式电流传感器由原边线圈、聚磁磁芯、霍尔电极、次级线圈、放大电路等部分组成,如图1 所示,其工作原理为:原边电流I1 通过原边线圈N1 产生磁场B1 , 其磁力线集中在磁芯气隙周围。内置在磁芯气隙中的霍尔电极产生和原边磁力线成正比的mV 级电压, 后续电路将这个微小信号转换成副边补偿电流I2 , I2 流过次级线圈N2 产生补偿磁场B2 。当原边与副边的磁场达到平衡时, 补偿电流I2 即可反映原边电流I1 的值,即I1 N1 = I2 N2 。输出电流I2 经过测量电阻Rm , 则可以得到一个与原边电流成正比的大小为几伏的电压输出信号。
　

     3  系统构成

      整个电流传感器测力系统由直流驱动电机、电流传感器、模拟/ 数字转换（A/ D）模块、控制器及传动与夹紧机构组成,如图2 所示。
　

     其中直流电机通过传动机构驱动夹紧机构动作,电流传感器串接在电机正极接线端子中,其输出信号送入A/ D转换模块,控制器根据转换结果控制电机的动作。

      4  电流传感器测力原理

      在电机工作时,其工作电流I g 与电机轴输出转矩M的关系为:

      I g = f （ M）

      当系统采用恒压源供电时, I g 与M 成线性关系,令:

      I g = C1 M + C2 （1）

      而:   M = Mf + Ml （2）

      则:   I g = C1 （ Mf + Ml） + C2

      其中Mf 为机械摩擦阻力矩; Ml 为夹紧力反力矩。

      在电机正常工作过程中Mf 可视为定值（设为C3 ） , Ml是在夹紧过程中随夹紧力F 变化的变量。由于在夹紧过程中Ml 的力臂保持不变,故Ml 与F 成线性关系,设:

      Ml = C4 F + C5（3）

      则:   I g = C1 C3 + C1 C4 F + C1 C5 + C2

      令:   C1 C3 + C1 C5 + C2 = C6 , C1 C4 = C7

      则有:I g = C6 F + C7 （4）

      以上各式中C1 ～ C7 均为常数。

      由式（4）可知,夹紧力F 与电机工作电流I g 成线性关系。用电流传感器测出电机的工作电流I g , 通过标定即可转换为相应的夹紧力F。

      5  实验数据处理

      根据上述方法,选用CS005LX 型霍尔电流传感器,原边电流测量范围- 5～5 A ,副边额定输出电压4 V ,安装在一台220 kV 沿相线巡线机器人实验样机上。通过带电运行实验,测得电流传感器在夹紧过程中的输出如图3 所示。
　

由于机械摩擦阻力矩随传动机构的运动而变化,电流传感器的输出有振动现象,需要进行相应的软件滤波处理,以保证夹紧效果。采用连续多次判断采样电流大于阀值的方法即可方便地滤除干扰,如图4 所示。
　

    6  结论

      通过对不同实验条件下夹紧效果的检测表明:采用电流传感器测量夹紧力,根据预置阀值的不同可以达到不同的夹紧效果,反应灵敏,重复性较好;能自适应夹紧不同直径的导线或障碍物,无需调整软硬件;不受强电场、强磁场的干扰,符合实际应用要求。

      采用电流传感器测量高压巡线机器人的夹紧力,是对电流传感器用法的一种全新尝试。他区别于一般的通过形变来测量力的方法,通过对系统功耗的转化,用电机的驱动电流间接地反应夹紧力。这种方法无需增加额外的仪器设备,不受结构的安装位置限制,控制简单,成本低廉,可应用于过载保护、拉压力控制等场合。