電流傳感器在巡線機器人夾緊力測量中的應用
1 引 言
高壓和超高壓架空電力線是長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線路設備進行巡檢,及時發現早期損傷和缺陷,安排必要的維護和修復。目前,對輸電導線進行巡檢的方法主要有2 種:
人工巡線 采用肉眼、望遠鏡或紅外成像儀等設備沿地面對轄區內的電力線進行觀測。這種方法勞動強度大,工作效率和探測精度低,可靠性差。
航測法 直升飛機巡線。這種方法存在巡線盲區和安全問題,巡檢費用昂貴。
移動機器人技術的發展,為架空電力線路巡檢提供了新的移動平臺。高壓巡線機器人是沿架空高壓輸電線路進行巡檢作業的全自動化的巡線裝置,能夠帶電工作,沿輸電導線全程運行（包括沿輸電導線的直線段和耐張線段實現滾動爬行,跨越及避讓懸垂線夾、懸垂絕緣子、防震錘、耐張線夾、桿塔等結構型障礙） ,利用攜帶的傳感儀器對桿塔、導線及避雷線、絕緣子、線路金具、線路通道等實施接近檢測,代替工人進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家863 計劃資助下,已研制出巡線機器人樣機,并通過了現場運行試驗。本文只討論巡線機器人中采用電流傳感器對夾緊力進行測量的一種方法。
巡線機器人移動平臺是由兩小臂操作手機構和一個公共的變長大臂機構組成。在機器人爬行和跨越障礙物時,需要讓一個操作手夾緊導線,騰出另一操作手配合公共的變長大臂在空間做動作,此時操作手能否夾緊導線就顯得尤為關鍵:夾緊力過大,會損壞機械結構或驅動電機;夾緊力不夠,機器人就可能從導線上掉下來。由于機器人工作在強電場、強磁場環境下,且高壓輸電導線為柔性導索,夾緊機構的夾持角度不固定,待夾導線和障礙的直徑也不相同,使其對夾緊力傳感器的選用十分苛刻,必須具備以下條件:（1）能避免強電場、強磁場的干擾。
（2） 能自適應夾緊不同直徑的物體。
（3） 結構小巧、重量輕、便于安裝。
本文采用磁補償式電流傳感器間接測量巡線機器人夾緊力,效果良好。
2 磁補償式電流傳感器原理
磁補償式電流傳感器由原邊線圈、聚磁磁芯、霍爾電極、次級線圈、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 產生磁場B1 , 其磁力線集中在磁芯氣隙周圍。內置在磁芯氣隙中的霍爾電極產生和原邊磁力線成正比的mV 級電壓, 后續電路將這個微小信號轉換成副邊補償電流I2 , I2 流過次級線圈N2 產生補償磁場B2 。當原邊與副邊的磁場達到平衡時, 補償電流I2 即可反映原邊電流I1 的值,即I1 N1 = I2 N2 。輸出電流I2 經過測量電阻Rm , 則可以得到一個與原邊電流成正比的大小為幾伏的電壓輸出信號。
3 系統構成
整個電流傳感器測力系統由直流驅動電機、電流傳感器、模擬/ 數字轉換（A/ D） 模塊、控制器及傳動與夾緊機構組成,如圖2 所示。
其中直流電機通過傳動機構驅動夾緊機構動作,電流傳感器串接在電機正極接線端子中,其輸出信號送入A/ D轉換模塊,控制器根據轉換結果控制電機的動作。
4 電流傳感器測力原理
在電機工作時,其工作電流I g 與電機軸輸出轉矩M的關系為:
I g = f （ M）
當系統采用恒壓源供電時, I g 與M 成線性關系,令:
I g = C1 M + C2 （1）
而: M = Mf + Ml （2）
則: I g = C1 （ Mf + Ml） + C2
其中Mf 為機械摩擦阻力矩; Ml 為夾緊力反力矩。
在電機正常工作過程中Mf 可視為定值（設為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 成線性關系,設:
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。
由式（4） 可知,夾緊力F 與電機工作電流I g 成線性關系。用電流傳感器測出電機的工作電流I g , 通過標定即可轉換為相應的夾緊力F。
5 實驗數據處理
根據上述方法,選用CS005LX 型霍爾電流傳感器,原邊電流測量范圍- 5～5 A ,副邊額定輸出電壓4 V ,安裝在一臺220 kV 沿相線巡線機器人實驗樣機上。通過帶電運行實驗,測得電流傳感器在夾緊過程中的輸出如圖3 所示。
由于機械摩擦阻力矩隨傳動機構的運動而變化,電流傳感器的輸出有振動現象,需要進行相應的軟件濾波處理,以保證夾緊效果。采用連續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 論
通過對不同實驗條件下夾緊效果的檢測表明:采用電流傳感器測量夾緊力,根據預置閥值的不同可以達到不同的夾緊效果,反應靈敏,重復性較好;能自適應夾緊不同直徑的導線或障礙物,無需調整軟硬件;不受強電場、強磁場的干擾,符合實際應用要求。
采用電流傳感器測量高壓巡線機器人的夾緊力,是對電流傳感器用法的一種全新嘗試。他區別于一般的通過形變來測量力的方法,通過對系統功耗的轉化,用電機的驅動電流間接地反應夾緊力。這種方法無需增加額外的儀器設備,不受結構的安裝位置限制,控制簡單,成本低廉,可應用于過載保護、拉壓力控制等場合。
高壓和超高壓架空電力線是長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線路設備進行巡檢,及時發現早期損傷和缺陷,安排必要的維護和修復。目前,對輸電導線進行巡檢的方法主要有2 種:
人工巡線 采用肉眼、望遠鏡或紅外成像儀等設備沿地面對轄區內的電力線進行觀測。這種方法勞動強度大,工作效率和探測精度低,可靠性差。
航測法 直升飛機巡線。這種方法存在巡線盲區和安全問題,巡檢費用昂貴。
移動機器人技術的發展,為架空電力線路巡檢提供了新的移動平臺。高壓巡線機器人是沿架空高壓輸電線路進行巡檢作業的全自動化的巡線裝置,能夠帶電工作,沿輸電導線全程運行（包括沿輸電導線的直線段和耐張線段實現滾動爬行,跨越及避讓懸垂線夾、懸垂絕緣子、防震錘、耐張線夾、桿塔等結構型障礙） ,利用攜帶的傳感儀器對桿塔、導線及避雷線、絕緣子、線路金具、線路通道等實施接近檢測,代替工人進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家863 計劃資助下,已研制出巡線機器人樣機,并通過了現場運行試驗。本文只討論巡線機器人中采用電流傳感器對夾緊力進行測量的一種方法。
巡線機器人移動平臺是由兩小臂操作手機構和一個公共的變長大臂機構組成。在機器人爬行和跨越障礙物時,需要讓一個操作手夾緊導線,騰出另一操作手配合公共的變長大臂在空間做動作,此時操作手能否夾緊導線就顯得尤為關鍵:夾緊力過大,會損壞機械結構或驅動電機;夾緊力不夠,機器人就可能從導線上掉下來。由于機器人工作在強電場、強磁場環境下,且高壓輸電導線為柔性導索,夾緊機構的夾持角度不固定,待夾導線和障礙的直徑也不相同,使其對夾緊力傳感器的選用十分苛刻,必須具備以下條件:（1）能避免強電場、強磁場的干擾。
（2） 能自適應夾緊不同直徑的物體。
（3） 結構小巧、重量輕、便于安裝。
本文采用磁補償式電流傳感器間接測量巡線機器人夾緊力,效果良好。
2 磁補償式電流傳感器原理
磁補償式電流傳感器由原邊線圈、聚磁磁芯、霍爾電極、次級線圈、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 產生磁場B1 , 其磁力線集中在磁芯氣隙周圍。內置在磁芯氣隙中的霍爾電極產生和原邊磁力線成正比的mV 級電壓, 后續電路將這個微小信號轉換成副邊補償電流I2 , I2 流過次級線圈N2 產生補償磁場B2 。當原邊與副邊的磁場達到平衡時, 補償電流I2 即可反映原邊電流I1 的值,即I1 N1 = I2 N2 。輸出電流I2 經過測量電阻Rm , 則可以得到一個與原邊電流成正比的大小為幾伏的電壓輸出信號。
3 系統構成
整個電流傳感器測力系統由直流驅動電機、電流傳感器、模擬/ 數字轉換（A/ D） 模塊、控制器及傳動與夾緊機構組成,如圖2 所示。
其中直流電機通過傳動機構驅動夾緊機構動作,電流傳感器串接在電機正極接線端子中,其輸出信號送入A/ D轉換模塊,控制器根據轉換結果控制電機的動作。
4 電流傳感器測力原理
在電機工作時,其工作電流I g 與電機軸輸出轉矩M的關系為:
I g = f （ M）
當系統采用恒壓源供電時, I g 與M 成線性關系,令:
I g = C1 M + C2 （1）
而: M = Mf + Ml （2）
則: I g = C1 （ Mf + Ml） + C2
其中Mf 為機械摩擦阻力矩; Ml 為夾緊力反力矩。
在電機正常工作過程中Mf 可視為定值（設為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 成線性關系,設:
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。
由式（4） 可知,夾緊力F 與電機工作電流I g 成線性關系。用電流傳感器測出電機的工作電流I g , 通過標定即可轉換為相應的夾緊力F。
5 實驗數據處理
根據上述方法,選用CS005LX 型霍爾電流傳感器,原邊電流測量范圍- 5～5 A ,副邊額定輸出電壓4 V ,安裝在一臺220 kV 沿相線巡線機器人實驗樣機上。通過帶電運行實驗,測得電流傳感器在夾緊過程中的輸出如圖3 所示。
由于機械摩擦阻力矩隨傳動機構的運動而變化,電流傳感器的輸出有振動現象,需要進行相應的軟件濾波處理,以保證夾緊效果。采用連續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 論
通過對不同實驗條件下夾緊效果的檢測表明:采用電流傳感器測量夾緊力,根據預置閥值的不同可以達到不同的夾緊效果,反應靈敏,重復性較好;能自適應夾緊不同直徑的導線或障礙物,無需調整軟硬件;不受強電場、強磁場的干擾,符合實際應用要求。
采用電流傳感器測量高壓巡線機器人的夾緊力,是對電流傳感器用法的一種全新嘗試。他區別于一般的通過形變來測量力的方法,通過對系統功耗的轉化,用電機的驅動電流間接地反應夾緊力。這種方法無需增加額外的儀器設備,不受結構的安裝位置限制,控制簡單,成本低廉,可應用于過載保護、拉壓力控制等場合。
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