基于超磁致和磁谐振的微型机器人无线供电系统建模与控制研究

To tackle the issues of difficulty to provide the continuous and constant power, and complicated configuration in micro-robot field, this project focuses on the key techniques of power system for micro-robot, including the system modeling and control, the impendance characteristics of giant magnetostrictive actuator (GMA), and the optimization for the functional structure of power system. Magnetic coupled resonance (MCR) wireless power transfer (WPT) technique will be introduced to micro-robot to provide the power under long distance. GMA will be adopted to be the power conversion mechanism for micor-robot, and the impedance characteristic of the GMA will be analyzed comprehensively. As an inductive load, the GMA will be introduced into the MCR WPT system, and the physical model and mathematical model of the overall MCR WPT system will be built. Based on the obtained models, the frequency characteristics of the MCR WPT system will be investigated, as well as the control strategies to modulate the frequency and the power, to ensure the system to operate under the resonant condition continuously. The functional structure of micro-robot will be analyzed by the modularization theory, and the simplified structure with independent function will be obtained to optimize the functional structure of the system and reduce the overall volume of the micro-robot.

针对目前微型机器人领域中能量难以长期稳定连续性供给、结构复杂以及难以实现复杂结构精简化等问题，本项目主要研究微型机器人供电系统建模与控制、超磁致执行器阻抗特性、及系统功能结构优化等若干关键技术。采用磁耦合谐振式无线能量传输技术为微型机器人提供远程能量供给，以超磁致执行器作为微型机器人的能量转换机构，研究超磁致执行器的阻抗特性，以其作为感性负载接入磁耦合谐振式无线电能传输系统，并构建整个磁耦合无线电能传输系统的物理模型和数学模型。基于以上模型分析磁耦合谐振式无线电能传输系统在接入感性负载下的频率特性，研究实时调频调功控制策略，通过对系统参数实时控制以保证系统工作在谐振状态。结合模块化理论分析微型机器人的功能和结构，以优化系统功能结构并减小微型机器人的体积。

磁耦合谐振式(Magnetically Coupled Resonant, MCR)无线电能传输(Wireless Power Transfer, WPT)技术可为微型机器人提供能量供给，但在能量转换、变空间尺度下的传输稳定性、失谐下的调谐等方面需要解决一些问题。本项目基于以上问题做了以下一些工作：一是电-磁-机多场耦合下MCR WPT系统的建模问题。以超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material, GMM )作为MCR WPT系统的负载时，此时的系统中存在着电场、磁场和机械场多场耦合，而GMM负载的阻抗特性表现为以感性为主，数值包含电气部分和机械转换部分。二是研究增加中继线圈后的MCR WPT系统中各线圈空间尺度对系统传输特性的影响。当MCR WPT系统的空间尺度发生改变时，调整中继线圈和接收线圈的相对空间尺度关系，系统的输出功率和传输效率仍然可以在一定范围内保持稳定传输的状态。并且研究三相圆柱形MCR WPT系统空间磁场强度的分布，推导系统输出功率的变化趋势。三是研究当MCR WPT系统发生失谐时的调谐策略。通过采样发射端电压和电流，基于相控电容技术的调谐控制设计驱动调频模块、采样模块、相控电容调谐模块和耦合线圈模块，达到调频、调谐的目的。四是设计了超磁致伸缩执行器，包括GMM棒尺寸，电磁结构，预压力系统以及冷却系统，构建了其整体三维模型，并对主要部件GMM棒区域的磁场进行有限元仿真分析校核。以上理论均设计了相应的实验平台，通过实验验证其正确性。