适配交流式移动底盘研磨机的续电系统设计

0引言

地坪研磨作为建筑地面处理的关键工艺环节,其核心在于通过机械磨削作用改善基础地面平整度与粗糙度[1]。现有工业级地坪研磨设备普遍采用220 V交流伺服驱动系统控制移动底盘,配合380 V变频器驱动磨盘旋转电机。这种传统电气架构存在显著局限性:设备运行完全依赖工业380 V电网供电,在转场作业时需切断电源,迫使产业工人采用人力推动方式完成设备迁移,既降低了施工效率,又增加了职业安全隐患。针对这一技术瓶颈,本研究提出一种新型续电系统设计方案,该方案既适用于传统研磨设备的电气系统升级改造,又能为智能化交流式移动底盘研磨机器人提供持续电力支持,具有重要的工程应用价值。

本研究涉及的核心技术创新已由广东博智林机器人有限公司申请国家发明专利[2](申请公开号:CN119906129A),笔者为该专利发明团队的核心成员。

1地坪研磨机技术特征与应用分析

1.1 地坪研磨机应用场景分析

地坪研磨机主要用于混凝土基面的研磨处理,其典型应用场景包括大型交通枢纽(如机场航站楼、高铁站厅)、工业厂房、商业建筑地下停车场等对地面平整度要求较高的场所。这些场景通常具有作业面积大、施工质量要求严格等特点。

1.2 地坪研磨机技术分类

根据自动化程度和技术特征,现代地坪研磨设备可分为两大类型:

1)传统手动研磨机:依赖人工操作或远程遥控,需要操作人员全程参与作业过程。

2)智能自动研磨机:集成先进传感与控制系统,具备三维环境建模、自主路径规划、实时导航定位及动态避障等功能,代表行业技术发展方向。

1.3地坪研磨机核心组件系统分析

本文以工业领域广泛应用的800型地坪研磨设备为研究对象,结构示意图如图1所示。

其核心动力系统主要由以下关键部件构成:

1)研磨执行单元:采用直径800mm(公差±10mm)的专用研磨盘。

2)主驱动系统:配置额定功率15kw的三相异步电动机 (380V/50Hz),负责驱动研磨盘实现0~1 500 r/min无级变速旋转。

3)行走驱动系统:集成两台400 w单相交流伺服电机(220 V/50 Hz),通过精密减速机构实现设备移动控制,定位精度可达± 1 mm。

在智能化升级版本中,系统还集成了以下关键智能组件:3D激光雷达、工业级嵌入式工控机、工业级千兆以太网路由器。

1.4地坪研磨机控制系统架构分析

根据技术演进路径,现代地坪研磨机的控制系统主要呈两种典型架构。

1.4.1传统控制系统

采用基于小型可编程逻辑控制器(PLC)或ARM架构微控制单元(MCU)的嵌入式控制系统。操作人员通过以下两种方式实现设备控制:

1)本地控制:通过设备面板的机械式按钮和电位器旋钮进行参数调节。

2)远程控制:采用工业级无线遥控器(工作频段2.4 GHz)实现磨盘转速(调节范围0~1 500 r/min)和行走系统的闭环控制。

1.4.2智能控制系统

基于X86架构的工业控制计算机构建分布式控制系统,主要特征包括:

1)人机交互:通过移动终端(iOS/Android平台)专用应用程序实现远程监控,支持wi—Fi通信。

2)自主决策:集成实时操作系统(如ROS),实现作业参数智能优化和异常工况自动处理。

3)数据管理:具备施工数据云端存储与分析功能,支持PDF/Excel格式报告自动生成。

1.5 智能化地坪研磨机作业流程分析

智能化地坪研磨机的作业流程可分为环境建模、任务规划与自动执行三个阶段。在工业厂房地面处理场景中,首先通过移动终端APP控制设备沿作业区域边界执行环境扫描,集成式3D激光雷达实时采集建筑结构点云数据(包括立柱、墙体等特征物),经SLAM算法处理生成高精度二维作业地图。操作人员随后在APP界面内选定 目标作业区域、设定工艺参数、确认安全边界。控制系统自动生成最优加工路径,经确认后设备即进入自主作业模式。

该自动化方案相较传统人工操作具有显著优势:劳动强度降低,粉尘暴露风险下降,且由于恒定的研磨压力与运动速度,成品地面平整度可达±1mm/2m。

2地坪研磨机供电系统技术要求

2.1传统地坪研磨机供电系统设计

传统手动地坪研磨机采用三相五线制供电方案(L1/L2/L3/N/PE),通过5芯耐磨电缆接入AC380 V工业电源。该供电系统实现三级电能转换:首先,三相交流电直接驱动变频器控制研磨电机;其次,通过L1-N相线获取AC220 V单相电源,为伺服驱动系统提供工作电压;最后,经开关电源模块将AC220 V转换为DC24 V,为PLC控制器、传感器等低压控制元件供电。

2.2 智能升级型供电系统优化

升级版自动研磨机器人采用混合供电架构,在核心研磨作业时仍需接入AC380V工业电源以满足大功率需求(峰值功率10~22 kw)。其创新性体现在双模供电设计:工业电源模式下,系统优先使用电网供电;在移动建图、转场等辅助作业时(功率需求≤3kw),可采用内置锂电池组逆变供电。电池系统通过内置纯正弦波逆变器输出AC220 V(THD≤3%),确保伺服系统、导航模块等关键部件的稳定运行。这种设计使设备摆脱了电缆束缚,作业半径扩大至500~1000m,显著提升了施工灵活性。

2.3 多电源供电的潜在风险分析

在工业设备的多电源供电系统中,主要存在两类电气安全隐患。

首先是220 V级交流电源并联风险。当研磨机同时接入市电(AC200 V)和电池逆变输出(AC220 V)时,尽管两路电源的电压有效值和频率同,U=220×(1±10%)V,f=(50±0.5)Hz,但由于相位差Δφ的存在(0°≤Δφ≤180°),特别是在Δφ≈180O的极端情况下,将产生超大短路电流。这种异常电流将导致设备损坏,甚至引发电气火灾[3]。

其次是直流电源并联风险。虽然理论上相同标称电压(DC48 V)的电源可以并联,但实际运行中存在显著差异。锂电池输出电压随SOC变化呈现54V(SOC=100%)至42 V(SOC=20%)的动态范围,而开关电源输出保持48×(1±1%)V的稳定电压。当电压差ΔU达到最大值6 V时,在典型内阻0.3 Ω条件下可产生20 A的环流,导致系统效率下降,并在局部产生80~120℃的异常温升,存在严重的安全隐患。

2.4续电系统的技术要求

地坪研磨机续电系统的技术要求涉及多重电源管理策略,需要确保系统在工业用电和电池供电模式下的安全可靠运行。该系统必须满足以下技术要求:

1)在交流电源管理方面,系统需有效隔离工业用电(AC380 V)与电池逆变输出(AC220 V),通过机械互锁装置实现安全切换,防止因相位差导致的短路事故。

2)在直流电源管理方面,需采用二极管隔离方案,避免开关电源输出(DC48V)与锂电池(42~54V)之间的电压差引发环流问题。

3)系统应支持双供电模式独立运行,在单一电源接入时确保设备正常启动和底盘移动功能。

4)电源切换过程中须保证工控机持续供电,维持与移动终端APP的通信连接不中断。

5)系统需集成智能充电管理模块,在接入工业电源时自动启动锂电池充电程序,并具备SOC精确估算和温度监控功能,实现电池的智能化维护。

3续电系统设计

依据地坪研磨机的供电技术要求,本研究设计了一套能够适配交流式移动底盘研磨机的续电系统,其原理如图2所示。

3.1 关键部件选型规范

交流负载模块(MAC)选用交流伺服驱动系统,

该方案相比直流伺服系统具有显著优势:成本降低约20%,供货周期缩短约20%。

电源切换装置(TS)采用机械式转换开关,其机械互锁结构确保工业电源 (AC380V)与逆变电源(AC220 V)的物理隔离。

相序保护继电器(PT)选用智能型产品,具备相序检测 (精度 ± 1°)、缺相保护和 电压监测 (范围300~450 V)功能,其双触点设计(1NO+1NC)实现了电池电源模式与电池充电模式的自动联锁控制。

纯正弦波逆变器(UI)转换效率≥90%,满足设备动态负载需求。

三段式智能充电器(UR1)采用恒流(0.2C)-恒压(54.6 V)-浮充(53.5 V)的充电算法,温度补偿范围-20~60℃,充电效率≥92%。

开关电源(UR2)输出DC48×(1±1%)V,功率因数≥0.95,具有过压、过流多重保护。

储能单元选用磷酸铁锂电池组(GB),标称电压48 V,容量≥100 Ah,配备智能BMS系统,支持CAN总线通信,可实时监测SOC(精度±3%)和温度等参数[4]。

防逆流二极管(VD)采用肖特基二极管阵列,正向压降≤0.5 V,反向耐压≥100 V,配合强制风冷散热(温升≤30 K)。

直流负载模块(MDC)包含工控机、激光雷达等设备,通过DC/DC转换器获得稳定的24 V电源,纹波系数≤1%,满足精密电子设备的供电需求。

3.2电池智能充电系统设计

本系统采用双模式充电架构,当设备接入AC380V工业电源时,相序保护继电器(PT)实时监测三相电源状态(电压波动范围±10%,相序容差±5O),在确认电源参数正常后,其控制触点动作时序为:首先断开逆变器控制继电器(KA,动作时间≤20 ms),随后闭合充电回路接触器(KM,接触电阻≤50 mΩ)。该互锁设计能确保充电过程中逆变器处于断电状态,避免能量回馈干扰。充电过程采用三段式智能算法:恒流阶段(0.5C)快速补充80%容量,恒压阶段(54.6±0.5)V精细充电至95%,浮充阶段(53.5±0.2)V维持电池饱和状态。

为应对特殊工况,系统配置了应急充电接口:采用三角标准插座,允许通过民用AC220 V电源(电压范围180~250 V)进行临时充电。该接口具备反接保护(耐受电压600V)和过流保护(响应时间≤100 μs),确保在非标电源条件下的充电安全。

3.3 无电池启动机制设计

传统电源检测方案采用严格的时序控制逻辑:首先依赖电池供电启动检测电路,待相序继电器(响应时间≤50 ms)确认三相电源参数(电压容差±5%,频率偏差± 1 Hz)符合IEC 60038标准后,方能接通主交流接触器(接触电阻≤30 mΩ)。该方案虽能确保电源质量,但存在严重依赖电池的缺陷,即当电池耗尽或BMS故障时,设备将完全丧失移动能力。

本研究提出的改进方案采用双路径供电架构:主电路省略相序检测环节,通过功率器件直连(导通损耗≤0.5%)实现AC380 V市电或逆变电源的无缝接入。关键创新点包括:1)采用宽输入范围设计(电压300~450 V,频率45~65 Hz),兼容非理想电网条件;2)配置多级保护电路:变频器过压保护 [阈值(460±5)V]、驱动器过流保护(响应时间≤10μs)、开关电源浪涌抑制(8/20 μs波形耐受6 kV)。

实测数据表明,该方案使设备平均故障间隔时间(MTBF)大幅提升,紧急工况下的设备可用性达到95%。同时,维护成本降低,主要得益于:1)消除电池依赖导致的停机损失;2)减少电源检测环节的故障点;3)简化现场操作流程。

3.4研磨机续电系统操作的便捷性

3.4.1典型工况划分

根据施工工艺流程,将研磨机作业周期划分为四个标准工况:设备转场运输、作业环境扫描、地面研磨施工和设备返场维护。系统初始状态设置为:电源转换开关TS预设于逆变电源档位,主电源开关SA处于断开状态。

3.4.2移动工况操作规范

在转场运输阶段,操作人员仅需将SA开关切换至ON档位即可激活系统供电。通过内置wi-Fi模块建立的无线通信链路,操作人员可远程控制磨盘提升机构及底盘驱动系统,实现设备的场地转移或运输装载。

3.4.3测绘工况供电策略

环境扫描阶段采用3D激光雷达进行空间特征采集,通过SLAM算法实现点云数据的三维重建。此阶段因磨盘机构未启动,系统维持电池供电模式,避免工业电源接入的冗余操作。

3.4.4研磨工况电源切换

进入研磨阶段时,操作人员需接入三相五线制工业电源[AC380×(1±10%)V,电缆截面积10 mm²]。

需要特别说明的是,在电源转换开关(TS)进行电池逆变档至市电档切换过程中,系统存在理论上的供电中断风险。这一过渡期可能导致机器控制系统发生非计划性断电重启事件,具体表现为:工控机与无线通信模块(路由器)的强制关机,其重启过程将造成移动终端APP与控制主机的通信链路中断。实测数据显示,此类系统重启过程耗时范围为10~60 s,不仅显著延长了作业等待时间,更导致操作人员需重复执行设备重连操作,严重影响了人机交互效率。

为解决该技术瓶颈,本系统创新性地采用双路冗余供电架构:通过电池组输出DC48 V电源,经高效开关电源模块(转换效率≥92%)降压至DC24 V,专用于维持工控系统及网络设备的持续供电。该设计方案成功实现了电源切换过程中关键控制单元的不间断运行。

3.4.5系统复位流程

作业完成后执行标准化断电程序:1)断开工业电源连接器;2)切换TS开关至逆变档位;3)通过SA开关执行系统关机。

3.4.6人机交互设计

该续电系统通过优化人机交互设计显著提升了操作便捷性,其实物图如图3所示。

系统采用两级开关控制架构:主电源开关SA负责系统启停控制,电源转换开关TS实现供电模式切换。在标准作业流程中,操作人员仅需执行三个基础操作:1)通过SA开关完成系统启停;2)保持TS开关默认处于逆变电源模式;3)在研磨工况或电池欠压时切换至市电模式。这种设计将必要操作步骤精简至最低限度,同时确保了系统在不同工况下的供电可靠性。

4 结束语

本文所述续电系统的设计创新源于交流式移动底盘的地坪研磨机器人实际工程需求。通过原型机验证测试(累计运行时长≥500 h),系统各项性能指标均达到设计要求。更值得注意的是,该系统的模块化设计理念使其具有良好的可扩展性,经适应性改造后,可广泛应用于砂浆喷涂机器人、混凝土抹平机器人等各类建筑机器人平台。这一特性显著提升了研究成果的工程应用价值,为建筑机器人供电系统的标准化设计提供了重要参考[5]。

[参考文献]

[1] 冯强,叶长汀.全 自动地坪抛光研磨机[J].石材,2016(9):45-46.

[2]广东博智林机器人有限公司.供电系统及其控制方法:CN119906129A[P].2025-04-29.

[3]吴昊,韩浩江,柴俊,等.基于变电站开关柜的三相交流电相位核序方法[J].电气应用,2021,40(7):86-92.

[4] 李田丰,易映萍,石伟.新能源汽车48V电池管理系统设计[J].电子测量技术,2019,42(8):6-11.

[5] 于军琪,曹建福,雷小康.建筑机器人研究现状与展望[J].自动化博览,2016(8):68-75.

《机电信息》2025年第19期第14篇