基于光伏转换的移动机器人自动充电系统设计

【摘要】：本文以实现太阳能光伏发电系统对移动机器人快速、高效的自动充电为目标，在查阅了大量文献的基础上，初步研究了基于光伏转换的移动机器人自主充电系统设计，取得了一些具有理论意义和工程实用价值的成果，主要内容包括： 1．从理论研究了超级电容器的充放电特性，实验验证了超级电容器的快速充电以及提供瞬时高功率的特性。为了解决超级电容器组的电压均衡问题，设计了一种主动均衡电路，既可以快速实现电压均衡，且能耗较低。 2．分析比较了蓄电池的四种充电方式，通过对密封式铅酸蓄电池进行的混合充电以及恒压充电实验试验，验证了恒流-恒压混合充电方式，可以较快得为蓄电池进行充电，满足移动机器人的蓄电池使用要求。 3．通过理论分析比较了几类超级电容器组与蓄电池的结合方式的优缺点，实验验证了超级电容器组通过DC/DC转换器与蓄电池并联的结构，既可以使超级电容器组在移动机器人的启动过程中提供瞬时的高功率，减少频繁启动对蓄电池寿命的不利影响，同时也吸收制动过程中回馈的再生能量，减少能量的浪费。 4．根据移动机器人智能自主快速充电对控制器的要求，以及光伏系统中的充电控制方法，设计了满足移动机器人需要的自动充电控制器的总体方案。介绍了基于不同原理实现的太阳跟踪器，并选择了一款基于太阳位置算法的二自由度跟踪系统，论述了基本原理及其组成，最后给出了确定太阳高度角和方位角的具体算法。在此基础上，建立了跟踪器的数学模型，根据PID算法对原始系统进行了校正，并对系统进行了动态仿真，并对不同增益、转动惯量和阻尼参数变化时的仿真结果进行了分析。研究表明，系统的固有频率和阻尼比对响应的快速性、稳定性影响很大，在设计传动系统参数时，需要综合考虑。 【关键词】：超级电容器 DC/DC变换器 光伏 太阳跟踪器 机器人
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-18
• 1.1 选题意义8-9
• 1.1.1 选题背景8
• 1.1.2 选题目的和意义8-9
• 1.2 国内外研究现状9-16
• 1.2.1 超级电容器9-11
• 1.2.2 太阳能光伏发电系统11-14
• 1.2.3 移动机器人充电系统的研究现状14-16
• 1.3 研究工作及论文主要内容16-18
• 第2章 超级电容器的特性18-31
• 2.1 超级电容器概述18-21
• 2.1.1 超级电容器原理18-19
• 2.1.2 超级电容器的基本性能参数和分类19
• 2.1.3 超级电容器的特性19-21
• 2.2 超级电容器的充放电特性研究21-25
• 2.2.1 超级电容器的充电21-23
• 2.2.2 超级电容器的放电23-25
• 2.3 超级电容器 ESR 的测定25-27
• 2.4 超级电容器组的均压27-30
• 2.4.1 影响超级电容器组均压的因素27-28
• 2.4.2 超级电容器组的电压均衡方式28-29
• 2.4.3 超级电容器组的充放电实验29-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第3章 密封式铅酸蓄电池的充放电特性31-40
• 3.1 蓄电池概述31-33
• 3.1.1 各类蓄电池性能比较31-32
• 3.1.2 蓄电池的基本特性32-33
• 3.2 铅酸蓄电池的充放电特性33-39
• 3.2.1 蓄电池的充电方法33-35
• 3.2.2 铅酸蓄电池的充电实验35-38
• 3.2.3 铅酸蓄电池的放电38-39
• 3.3 本章小结39-40
• 第4章 蓄电池-超级电容器混合系统40-48
• 4.1 蓄电池单独为直流电机供能40-42
• 4.1.1 机器人启动时所用直流电机的选择40-41
• 4.1.2 铅酸蓄电池单独为直流电机供电实验41-42
• 4.2 蓄电池与超级电容器结合使用42-46
• 4.2.1 超级电容器组连接方式选择42-43
• 4.2.2 蓄电池与超级电容器组联合使用43-46
• 4.3 本章小结46-48
• 第5章 基于光电转换的自动充电系统研究48-67
• 5.1 光伏发电系统48-50
• 5.1.1 系统的基本组成48-49
• 5.1.2 系统的能流模型49-50
• 5.2 移动机器人充电控制方案研究50-52
• 5.2.1 PWM 充电控制方法50-51
• 5.2.2 总体方案设计51-52
• 5.3 太阳跟踪器原理52-57
• 5.3.1 太阳跟踪器分类52-53
• 5.3.2 二自由度太阳能跟踪系统结构53-57
• 5.4 太阳跟踪器数学建模和仿真57-65
• 5.4.1 跟踪器传动机构的数学模型57-61
• 5.4.2 原始系统的 PID 校正61-63
• 5.4.3 仿真结果分析63-65
• 5.5 本章小结65-67
• 结论67-69
• 参考文献69-73
• 附录73-75
• 致谢75-76
• 硕士期间发表论文76-77

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