//Logo Image
作者:楊哲彰(2004-12-13)﹔推薦:徐業良(2004-12-14)

行動式遠端監控系統自動充電裝置設計

為達成全自動的操控要求,行動式遠端監控系統(以下簡稱AGV或監控車)除了具備自動的巡航模式外,亦加入電源監測模式,在電池電量不足時自動前往充電站充電,使之具備全時運轉的功能,並免除人員維護之需求。本文即在描述行動式遠端監控系統自動充電裝置之設計。

1.     系統架構與工作程序

自動充電裝置的主要硬體架構分為三個部分:充電切換電路、充電接點、以及充電站本體。如圖1所示,充電切換電路裝設於監控車內,與車上的供電系統結合,用以控制電源輸出入路徑切換,並內建電池電量偵測電路,可於系統中顯示電池電壓。非充電狀態時監控車主系統由車上電池供電,若電池電壓值低於某一設定值時,則進入待充電程序,此時監控車在下次自動行駛經過路徑中的充電站時,監控車則會藉由光電開關辨識充電站內軌道的特殊圖樣,停止在充電站,監控車上充電接點隨即開啟與充電站本體的充電接點連接,充電切換電路切換,使電池與主系統斷路並開始對電池充電,主系統電源則由充電站的電源供應器供給。監控車充電時除了行動被限制住之外,仍可執行其他功能,待充電完成後,再自動關閉充電接點,駛離充電站,回復非充電狀態。

1. 電源流程圖

2.     子系統設計

2.1 充電切換電路

如圖2所示,充電切換電路主要由3枚繼電器(coil: 12V DC)構成並安裝於監控車內,圖中兩處開關(SW)代表連接電源供應器與充電器的兩組接點端子,其動作程序如下:

(1)   當監控車於非充電狀態運作時,充電接點關閉,車體未與充電站連接,因此兩處SW皆為開路,電池電源由Relay 1連接至電源輸出端,提供車輛系統設備的所有電源,再經由Relay 2返回電池負極,構成通路。同時電池亦並聯一組分壓電路,以提供電池電量偵測之用,此分壓電路再經由Relay 3連接至電池負極構成通路。

(2)   監控車充電時,充電接點開啟並與充電站相連接,因此兩處SW成為閉路導通,使所有的繼電器激磁切換,使原本電池至電源輸出斷路,系統電源改由充電站的電源供應器提供,電池電量偵測的分壓電路也同時斷路;同時充電器的充電電源會經由Relay 1Relay 3而導通,電池隨即進行充電。

(3)   本系統考慮使用的機動性,充電程序以系統計時方式控制,預設值為120分鐘,可經由軟體程式修改,由充電站內軌道上的圖樣辨識為計時起始點,當時間到達後,監控車隨即自動關閉充電接點,並駛離充電站,此時接點SW開路後,切換電路隨即回復為初始狀態。

電池電量偵測電路與監控車上電源供應線路整合,電池電壓的監測由pic_SERVER執行,但其類比信號輸入端的電壓限制為0-5V,因此若以12V電池的電壓直接輸入,勢必造成無法運作甚至損壞,故電源偵測電路必須使用簡單的分壓電路架構,將0-12V(實際上可達13V)的電池電壓變化等比例縮減至0-5V,方可由pic_SERVER執執行電壓讀取。電池的電壓可在RT1RT2組電阻產生兩組分壓,RT1RT2的電阻比例為8:5,因此RT2處的分壓即可由pic_SERVER讀取,作為電池電壓判斷的依據。須注意的考量是,由於此電路皆由被動元件組成,因此必然會消耗功率,為減低不必要的功率消耗,需要採用較高的電阻值,盡量降低流經電路的電流以減少功率消耗,因此部分RT1RT2分別為8KΩ以及5KΩ。

2. 切換電路設計

2.2 充電接點

充電接點包含一組充電器接點與一組電源供應器接點(共四個,如圖3中金色突起部分),圖4中分別描述監控車上以及充電站上的充電接點外型,監控車上的接點為半圓弧狀,充電站上的則為平板狀。充電器接點提供充電器對電池單獨充電,當電池充電時,監控車的電源則透過電源供應器接點,由電源供應器提供12V直流電源;接點材料採用厚度20(0.2mm)的磷銅薄片製作,磷銅為具有彈性的材料,當其厚度較薄的情況下具有撓性,適當的材料撓性可增加接點接觸的可靠度。

充電接點的介面往往需要搭配輔助的機構,補償監控車與充電站接點間實際的尺寸容差,加上本次充電站必須設置在監控車的巡航路徑中,因此輔助機構不可或缺,如圖3所示,該機構提供接點介面90度轉向變化,若接點關閉,監控車行經充電站時,該介面不會接觸到充電站接點;反之,若接點開啟,此時接點會接觸,而使充電切換電路作動,進行充電(圖4)。

3. 監控車的充電接點介面設計

4. 接點接觸示意

2.3 充電站

充電站內部主要裝設充電器與電源供應器,充電器採用市售的鉛酸電池自動充電器,具備多重的充電狀態程序控制(涓流充電→大電流充電→過充充電→浮動充電),為一新穎的脈衝式充電方式,可提供最佳化的充電效能。電源供應器採用DC 12V交換式電源,具備體積小、效率高之優點。充電站外觀如圖6所示,外部材質主要以白色PE組成,內部夾層則為壓克力材料,充電站結構設計中一項重要的考量,就是必須具備尺寸間隙微調的空間,因此主機體與底座、充電接點與主機體、導軌與底座之間的組裝都可以局部調整。

5 充電器(ABC-1206M,松大電子)

6 充電站外觀設計

3.     系統整合

3.1 場地規劃

7為此次行動式遠端監控系統針對凱迪威實業公司廠內所預定規劃的軌道路徑,充電站設置於路徑途中,充電站與路徑導軌之架設皆須對地板施工,以螺栓直接固鎖於地板,以求穩固。圖8說明監控車上的充電接點關閉與開啟時的情形,當接點關閉時,端子會隱藏於車身側面,開啟時則會以伺服馬達驅動轉動90度,使其突出於車身側面。圖9說明充電切換電路與系統主電源整合為一模組。

7. 監控車預定軌道路徑示意圖

       

8. 監控車充電接點(開啟與關閉)

9. 電源模組(充電切換電路與主電源分配電路)

10. 充電站實體成品

11. 充電時接點接觸情形

4.     討論與未來改進

本次自動化遠端監控系統製作設計中,首次加入自動充電系統,因此在設計與製作過程中會遭遇許多問題,最重要之處在於如何提供充電接點良好的接觸效果與可靠性,影響原因有下列幾點:

(1)   監控車行駛的穩定度:由於監控車之軌道採用光電開關導引,因此在行駛間必然存在小幅度的左右擺盪,若此擺盪過大,則在駛經充電站定位點時會有停止位置不精準的問題產生,造成充電接點接觸效果不佳,甚至無法接觸。

(2)   接點材料與設計:接點端子材料必須輕薄,且具備良好的回復彈性,否則在經過長時間使用後會因為些微的變形造成尺寸誤差。此外,適當形狀的設計也相當重要。本次設計方案採用的磷銅相當符合需求,但礙於無法購得更薄的尺寸,因此接點端子接觸效果應可更佳。

(3)   結構強度:接點接觸時,接點結構部份因受力而產生的變形產生間隙。

(4)   輔助機構的設計:適當的輔助機構,可以補償接點無法預期的間隙,確保每次接觸時的可靠性。

(5)   整體加工精度:加工與組裝所允許的容差必須很小。

電路方面經由實際使用時可以發現,充電切換電路中的繼電器線圈斷電後復位的速度較激磁時慢一些,因此在充電完成後,充電接點關閉時的瞬間,會造成系統短暫的斷電而重開機,此現象雖不至於影響整體功能運作,但未來可以尋找線圈反應速度較快的繼電器,或從電路下手修正此問題。

至於未來新一代充電系統改進的構想有下列三點:

(1)   減少充電接點數目:可將原本安裝於充電站內的電池充電器安裝於監控車上,如此可將充電接點減少為一組(僅兩個),充電站僅提供固定的DC12-24V電源,監控車上的電池充電器電源亦由此路徑提供。減少充電接點的好處,在於可降低實際搭配的尺寸容差所造成可靠性的問題,同樣地,相關的結構尺寸大小也可縮減。

(2)   改進充電切換電路的設計:將原本監控車上的電源分配電路與充電切換電路完整結合,並尋找反應速度更快的切換方式,或者加入緩衝電路,避免切換間造成主系統的瞬間重開機或當機。更可以設計自動充電與手動充電的模式切換,讓使用上更趨便利。

(3)   新的輔助機構設計:本次充電介面機構的設計(如圖3與圖4)仍有不盡理想之處,未來可以有新的設計方案,確保更良好的接觸效果。