無線充電小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真論證案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u172881無線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 140061.1電路設(shè)計(jì) 167301.1.1逆變電路設(shè)計(jì) 1296521.1.2發(fā)射端控制電路設(shè)計(jì) 2265071.1.3接收端控制電路設(shè)計(jì) 313651.2軟件設(shè)計(jì) 449551.2.1發(fā)射端軟件設(shè)計(jì) 5318861.2.2接收端軟件設(shè)計(jì) 6273481.3超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置的設(shè)計(jì) 7141621.4本章小結(jié) 733562無線充電小車系統(tǒng)的驗(yàn)證 957272.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建 9259492.2線圈相對(duì)位置變化實(shí)驗(yàn) 9225262.2.1水平距離變化 9167642.2.2垂直距離變化 10246572.3恒功率充電實(shí)驗(yàn) 11214032.4本章小結(jié) 111無線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求：1、輸入直流電源為24V，電流最大為3A。2、諧振頻率為400kHZ。3、效率達(dá)65%以上。4、充電間隔3到5厘米。1.1電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)主要分為兩個(gè)裝置，發(fā)射裝置和接收裝置，發(fā)射裝置主要由逆變電路、驅(qū)動(dòng)電路組成，而接收裝置主要有整流電路、電容充電電路組成，本章將開始根據(jù)前幾章的結(jié)論來設(shè)計(jì)無線充電系統(tǒng)電路、軟件和器件選擇。1.1.1逆變電路設(shè)計(jì)逆變電路主要分為兩種，全橋式圖3-2和半橋式圖3-1，直流進(jìn)入逆變電路后將會(huì)變成交流電，該交流電將激勵(lì)發(fā)射裝置的線圈發(fā)出一直變化的電磁場，若接收線圈處于該磁場內(nèi)，線圈內(nèi)將產(chǎn)生電流，以此完成電能的傳輸。圖3-1半橋逆變圖3-2全橋逆變?nèi)鐖D3-1所示為半橋逆變電路，由兩個(gè)NMOS組成，兩MOS(場效應(yīng)管)交替打開就能將直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓，上MOS打開下MOS關(guān)閉時(shí)由直流電源與線圈形成回路，下MOS打開上MOS關(guān)閉時(shí)由線圈自己構(gòu)成回路，因?yàn)椴ㄐ沃挥幸话?，所以輸出電壓的峰值是輸入的直流電源?.5倍，而且還要保證C1和C2電容上電壓一致。如圖3-2所示為全橋逆變電路，由四個(gè)NMOS組成，對(duì)角線的兩個(gè)MOS可以看成一雙一起打開，四個(gè)MOS按對(duì)角線分為兩組，各組MOS交替打開和關(guān)閉就可以將直流電變成交流電，因其波形完整，所以全橋逆變輸出的交流電峰值與輸入的直流電源電壓一致，適合功率要求較大的場合，因此本設(shè)計(jì)使用全橋逆變結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，選擇IRLR7843做為本設(shè)計(jì)發(fā)射端的NMOS，其具有2.5V的導(dǎo)通電壓，可以由單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，并且IRLR7843的內(nèi)阻僅有1.3mΩ，寄生電容34nC，所以開關(guān)損耗很低。諧振電容選擇兩個(gè)5.6nF的NP0陶瓷電容并聯(lián)，NP0陶瓷電容損耗小、耐高低溫特性好、絕緣值高，很適合用在高頻電路中。發(fā)射線圈使用多股紗包線自行繞制而成，其電感值為12.6uH，之所以采用多股紗包線是因?yàn)榇嬖谮吥w效應(yīng)的影響，在導(dǎo)線中通過交流電時(shí)，電荷主要集中在導(dǎo)線表面一層，這樣會(huì)造成導(dǎo)線阻值升高，即損耗增高。在高頻電路中趨膚效應(yīng)尤為嚴(yán)重，而采用多股紗包線可以有效地降低趨膚效應(yīng)的不良影響，因?yàn)槎喙杉啺€是由多根細(xì)導(dǎo)線繞制而成，導(dǎo)線數(shù)量越多，則導(dǎo)線總的表面積也就越大，從而可以有效地減小趨膚效應(yīng)的耗損。1.1.2發(fā)射端控制電路設(shè)計(jì)根據(jù)本電路設(shè)計(jì)要求，為了保證同橋臂MOS可以同時(shí)打開，這里使用EG2104芯片，該芯片為MOS驅(qū)動(dòng)器，可以同時(shí)控制兩個(gè)MOS關(guān)閉和打開，控制電壓兼容5V和1.3V，最高頻率500KHZ，輸出電流能力IO1A/1.5A，滿足本設(shè)計(jì)要求，圖3-3為發(fā)射端控制電路和逆變電路的原理圖。驅(qū)動(dòng)電路不僅承擔(dān)著驅(qū)動(dòng)MOS的任務(wù)，還承擔(dān)著保護(hù)單片機(jī)和MOS管的任務(wù)。圖3-3發(fā)射端驅(qū)動(dòng)電路圖1.1.3接收端控制電路設(shè)計(jì)接收端裝置電路主要由整流濾波電路、充電電路、功率采集電路組成，下面開始分步設(shè)計(jì)電路。1.1.1.1整流濾波電路設(shè)計(jì)將高頻交流電變?yōu)橹绷麟娪卸喾N方式，這里列出兩種較為簡單的電路，倍壓整流圖3-4左，倍壓整流相較于全波整流能夠獲得更高的電壓，并且只需要兩個(gè)二極管。全波整流圖3-4右，全波整流相較于倍壓整流輸出電壓要低一些，并且要多用兩個(gè)二極管，但倍壓整流在獲得高輸出電壓的同時(shí)，電源內(nèi)阻會(huì)更大，也就是在輸出電流上升時(shí)，電壓降低速率相較于全波整流更高，對(duì)于對(duì)超級(jí)電容充電的大電流電路中電壓降的更低，所以本設(shè)計(jì)采用全波整流。二極管選擇肖特基二極管SK1010，肖特基具有恢復(fù)速度超快的特點(diǎn)，適用于高頻場合，SK1010具有100V的耐壓和10A的大電流，滿足本設(shè)計(jì)的要求。接收端線圈用多股紗包線制作而成，電感值為12.8uH,電容采用兩個(gè)2.2nF的NP0電容并聯(lián)而成。在發(fā)射逆變電路1.1.1中已詳細(xì)說明，這里不在贅述。圖3-4整流電路1.1.1.2充電電路設(shè)計(jì)充電電路如圖3-5所示，充電電路主要由MOS驅(qū)動(dòng)芯片EG2104、半橋、大電感和二極管組成，圖3-5中的R4電阻為采樣電阻，將在下面講解。MOS管Q1和Q2交替打開，當(dāng)Q1打開時(shí)，由VCC(整流電路后的直流電)通過大電感L1和二極管D9向電容充電，二極管D9主要起到防止電流回灌的作用。當(dāng)MOS管Q2打開，大電感L1和電容自成回路，由大電感繼續(xù)向電容充電。MOS管的控制頻率在10KHZ,電感L1除了在非充電時(shí)間段給超級(jí)電容充電外還和電容C16和C14構(gòu)成低通濾波器[8]，進(jìn)一步的濾掉高頻諧波。圖3-5超級(jí)電容充電電路1.1.1.3充電功率采集電路設(shè)計(jì)充電功率采集電路如圖1-6所示，電阻R1和R2是串聯(lián)分壓，將電容兩端的電壓縮小6倍，電容的電壓在沒縮小之前較大，因此超出了單片機(jī)ADC(模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器)采集的量程，電流的采集使用的是圖3-5電路圖中的采樣電阻R4和圖3-6中的AD8217,因電阻只有0.02Ω,所以電阻上的電壓很小，AD8217為差分放大器，可以將極小的電壓放大20倍，后由OUT引腳輸出，供給單片機(jī)采集，在單片機(jī)內(nèi)部計(jì)算后得到電流大小，因此電流的充電功率就采集到了。經(jīng)過估算電流大小暫選采樣電阻為0.02Ω，功率3W。差分放大器選擇AD8217是因?yàn)槠渚哂休^高的分辨能力，并且只要輸入的共模電壓范圍在2.5V到80V之間，就不需要其它的電源，因?yàn)锳D8217里封裝了一個(gè)低壓差線性穩(wěn)壓器。圖3-6充電功率采集電路1.2軟件設(shè)計(jì)發(fā)射端單片機(jī)A使用Ti的LM3S1138，接收端單片機(jī)B采用NXP的kea128，編譯環(huán)境為IAREmbeddedWork。1.2.1發(fā)射端軟件設(shè)計(jì)1.2.1.1發(fā)射端單片機(jī)初始化發(fā)射端軟件較少，圖3-7為LM3S1138初始化流程圖，單片機(jī)有電后，關(guān)閉看門狗，初始化時(shí)鐘模塊，因?yàn)樗械哪K都要用到時(shí)鐘，接著初始化GPIO管腳，發(fā)射端逆變電路需要一個(gè)400KHZ的占空比為50%的方波信號(hào)，所以接著初始化PWM模塊，至此初始化完成。圖3-7發(fā)射端控制器初始化流程圖1.2.1.2發(fā)射端單片機(jī)循環(huán)流程在單片機(jī)A初始化完成后，單片機(jī)控制PWM管腳發(fā)出400KHZ占空比50%的方波信號(hào)，同時(shí)開始計(jì)時(shí)，在計(jì)時(shí)60s后停止輸出PWM信號(hào)，即停止充電。流程圖如圖3-8所示。圖3-8發(fā)射端控制器循環(huán)流程圖1.2.2接收端軟件設(shè)計(jì)1.2.2.1接收端單片機(jī)初始化在發(fā)射裝置的線圈發(fā)出一直變化的電磁場時(shí)，接收裝置單片機(jī)B上電啟動(dòng)，初始化時(shí)鐘、GPIO、ADC模塊、PWM模塊，然后直接發(fā)出控制超級(jí)電容充電的PWM信號(hào)。ADC模塊要采集三種數(shù)據(jù)，一個(gè)是充電電流，一個(gè)是電容電壓，另一個(gè)就是線性CCD的電壓。PWM信號(hào)也需要三個(gè)，分別是超級(jí)電容充電PWM和左右電機(jī)的控制PWM。圖3-9接收裝置初始化流程圖1.2.2.2接收端單片機(jī)循環(huán)流程接收端的循環(huán)流程圖如圖3-10所示，在微控制器初始化完成后，超級(jí)電容進(jìn)入充電狀態(tài)，同時(shí)采集充電電壓電流計(jì)算充電功率，這里設(shè)定充電功率為30W。超級(jí)電容充電采用Pi控制[9]，當(dāng)充電功率高于30W時(shí)降低i的值，當(dāng)充電功率低于30W時(shí)增加i的值。然后每個(gè)周期通過判斷電流是否為0來結(jié)束充電，并啟動(dòng)小車循跡跑，當(dāng)充電電流為0時(shí)，即充電功率為0，代表著發(fā)射端已經(jīng)計(jì)時(shí)60s，停止了發(fā)射交變電磁場。充電結(jié)束后小車啟動(dòng)，通過線性CCD采集[10]道路信息，然后按照黑色軌跡繞行，直至超級(jí)電容的電量降低到不足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)為止。圖3-10接收端循環(huán)流程圖1.3超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用4個(gè)2.7V的10F超級(jí)電容，采用兩個(gè)兩個(gè)串聯(lián)然后再并聯(lián)的組合方式，最終超級(jí)電容組的耐壓值為5.4V，容量為10F。通過公式（3-1）求得超級(jí)電容組儲(chǔ)能145.8J。 W=U式中U為電容電壓，單位VC為電容容量，單位FW為電容儲(chǔ)能能量,單位J當(dāng)電壓低于1.6V時(shí)，系統(tǒng)無法工作，利用公式（3-1）可知，超級(jí)電容中不能使用的能量為12.8J。除掉充電過程中的能量損耗和電壓低于1.6V后不能使用的能量，此超級(jí)電容組能夠利用的能量為112.2J。1.4本章小結(jié)本章以前幾章的理論為依據(jù)完成了無線充電小車系統(tǒng)電路、軟件的設(shè)計(jì)和超級(jí)電容組的設(shè)計(jì)。電路主要包括發(fā)射端的逆變電路[11]、逆變控制電路、接收端的整流電路[12]、超級(jí)電容充電電路、充電功率采集電路等，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括發(fā)射接收端的控制程序、PI調(diào)節(jié)程序、線性CCD循跡程序。

2無線充電小車系統(tǒng)的驗(yàn)證本章將對(duì)設(shè)計(jì)的無線充電系統(tǒng)展開實(shí)驗(yàn)，分析耦合系數(shù)對(duì)充電功率的影響以及恒功率充電情況。2.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建如圖4-1所示，該平臺(tái)是根據(jù)第三章的系統(tǒng)設(shè)計(jì)建立的，接下來將利用該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行無線充電功率效率和超級(jí)電容的充電的實(shí)驗(yàn)，測試該設(shè)計(jì)的功率效率參數(shù)。圖4-1無線充電小車實(shí)驗(yàn)平臺(tái)2.2線圈相對(duì)位置變化實(shí)驗(yàn)2.2.1水平距離變化圖4-2是接收裝置的線圈水平方向移動(dòng)繪制出的數(shù)據(jù)，從中可以看出線圈在發(fā)射裝置線圈中心位置的功率并不是最高的，而在接收線圈靠近發(fā)射線圈邊緣的功率最高，但是只要保證接收線圈在發(fā)射線圈內(nèi)部就能保持較高的充電功率。圖4-2水平距離電壓電流變化圖2.2.2垂直距離變化圖4-3中的數(shù)據(jù)是接收線圈從0.5cm到7cm之間，等分成50個(gè)間距測量得來的，從圖4-3中可以看出，隨著高度的增加，電壓降低了18V，并且負(fù)載電流