基于無線供電的循跡小車設(shè)計(jì)與制作

摘要：無線供電技術(shù)隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，對(duì)該技術(shù)開展的相應(yīng)研究也不斷在增強(qiáng)，從電動(dòng)汽車無線供電的目標(biāo)出發(fā)，建立現(xiàn)代工廠智能物流小車實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在低功率領(lǐng)域?qū)ρE方式、無線供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)等相關(guān)問題進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作及實(shí)證。為后續(xù)功率提升提供借鑒和參考，同時(shí)也為高校教學(xué)中的循跡小車訓(xùn)練項(xiàng)目的提供擴(kuò)展參考。

關(guān)鍵詞：無線供電 循跡小車 無線充電 磁耦合

中圖分類號(hào)： TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）07（c）-0000-00

無線供電技術(shù)隨著氣候變化、能源枯竭和環(huán)境保護(hù)的日趨嚴(yán)峻而不斷發(fā)展，而電磁偶爾具有的功率大、輸電效率高的特點(diǎn)，各高校和研究機(jī)構(gòu)先后投入該領(lǐng)域的研究和應(yīng)用。但目前主要研究成果仍然集中在美國、日本、韓國等國家。我國的研究主要集中在實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證、應(yīng)用推廣領(lǐng)域。各高校也將無線供電作為課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)引入到教學(xué)當(dāng)中，并組件相關(guān)的興趣小組。而循跡小車作為典型的機(jī)器人技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，將無線輸電技術(shù)和循跡結(jié)合起來，是實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大循跡小車應(yīng)用功能的一個(gè)思路。

1 設(shè)計(jì)概要

小車的設(shè)計(jì)與制作共分為四個(gè)部分，首先制作實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目蚣?，尺寸?0CM*50CM，材料為木制框架及PT板臺(tái)面，同時(shí)進(jìn)行技術(shù)分析，包括線圈排布，變壓器位置等進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。其次選定循跡方式，在設(shè)計(jì)過程中初次方案為基于C51單片機(jī)平臺(tái)的循跡，為降低負(fù)載功率，選用基于ATS51平臺(tái)的紅外探測(cè)比較循跡方式。選定方案后，進(jìn)行小車的焊接與制作。再次是選定充放電電路，進(jìn)行比較后制作供電系統(tǒng)模塊。最后對(duì)供電系統(tǒng)與循跡小車的配合進(jìn)行仿真，進(jìn)行參數(shù)修正，并形成成品。

2 循跡模塊設(shè)計(jì)

2.1小車循跡原理

循跡小車的循跡原理是在制作好的模型框架上，可以用記號(hào)筆等進(jìn)行自由的軌道繪制，由于黑線與白底對(duì)光的反射系統(tǒng)不同，傳感器可根據(jù)接收到的反射光來進(jìn)行判斷，并將判斷結(jié)果輸送給電機(jī)。

2.2檢測(cè)電路

在循跡的方式中，利用紅外探測(cè)是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法，由于設(shè)計(jì)對(duì)精度的要求不高，因此采用紅外探測(cè)的方法。即紅外線對(duì)不同顏色物體的表面有著不同的反射性質(zhì)，當(dāng)遇到白色底板時(shí)候，發(fā)生漫反射現(xiàn)象，反射光被接收管接收，若為黑線，則接收管無信號(hào)。為提高可靠性，采用集成式的ST系列探頭，該系列探頭具有價(jià)廉、方便、可靠等優(yōu)點(diǎn)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外接電路如圖1所示。

圖1 ST168檢測(cè)電路

圖2中R1限制發(fā)射二極管的電流，發(fā)射管的電流和發(fā)射功率成正比，但受其極限輸入正向電流影響，用R1=150的電阻作為限流電阻，Vcc=5V作為電源電壓，測(cè)試發(fā)現(xiàn)發(fā)射功率滿足檢測(cè)需要；R2限制接收電路電流，保護(hù)接收紅外管和檢測(cè)電路的靈敏度的調(diào)節(jié)。在輸出端增加了比較器，先將ST168輸出電壓與2.5V進(jìn)行比較，再送給單片機(jī)處理和控制。

高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏光電晶體管是ST168的主要組成部分，檢測(cè)方式為非接觸式。當(dāng)然也存在檢測(cè)距離?。?～15mm），8mm以下為檢測(cè)盲區(qū)，大于15mm干擾過大。經(jīng)過反復(fù)比較和測(cè)試，距離檢測(cè)表面為11mm為最佳檢測(cè)距離。安裝的排列方式如圖2所示。在底盤裝設(shè)4個(gè)紅外探測(cè)頭，進(jìn)行兩級(jí)方向糾正控制，提高其循跡的可靠性。

圖2 紅外探頭的分布圖

2.3軟件控制單元

軟件控制是循跡小車制作的核心部分，起著控制小車所有運(yùn)行狀態(tài)的作用，主要表現(xiàn)為循跡程序的設(shè)計(jì)與編寫。當(dāng)小車進(jìn)入循跡模式，程序不間斷讀取與傳感器連接的I/O接口，若檢測(cè)到接口有信號(hào)變化，則啟動(dòng)判斷程序，同將輸出的結(jié)果輸送給電機(jī)，通過電機(jī)的動(dòng)作糾正小車的狀態(tài)。其程序控制方框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的程序流程圖

2.4車速的控制

車速控制是設(shè)計(jì)中比較重要的部分，一般可以通過步進(jìn)電機(jī)代替直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)車速調(diào)節(jié)。另外一種做法是在原有直流電機(jī)的基礎(chǔ)上，采用PWM調(diào)速法進(jìn)行調(diào)速。若采用前一種，則在機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行預(yù)先設(shè)計(jì)與制作，因此采用后一種方式，利用輸出端高電平的脈寬及占空比的大小來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速度。通過實(shí)驗(yàn)不斷調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)，使小車能夠較為平穩(wěn)地進(jìn)行動(dòng)作，克服在尋循跡時(shí)搖擺的問題。

2.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元

由于單片機(jī)接口輸出的信號(hào)功率很低，在無多余負(fù)載時(shí)也無法驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在實(shí)際應(yīng)用往往加入驅(qū)動(dòng)芯片，用來提高驅(qū)動(dòng)功率，使能夠根據(jù)實(shí)際需求來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，在設(shè)計(jì)中根據(jù)驅(qū)動(dòng)功率大小的需求選擇L298N驅(qū)動(dòng)芯片。

3 無線供電模塊設(shè)計(jì)

3.1無線供電概述

無線電能傳輸（Wireless Power Transmission， WPT），就是在無任何物理上的連接或接觸（不用導(dǎo)線）的情況下，通過電磁場(chǎng)、電磁波進(jìn)行電能傳輸?shù)囊环N技術(shù)。美國麻省理工學(xué)院于2007年發(fā)表其研究成果后，無線電能傳輸技術(shù)作為一種中等距離無線電能傳輸技術(shù)，受到了越來越廣泛的關(guān)注。該成果中所敘述的磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)也就成為了研究熱點(diǎn)問題。

3.2 無線供電模塊設(shè)計(jì)

3.2.1 電磁感應(yīng)充電原理

其工作原理與變壓器相似，但原邊和副邊是分離的，沒有任何物理上的連接接觸，當(dāng)發(fā)送線圈中通以交變電流，該電流在將在周圍介質(zhì)中形成一個(gè)交變磁場(chǎng)，電能、磁能隨著電場(chǎng)與磁場(chǎng)的周期變化以電磁波的形式向空間傳播，要產(chǎn)生電磁波首先要有電磁振蕩，電磁波的頻率越高其向空間輻射能力的強(qiáng)度就越大，電磁振蕩的頻率至少要高于100KHZ，才有足夠的電磁輻射。接收線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可驅(qū)動(dòng)小車模型。

系統(tǒng)通過逆變電路將直流電轉(zhuǎn)換為高頻等幅交流信號(hào)驅(qū)動(dòng)原邊繞組，副邊繞組磁通量的高頻變化使得副邊繞組中產(chǎn)生一定幅值的高頻感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓可得到具有一定驅(qū)動(dòng)能力的直流電。

3.2.2電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中由于原、副邊線圈存在很大的漏感，所以要提高系統(tǒng)的效率，需要加入適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，減小漏感的能量消耗，使電路工作在諧振的狀態(tài)，可以有效降低電源的電壓電流定額，使得原邊電壓電流同相位，輸入具有高功率因數(shù)。選用XKT-408A集成PWM方波調(diào)制發(fā)生器芯片完成高頻振蕩，用T5336集成晶閘管芯片做功率放大電路，綜合考慮電能發(fā)射模塊的復(fù)雜程度、體積、成本以及小車模型的工作電壓和工作電流需求，設(shè)計(jì)電能發(fā)射的原邊電路如圖4所示。

圖4 電能發(fā)射電路

副邊電路用肖特基二極管進(jìn)行整流后經(jīng)T3168開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片變壓后輸出5V給小車供電，電路如圖5所示。

圖5 電能接收電路

3.2.3 電路的仿真與實(shí)驗(yàn)

（1）仿真。

利用MULTISIM繪制出仿真實(shí)驗(yàn)電路：按圖設(shè)置各元件的參數(shù)，打開仿真開關(guān)，從示波器上兩個(gè)通道觀察輸出波形及其與輸入信號(hào)的關(guān)系。

（2）實(shí)際電路的測(cè)試。

為分析各個(gè)因素對(duì)傳輸效率的影響，參數(shù)選擇時(shí)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，首先確定發(fā)射線圈用線徑Φ0.7mm，外徑50mm，電感量30uH，接收線圈線徑Φ0.7mm，直徑為50mm。

4 結(jié)語

為可行性探索實(shí)驗(yàn)的樣機(jī)，目標(biāo)功能為驅(qū)動(dòng)小功率汽車模型，如果將該設(shè)計(jì)推廣到電動(dòng)汽車上為大容量電池充電，從理論上還需要有相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，同時(shí)存在功率穩(wěn)定和電磁輻射的問題。通過實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ万?yàn)證，初步概想作為新型玩具，或者應(yīng)用到現(xiàn)代工廠中的智能循跡小車，具備一定的應(yīng)用價(jià)值，當(dāng)然還有如供電功率、線徑、傳輸效率等諸多因素要考慮，在后續(xù)的研究中加以深入探討。

參考文獻(xiàn)

[1]夏晨陽.感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)能效特性的分析與優(yōu)化研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2010.

[2]黃俊博.ICPT系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性分析及耦合傳輸功率研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2010.

[3]陸洪偉.一種諧振式強(qiáng)磁耦合型無線充電系統(tǒng)的研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2012.

[4]百度文庫.四種無線充電技術(shù)簡(jiǎn)單原理[EB/OL].（2002-04-15） [2013-04-10].http//wenku.baidu.comiew/e8ca7e7a27284b73f24250ef.html.