一種簡(jiǎn)單無(wú)線供電車燈裝置的設(shè)計(jì)

馬如偉， 張志禹， 張春美， 張得龍

(1.西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048； 2.濰坊科技學(xué)院，山東 濰坊 262700)

一種簡(jiǎn)單無(wú)線供電車燈裝置的設(shè)計(jì)

馬如偉1， 張志禹1， 張春美1， 張得龍2

(1.西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048； 2.濰坊科技學(xué)院，山東 濰坊 262700)

隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，汽車制造行業(yè)也逐漸成熟，對(duì)于汽車中供電車燈的關(guān)注度正在逐步提高，而非接觸供電車燈的研究是汽車制造業(yè)更為關(guān)注的課題。本文對(duì)非接觸供電車燈的原理以及設(shè)計(jì)作了較為詳細(xì)的闡釋，并用ARM微處理器作為非接觸供電車燈的無(wú)線反饋穩(wěn)壓電路的處理單元，利用Protel DXP2004設(shè)計(jì)出原邊和副邊的PCB板，采用編程工具Keil uVison4編寫原邊電路的發(fā)射程序。最后對(duì)于這種車燈的性能做出了分析，并預(yù)測(cè)其將成為汽車行業(yè)發(fā)展的一種前景。

非接觸供電；汽車燈；無(wú)線反饋

0 引言

圖1 非接觸供電車燈電路的原理圖

眾所周知，汽車的制造過(guò)程是一項(xiàng)很復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要對(duì)車身的整體乃至微小部分做到十分精細(xì)加工，而在諸如像引擎蓋、后備箱處的加工時(shí)，需要增加車燈，而如果在這樣的位置配置了照明燈，電線就會(huì)容易發(fā)生損壞，造成事故的發(fā)生。本文采用非接觸供電的電流型全橋DC-DC隔離式開(kāi)關(guān)電源電路，使用原、副邊不接觸的無(wú)鐵芯線圈。反饋電路將負(fù)載電壓信號(hào)無(wú)線反饋到非接觸充電電路的原邊電路的控制端，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)并改變?cè)呺娐啡珮蜃儞Q器的占空比，使輸出功率穩(wěn)定在設(shè)定值。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路時(shí)，主要針對(duì)非接觸供電和無(wú)線信號(hào)反饋穩(wěn)壓兩部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，這兩部分是非接觸供電車燈中的無(wú)線反饋穩(wěn)壓電路的主要組成部分。非接觸供電部分包括原邊子系統(tǒng)、副邊子系統(tǒng)和非接觸變壓器；無(wú)線信號(hào)反饋穩(wěn)壓電路主要包括發(fā)射電路和接收及反饋控制電路。

1 電路原理圖的設(shè)計(jì)

非接觸供電車燈電路原理圖如圖1所示。

無(wú)線反饋穩(wěn)壓電路中無(wú)論是發(fā)射電路還是接收電路都含有無(wú)線模塊nRF24L01、ARM微處理器(STM32F107RTB6)以及外圍電路，ARM自帶A/D轉(zhuǎn)換端口和PWM輸出功能。汽車的蓄電池為24 V，燈光采用10 V/20 W的照明燈。原邊電路由帶鐵心的耦合電感和功率型開(kāi)關(guān)管構(gòu)成推挽式拓?fù)潆娐?，通過(guò)反饋信息來(lái)調(diào)節(jié)ARM微處理器的PWM輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)光耦隔離，分別控制開(kāi)關(guān)管V1、V2的柵極，使兩個(gè)開(kāi)關(guān)管交替導(dǎo)通和斷開(kāi)，在原邊載流線圈L31兩端產(chǎn)生交流電壓[1]，此交流電壓占空比可調(diào)、頻率固定，其中頻率設(shè)定為38 kHz。

圖3 原邊電路圖(局部)

一次繞組L31、二次繞組L32是互不接觸、對(duì)立平放的不含鐵芯的疏松耦合線圈，這樣就構(gòu)成了一個(gè)非接觸的具有磁耦合性質(zhì)的變壓器。一次繞組L31、原邊子系統(tǒng)、無(wú)線接收及反饋控制電路安裝于汽車車體上；二次繞組L32、副邊子系統(tǒng)、無(wú)線信號(hào)發(fā)射電路和負(fù)載固定在靈活旋轉(zhuǎn)的汽車部件上。同時(shí)原、副邊載流線圈采用平面繞組配合平面磁心的分布式繞組，這樣可以提高非接觸變壓器的耦合系數(shù)K，并保證兩者之間有一定氣隙，互不接觸。

圖2 副邊電路圖(局部)

C1、C4作為補(bǔ)償電容，用于補(bǔ)償功率因數(shù)，降低電路的無(wú)功損耗和開(kāi)關(guān)損耗[2]。二極管D1、D2和電容C2、C3作為倍壓整流電路，L4、C5作為濾波電路消除整流電路中的紋波。R1、R2電阻用于分壓，通過(guò)電壓檢測(cè)環(huán)節(jié)，將得到的電壓采樣值送到ARM微處理器的A/D轉(zhuǎn)換端口ADC0。

通過(guò)對(duì)負(fù)載電壓和電流取樣，用發(fā)射端的ARM微處理器STM32F107-RTB6自帶的A/D轉(zhuǎn)換端口將檢測(cè)到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再用一對(duì)無(wú)線收發(fā)模塊nRF24L01將信號(hào)傳遞到接收端的ARM微處理器STM32F107RTB6。通過(guò)ARM可以自動(dòng)調(diào)節(jié)PWM變換器，控制非接觸供電電路中功率開(kāi)關(guān)管的占空比，改變?cè)呺娐返妮敵龉β?，最終使負(fù)載電壓更加穩(wěn)定[3]。

非接觸供電電路包括副邊電路和原邊電路兩部分，副邊電路(局部)與原邊電路(局部)分別如圖2和圖3所示。

在反饋方面采用雙閉環(huán)控制，即電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)控制，控制方法采用PI調(diào)節(jié)。在電壓控制環(huán)節(jié)中，先將電壓參考值Uref與經(jīng)LC濾波后的電壓值Uo比較，兩者的誤差值經(jīng)過(guò)電壓調(diào)節(jié)器所得到的信號(hào)作為電流參考值Iref。在電流控制環(huán)節(jié)中，將副邊檢測(cè)到的電流值與電流參考值Iref比較，把誤差信號(hào)傳遞給PWM變換器，控制原邊電路中功率開(kāi)關(guān)管的占空比，通過(guò)互不接觸的空芯變壓器的磁耦合改變電路的輸出功率，顯著提高了系統(tǒng)的穩(wěn)壓性能[4]。

2 整流電路的選擇

由于電壓不能滿足要求，所以要升高電壓，可以據(jù)此設(shè)計(jì)電路和選擇電路。本文選擇的是倍壓整流電路。

在副邊整流電路的選擇上，采用的是二倍壓整流電路。二倍壓整流電路其實(shí)是巧妙地應(yīng)用儲(chǔ)能元件和整流元件，將較低的交流電壓“整流”出一個(gè)二倍的直流電壓。如圖4所示。

圖4 二倍壓整流電路

其中，V2為變壓器輸入電壓。

電容器C2和C3上的直流電壓分別為:

3 無(wú)線反饋穩(wěn)壓部分

3.1 無(wú)線信號(hào)發(fā)射模塊

無(wú)線信號(hào)發(fā)射電路由無(wú)線模塊nRF24L01、ARM微處理器STM32F107RTB6及外圍電路組成。無(wú)線模塊nRF24L01既具有發(fā)射功能也具有接收功能，通過(guò)設(shè)定軟件使其處于發(fā)射狀態(tài)，通信頻率選擇2.4 GHz[4]。

當(dāng)負(fù)載工作時(shí)，發(fā)射電路首先檢測(cè)電阻的輸出電壓，此電壓信號(hào)通過(guò)ARM微處理器自帶的A/D轉(zhuǎn)換端口ADC0將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)ARM將數(shù)字信號(hào)以串行通信方式寫入無(wú)線發(fā)射模塊nRF24L01的數(shù)據(jù)輸入腳MOSI，通過(guò)無(wú)線發(fā)射模塊傳遞給無(wú)線接收模塊。實(shí)際上，無(wú)線發(fā)射電路作為副邊電路的核心部分，其主要作用就是檢測(cè)副邊電路的輸出電壓和電流。

3.2 無(wú)線信號(hào)接收模塊

副邊電路中的無(wú)線模塊nRF24L01接收來(lái)自發(fā)射電路的數(shù)字信號(hào)，將此數(shù)字信號(hào)通過(guò)ARM微處理器(STM32F107RTB6)自帶的D/A轉(zhuǎn)換端口讀入，并將其轉(zhuǎn)化為幅值為1 V左右的模擬信號(hào)，由STM32F107RTB6的引腳輸出，此模擬量與負(fù)載電壓成正比，并采用電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)反饋控制的雙積分算法，自動(dòng)調(diào)節(jié)PWM輸出占空比[5-6]，以此控制原邊電路中的功率開(kāi)關(guān)管，改變?cè)呺娐返妮敵龉β?，從而可以調(diào)節(jié)副邊電路的功率，使電壓能夠達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖5 變壓器互感模型

4 非接觸變換器參數(shù)的設(shè)計(jì)

非接觸變換器原、副邊均為不加磁芯的空心繞組[7]，它們可以等效為變壓器互感模型，互感模型的等效電路圖如圖5所示。

如果都折算到原邊，經(jīng)過(guò)計(jì)算：

即折算到原邊時(shí)，變壓器兩側(cè)漏感相同。耦合系數(shù)較高時(shí)，通常變壓器采取兩參數(shù)測(cè)量法，即分別測(cè)量副邊開(kāi)路和短路時(shí)的原邊電感作為變壓器的勵(lì)磁電感和漏感[8]。副邊開(kāi)路時(shí)測(cè)得的電感實(shí)際為：

Lopn=Ls1+Lm

而副邊短路時(shí)測(cè)得的電感為：

Lsht=Ls1+Lm/Ls2

實(shí)際上，根據(jù)上式，可以得到：

Lsht=(1-K2)L1

經(jīng)過(guò)計(jì)算與測(cè)量的比對(duì)，并且因?yàn)椴捎昧朔植际降呐浜掀矫娲判牡钠矫胬@組，耦合系數(shù)提高，確定為0.20。

5 實(shí)驗(yàn)波形及分析

非接觸供電車燈的電源為車載蓄電池，電壓為24 V±10%；車燈的負(fù)載功率為20 W，圖6為實(shí)驗(yàn)所得的電路波形。圖6(a)為變換器副邊線圈的電壓波形。當(dāng)輸入電壓以±10%波動(dòng)時(shí)，通過(guò)圖6(b)的測(cè)試結(jié)果可以看出輸出電壓基本保持在一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。

原、副邊載流線圈距離1.7 cm時(shí)，感應(yīng)耦合系數(shù)測(cè)試值為0.20。如果忽略輔助電源的功耗，電路效率為80%，工作頻率fs=38.5 kHz。

圖6 實(shí)驗(yàn)波形及結(jié)果

6 結(jié)論

傳統(tǒng)的車燈供電方式固然有其獨(dú)特的優(yōu)越性能，但是在某些特定的場(chǎng)合或位置上難以滿足生產(chǎn)以及制造的要求。因此本文通過(guò)非接觸式變換器設(shè)計(jì)出了一種非接觸供電車燈，利用ARM微處理器和Keil編程實(shí)現(xiàn)其特有的功能，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出輸出電壓是穩(wěn)定的，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，而且具有運(yùn)行可靠、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)便利等優(yōu)點(diǎn)。

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A simple design of a wireless device powered lights

Ma Ruwei1, Zhang Zhiyu1, Zhang Chunmei1, Zhang Delong2

(1.School of Automation & Information Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048,China;2.Weifang University of Science & Technology, Weifang 262700,China)

With the development of science and technology, automobile manufacturing industry is becoming mature gradually, the attention for power supply car headlights is gradually improving. The researchment of non-contact powered lights is more concerned topics in the automotive industry. In this paper, the principle and designment of non-contact power lights are explaned detailed, and ARM microprocessor is used as the non-contact power lights wireless feedback regulator voltage circuit processing unit. Protel DXP2004 is used to design primary and secondary side PCB planks. Keil uVison4 is used as programming tools to write launch programs of primary circuit. Finally, the performance of the lights is analyzed. It is forecasted that the proposed powered lights will become a development prospect of the automotive industry.

non-contact power supply;car lights;wireless feedback

TM92

A

1674-7720(2016)05-0075-03

馬如偉，張志禹，張春美，等. 一種簡(jiǎn)單無(wú)線供電車燈裝置的設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(5)：75-77,80.

2015-10-08)

馬如偉(1990-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：無(wú)線傳輸供電。E-mail:18765126264@163.com。

張志禹(1966-)，男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：電力系統(tǒng)控制與故障檢測(cè)。

張春美(1989-)，女，碩士研究生，主要研究方向：新型電力電子裝置。