基于Ti-MSP430的無線充電小車設計與實現(xiàn)

摘 要：電動汽車如今成為整個汽車行業(yè)關注的對象。隨著電動汽車技術的快速發(fā)展，傳統(tǒng)式電動汽車充電方式的一系列問題都被暴露出來，阻礙了電動汽車市場快速發(fā)展。隨著無線充電傳輸技術被引入電動汽車充電領域，尤其是自動泊車和自動駕駛的技術逐漸成熟，人們對無線充電的需求也越來越強烈。文章提出了一種基于Ti-MSP430的無線充電小車設計。

關鍵詞：MSP-EXP430F5529LP;無線充電;電動小車

1 設計方案

本設計以MSP-EXP430F5529LP為核心，利用電磁感應原理，線圈與發(fā)射線圈配合對超級電容進行充電并為MSP430供電，并通過DC-DC升壓模塊得到穩(wěn)定電壓為驅(qū)動電機供電。將充電小車放置在發(fā)射線圈上，自動充電一分鐘，充電完成后能自啟動并完成相應功能。本設計把能夠?qū)崿F(xiàn)無線充電并能自動識別充電時間的車模和控制器看作一種自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由單片機、無線充電、電機驅(qū)動和法拉電容蓄電4個部分組成。其中，5 V/1 A的直流電源為無線發(fā)射端提供電源，使用TI無線充電發(fā)射模塊（BQ500211）和接收模塊（BQ51013A）進行無線充電。使用BOOST結構設計穩(wěn)壓電路，使法拉電容輸入輸出穩(wěn)定的電壓，以延長其使用壽命，再由驅(qū)動電路控制電機的運轉。系統(tǒng)框架如圖1所示。

2 硬件電路設計

2.1 主控電路的設計

由于賽題要求只能選用TI公司的處理器作為主控，在綜合了幾款TI的處理器后，結合本組的知識儲備，選用TI MSP430芯片?？刂圃砣鐖D2所示。

2.2 單元電路的設計

2.2.1 無線充電發(fā)射接收模塊

TI公司提供了一種無線電源發(fā)射器和接收器的控制芯片，可支持WPC聯(lián)盟Qi協(xié)議標準。本設計采用了TI的一款BQ500211新型發(fā)射器控制芯片，同時該芯片也符合Qi標準，能實現(xiàn)對基站和移動設備進行智能化控制[1]。另一塊為BQ51013A的集成性接收器控制芯片，由低壓降穩(wěn)壓器、低阻抗全同步整流器、電壓和電流環(huán)路組成，整個功耗保持了高效率和低功耗耗散，為相應設備提供了穩(wěn)定的DC輸出和具有穩(wěn)定性的控制反饋[2]。

BQ51013A接收器控制芯片能夠便攜地應用在無線電源傳輸?shù)募尚透呓邮掌鱅C，該芯片不僅能夠提供AC/DC電源轉換，而且還具有Qiv1.0通信協(xié)議標準的數(shù)字控制功能。BQ5101X與BQ500210發(fā)送器控制器相結合，能夠為無線充電方案提供相對完整的非接觸式電力傳感系統(tǒng)。

2.2.2 充電電路的設計

本系統(tǒng)依據(jù)賽題的要求，采用電容器作為系統(tǒng)的儲能和供電電路，依據(jù)體積、重量、充電時間等因素，可選擇以下兩種。

第一種：選擇2.7 V/25 F的法拉電容，該電容體積、質(zhì)量小，但蓄電量大。

第二種：選擇2.7 V/500 F的超級電容，該電容體積大，質(zhì)量大，蓄電量也大。

在該小車設計中，由于只需要充電1 min，通過計算和試驗比較，發(fā)現(xiàn)第一種電容容量更合適，且質(zhì)量價格適中。第二種容量、質(zhì)量過大，且價格高，太耗費電量。故選擇第一種。通過實驗驗證，采用兩個25 F的法拉電容串聯(lián)，搭建了儲能充電電路。

2.2.3 穩(wěn)壓電路設計

由于無線接收線圈（BQ51013A）負載后輸出不穩(wěn)定，本設計采用了BOOST升壓穩(wěn)壓模塊，該模塊支持大功率，輸入電流最大可到15 A，輸出電流4 A，輸入3.7 V時，輸出功率可到45 W;輸入12 V時，輸出功率可達80 W。同時該模塊輸出波紋為雙極濾波、低紋波輸出，此電路連接在充電法拉電容后端[3]。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)主程序設計

系統(tǒng)充電穩(wěn)壓處理器工作后，首先要完成系統(tǒng)的初始化，其中，包括時鐘的設置、IO口的設置、定時器的配置等，主程序流程如圖3所示。

3.2 尋跡程序設計

執(zhí)行尋跡功能，執(zhí)行過程中，通過采集兩組左右兩邊的光電傳感器的高低電平，進而控制電機驅(qū)動的轉換速率。

3.3 充電定時程序設計

定時器主要完成充電時間的設置，本系統(tǒng)首先打開定時器1進行定時60 s，同時斷開電機驅(qū)動，定時達到60 s后，主控打開電機驅(qū)動進行工作，執(zhí)行尋跡功能。

4 系統(tǒng)測試

4.1 測試儀器及測試方法

電源適配器為賽道無線線圈提供5 V/1 A。無線充電線圈跑道為小車發(fā)射電感。

4.2 測試過程及結果分析

在調(diào)試好硬件之后，把軟件下載到系統(tǒng)進行充電時間檢測，存在計時不準確、不計時的現(xiàn)象。改進計時的方法，將定時器計時的誤差盡量減小到每分鐘差零點幾秒。對于小車充電不計時這一問題，對無線充電模塊的對接的準確度進行了校準，保證小車一處于充電的狀態(tài)下就開始進行計時。當實現(xiàn)小車充電檢測自檢功能后，根據(jù)要求會在充電1 min后自動啟動行駛。在完成后，本設計改進了小車啟動模式，不僅可以自動啟動，也可以手動啟動。結果表明，小車能很好地完成充電一分鐘后自動運行，運行路程大于1 m，即使路面發(fā)生改變也不影響。

5 結語

本設計對目前電動小車無線充電系統(tǒng)中普遍存在負載發(fā)生變化和互感的情況，分別從控制方式、電路拓撲和磁傳輸部件等方面，針對現(xiàn)有無線充電系統(tǒng)進行理論分析和優(yōu)化設計，使該控制系統(tǒng)能夠應對負載變化，增強了互感能力，也從中得到了可以應用到工程實踐中的方法。

作者簡介：陳威（1998— ），男，重慶人，本科生;研究方向：物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)。

[參考文獻]

[1]胥佳琦.電動汽車動態(tài)無線供電的N型磁耦合機構電磁兼容研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2017.

[2]戴欣，孫躍.單軌行車新型供電方式及相關技術分析[J].重慶大學學報（自然科學版），2003（1）：50-53.

[3]翟淵，孫躍，戴欣，等.磁共振模式無線電能傳輸系統(tǒng)建模與分析[J].中國電機工程學報，2012（12）：155-160.

Design and realization of wireless charging vehicle based onTi-MSP430

Chen Wei

（School of Mathematics and Computer Science， Northwest Minzu University， Lanzhou 730000， China）

Abstract：Electric vehicles are increasingly the focus of the entire auto industry.With the rapid development of electric vehicle technology， a series of problems of traditional electric vehicle charging methods have been exposed， hindering the rapid development of electric vehicle market.Therefore， wireless charging transmission technology has been introduced into the field of electric vehicle charging. In particular， the technology of automatic parking and automatic driving is gradually mature， and peoples demand for wireless charging is increasingly strong.

Key words：MSP-EXP430F5529LP; wireless charging; electric car