基于磁耦合共振技術(shù)的智能小車

朱潔 楊傳海

編者按：本系統(tǒng)采用STC12C5A60S2芯片作為控制中心，與TPS61096A、LM2940、TPS63020、電感線圈、蓄電池、直流電機(jī)、TB6612FNG電機(jī)驅(qū)動、SC2262、SC2272-T4一起構(gòu)成無線充電小車系統(tǒng)。由TPS61096將5V電源升壓，通過電感線圈進(jìn)行無線發(fā)射。通過電流橋利用LM2940降壓、TPS63020進(jìn)行穩(wěn)壓對蓄電池充電。由SC2262作為控制器，發(fā)射信號作用于SC2272-T4接收器，SC2272-T4接收到信號后將信號反饋給單片機(jī)的I/O口，單片機(jī)再通過處理作用于TB6612FNG電機(jī)驅(qū)動使電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)控制車的行走。單片機(jī)產(chǎn)生可變的PWM波來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而產(chǎn)生不同的動力以在運(yùn)動過程中旋轉(zhuǎn)。利用電源穩(wěn)壓模塊與電源結(jié)合，使各個器件工作在最佳狀態(tài)，提供給車體系統(tǒng)最穩(wěn)定的性能。

無線充電系統(tǒng)的背景

近年來，隨著人口收入的增加，機(jī)械工業(yè)保持了強(qiáng)勁的增長。發(fā)展減少能源排放的技術(shù)和新的能源技術(shù)已經(jīng)成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)。電動產(chǎn)品的發(fā)展主要在于其能量的補(bǔ)給，市面上能量供給方案主要有三種：電纜捆綁式慢充;有線方式快速充電;對電動產(chǎn)品采取更換電池的方法。

對于上述的這些狀況，一些研究者們推演出了一種新型的充電方式——采用無線充電系統(tǒng)的方案。這種新的電能傳輸方法可以通過一些常用的介質(zhì)，如空氣、感應(yīng)、磁共振技術(shù)等，在沒有電纜連接的情況下，實(shí)現(xiàn)電能的有效傳輸。不需要人為的插拔電、沒有物理磨損等。更好地與電網(wǎng)進(jìn)行互動，并且削弱了充電活動對電網(wǎng)的影響。這一優(yōu)勢的顯現(xiàn)，使得人們對于無線充電這一方式倍加關(guān)注。

總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)總體方案及結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)裝置以由TPS61096A、LM2940、TPS63020構(gòu)成AC-DC系統(tǒng)。配合電感線圈、蓄電池組成無線充電系統(tǒng)，以STC12C5A60S2單片機(jī)作為控制核心，由主要SC2262發(fā)射、SC2272-T4接收、TB6612FNG電機(jī)驅(qū)動、直流電機(jī)、電源穩(wěn)壓模塊等組成本系統(tǒng)的控制系統(tǒng)（見圖1）。

方案論證與比較

（1）無線發(fā)射器和接收器

采用XKT-801芯片設(shè)計(jì)而成，可以直流遠(yuǎn)程充電，輸出功率大，在整體電路中能穩(wěn)定達(dá)到任務(wù)的要求。

（2）穩(wěn)壓器件

TI 公司的TPS63020是高效率、小電壓、小電流的電源解決方案，效率高達(dá)96%，可在升壓、降壓模式之間自動切換，靜態(tài)電流小于50uA，性能優(yōu)良，符合任務(wù)要求。

（3）信號發(fā)射器和信號接收器

2262/2272是一對具有地址和數(shù)據(jù)編碼功能的紅外遙控收發(fā)器芯片，該發(fā)射芯片包括載波振蕩器、編碼器和傳輸單元，因此傳輸電路非常簡單。

（4）直流電機(jī)驅(qū)動模塊

本模型中使用的TB6612FNG是一種新的驅(qū)動類型，能夠獨(dú)立地控制兩個直流電動機(jī)的兩個方向，它是高度集成的，具有足夠的輸出能力。在集成和小型化的電動機(jī)控制系統(tǒng)中，它可以用作理想的電動機(jī)驅(qū)動裝置。

（5）直流電機(jī)

采用帶有編碼器的ASLONG JGA25-370B減速直流電機(jī)，在通過編碼降低了DC引擎的速度，除了全直流發(fā)動機(jī)和正確的傳動系統(tǒng)外。再加上一個合適的變速齒輪，通過編碼器降低直流電機(jī)的速度，同時，不同的齒輪減速比可以提供不同的轉(zhuǎn)速和扭矩，這大大提高了直流電動機(jī)在自動化行業(yè)中的應(yīng)用。

（6）電源模塊

采用18650電源，具有容量大、壽命長、安全性能高、電壓高、內(nèi)阻小等優(yōu)點(diǎn)。

理論分析與計(jì)算

系統(tǒng)傳輸模型

Marin Soljacic教授于2007年在兩米遠(yuǎn)的地方點(diǎn)亮了一個60W的燈泡，并且達(dá)到了約40%的系統(tǒng)傳輸效率。也就是由此開始，無線電能傳輸技術(shù)的研究和開發(fā)開辟了一個新的研究方向——磁耦合共振無線能量傳輸，提高了對測量設(shè)備范圍的傳輸距離，消除諸如使用微波和激光模型引起的強(qiáng)干擾等安全缺陷。

就目前而言，實(shí)現(xiàn)無線傳輸電能的主要有以下六種方式：磁耦合諧振、微波、超聲波方、感應(yīng)耦合、激光和電池耦合。

磁耦合共振技術(shù)中，用于無線電能傳輸理論分析模型分別是：耦合模理論、等效電路理論。耦合模塊理論是基于系統(tǒng)能量的角度，以能量吸收理論來分析：是以構(gòu)建系統(tǒng)物理模型和結(jié)構(gòu)，預(yù)估實(shí)驗(yàn)參數(shù)來進(jìn)行模擬分析等效電路。這種理論建模方法可以被應(yīng)用于廣大的磁耦合共振問題，但該耦合模式理論大多數(shù)人并不熟悉。本設(shè)計(jì)使用的是磁耦合共振技術(shù)，是針對于串并模型做的設(shè)計(jì)，一旦發(fā)射端被啟用，充電系統(tǒng)會在其周圍產(chǎn)生一個閉合的、非輻射性質(zhì)的磁場。這個磁場通過與接收端的互動，使得接收端產(chǎn)生共振，所以在電能傳輸過程中能量利用率高、損失量小;串并模型的傳輸結(jié)構(gòu)由收發(fā)線圈、高頻電流、可調(diào)容量和負(fù)載組成，系統(tǒng)的高頻電流源將工頻電壓轉(zhuǎn)換成高頻信號，通過能量轉(zhuǎn)移裝置將能量轉(zhuǎn)移到接收線圈側(cè)，并通過直流穩(wěn)壓系統(tǒng)產(chǎn)生穩(wěn)定的直流電壓對當(dāng)前電池充電。

系統(tǒng)傳輸效率及功率分析

據(jù)特定的線圈和器件，L、C為已知參數(shù)，據(jù)公式而言，L、C的電阻值會隨著頻率的變化而變化，由于系統(tǒng)的工作頻率接近線圈的自諧振頻率，為了簡化，所以L、C的電阻值被認(rèn)作是一個固定值，而M與線圈之間的D有關(guān)，，所以η和Pout可寫成只與f、RL和D有關(guān)的函數(shù)。

互感計(jì)算用M≈πμ0r4N 2/2D3近似計(jì)算;r為線圈半徑，N為線圈匝數(shù)，μ0為真空磁導(dǎo)率，D為兩線圈間距。L、C通過算式可得。

線圈參數(shù)分析

對于用作無線傳輸?shù)木€圈而言，它的自感由內(nèi)徑和外徑自感構(gòu)成，故線圈的自感L可通過下列公式進(jìn)行計(jì)算：

式中N表示空心螺旋線圈匝數(shù)，r是空心螺旋線圈的半徑，a為空心導(dǎo)線的半徑。

對于磁耦合諧振無線充電系統(tǒng)，由于系統(tǒng)的工作頻率通常為幾十KHz或數(shù)MHz，線圈的輻射電阻傾向低于歐姆電阻，因此可以忽略輻射電阻，線圈分配電容C的值與線圈的外部補(bǔ)償能力相比較，低的也可以忽略。

對于接收裝置與發(fā)射裝置之間的線圈互感可以根據(jù)線圈間的流量來計(jì)算，感應(yīng)系數(shù)與線圈間的圈數(shù)、半徑及輻射距離密切相關(guān)，如果兩個線圈放置在同一軸上，則可以根據(jù)公式來計(jì)算線環(huán)之間的相互感應(yīng)系數(shù)。

占空比檢測

占空比是指電路在一個周期之內(nèi)高電平所占整個周期的比例。例如，如果電路接通的時間是其工作周期的一半，則其工作周期為50%。就如同元件為電子閥，閥門狀態(tài)為半開狀態(tài)，控制設(shè)置為50%。同樣，如果控制設(shè)置為30%，則高電平持續(xù)時間為一個周期的30%，閥門開度為30%。閥門可以從0%（完全關(guān)閉）調(diào)整到100%（完全打開）。

本設(shè)計(jì)使用的8位的單片機(jī)，故8位PWM的周期為：計(jì)數(shù)脈沖周期×256，頻率為：計(jì)數(shù)的脈沖頻率÷256，脈寬時間為：脈沖周期×（256-期望），占空比為：脈寬時間÷周期，用百分比來表示為1-（期望÷256）×100%。

占空比是指功率開關(guān)打開狀態(tài)（脈寬）與每個脈沖周期的比值，即t/T=δ。t為脈沖寬度，所以這種調(diào)制方式也被稱為脈寬調(diào)制。頻率f=1/T指的是脈沖的頻率可以帶入得出f=δ/t。

脈沖寬度調(diào)制頻率是指信號一個周期內(nèi)從高電平的比例。占空比是高電平持續(xù)時間與低電平持續(xù)時間的比例。頻率越高，對于操作響應(yīng)得就越快，反之頻率越低，則對于操作響應(yīng)就慢。所以通過對占周期的寬度調(diào)節(jié)可以控制PWM（Pulse Width Modulation）的速率，高電平占得周期寬度越寬，輸出的能量就會越高，高電平占周期寬度越窄，輸出的能量就會相應(yīng)的降低，PWM就是通過這種原理從而實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的。調(diào)節(jié)高電平的占周期的比例來實(shí)現(xiàn)控制PWM的頻率從而實(shí)現(xiàn)控制車的行進(jìn)。

電路設(shè)計(jì)

無線發(fā)射與接收系統(tǒng)

采用XKT-801芯片設(shè)計(jì)而成，作為無線發(fā)射與接收系統(tǒng)。由TPS61096A為主體外接電容和電阻配合發(fā)射線圈構(gòu)成無線充電系統(tǒng)的發(fā)射端，由一個線圈作為接收線圈經(jīng)過一個電流橋整流再配合LM2940作為無線充電系統(tǒng)的接收端。

穩(wěn)壓電路

采用TPS63020是高效小型升降壓電源解決方案，輸入電壓為5V，對于輸入電壓能起到一個穩(wěn)壓的功能，性能優(yōu)良。

信號發(fā)射與接收模塊

采用SC2262作為信號發(fā)送器、SC2272-T4作為接收器。2262/2272是一對具有地址和數(shù)據(jù)編碼功能的紅外遙控收發(fā)器芯片，該發(fā)射芯片包括載波振蕩器、編碼器和傳輸單元，因此傳輸電路非常簡單。

軟件開發(fā)

軟件環(huán)境及使用方法

根據(jù)STC12C5A60S2所需求Keil uVisi-on5，以及stc-isp-15xx-v6.86，Keil uVision5用來編寫程序，stc-isp-15xx-v6.86用來進(jìn)行燒錄。

設(shè)計(jì)模型

設(shè)計(jì)無線充電部分主要由TPS61096A為主體外接電容和電阻配合發(fā)射線圈構(gòu)成無線充電系統(tǒng)的發(fā)射端，由一個線圈作為接收線圈經(jīng)過一個電流橋整流再配合LM2940作為無線充電系統(tǒng)的接收端。

電機(jī)驅(qū)動部分通過電流橋利用LM2940降壓、TPS63020進(jìn)行穩(wěn)壓對蓄電池充電。由SC2262作為控制器，發(fā)射信號作用于SC2272-T4作為的接收器，SC2272-T4接收到信號后將信號反饋給單片機(jī)的I/O口，單片機(jī)再通過處理作用于TB6612FNG電機(jī)驅(qū)動使電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)遙控車的行走。單片機(jī)輸出可變的PWM波給電機(jī)調(diào)速，控制2個直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而產(chǎn)生大小不同的力使其在行進(jìn)中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。

軟件功能與結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)是使用的8位的單片機(jī)，故8位PWM的周期為：計(jì)數(shù)脈沖周期×256，頻率為：計(jì)數(shù)的脈沖頻率÷256，脈寬時間為：脈沖周期×（256-期望），占空比為：脈寬時間÷周期，用百分比來表示為：1-（期望÷256）×100%。

通過計(jì)算PWM占空比的計(jì)算編寫程序，SC2272-T4接收到信號后將信號反饋給單片機(jī)的I/O口，單片機(jī)再通過處理作用于TB6612FNG電機(jī)驅(qū)動使電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)遙控車的行走。單片機(jī)輸出可變的PWM波給電機(jī)調(diào)速，控制2個直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而產(chǎn)生大小不同的力使其在行進(jìn)中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。

軟件測試

編寫好程序后，用Keil uVision5進(jìn)行檢查無誤后，進(jìn)行編譯，再利用仿真進(jìn)行現(xiàn)實(shí)模擬，達(dá)到預(yù)期效果后，利用stc-isp-15xx-v6.86用來進(jìn)行燒錄，反復(fù)試驗(yàn)制作出的實(shí)物是否符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

測試結(jié)果及分析

測試儀器

用雙通道數(shù)字示波器、四位半數(shù)字萬用寶、直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行測試。

測試方案

首先先將無線線圈發(fā)射端接上電源，用DT930F+4四位半數(shù)字多用表測試無線線圈發(fā)射端是否指標(biāo)正常。再讓車處于靜止?fàn)顟B(tài)開始，開啟電源，再用DT930F+4四位半數(shù)字多用表進(jìn)行測試各個指標(biāo)是否正常，然后進(jìn)行按鍵測試;觀察小車運(yùn)動情況，記錄N次后，經(jīng)過多次測試得出結(jié)果。

測試數(shù)據(jù)結(jié)果分析

（1）測試結(jié)果

經(jīng)過測試要求：采用XKT-801芯片設(shè)計(jì)而成作為無線發(fā)射與接收，發(fā)射端利用萬用表測得供電電壓為5V，供電電流不大于1A，電路板上各個參數(shù)均符合預(yù)期效果并且能完美實(shí)現(xiàn)無線充電功能;當(dāng)按下SC2262的A鍵后，兩電機(jī)正轉(zhuǎn)，小車直行，示波器測試其PWM，兩輪占空比一致為70%;當(dāng)按下SC2262的B鍵后，兩電機(jī)正轉(zhuǎn)，小車左轉(zhuǎn)，示波器測其PWM波，右輪占空比為70%，左輪為40%;當(dāng)按下SC2262的C鍵后，兩電機(jī)正轉(zhuǎn)，小車右轉(zhuǎn)，示波器測其PWM波，右輪占空比為40%，左輪為70%;當(dāng)按下SC2262的D鍵后，兩電機(jī)反轉(zhuǎn)，小車后退，示波器測試其PWM，兩輪占空比一致為70%。四種情況所需的條件均滿足題目要求，在允許誤差范圍內(nèi)，出色地完成了基本及發(fā)揮部分任務(wù)。

（2）誤差分析

① 系統(tǒng)誤差：由于裝置純手工搭建，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定受到一定的影響，從而指標(biāo)數(shù)據(jù)存在誤差。

② 人為誤差：由于觀測者有自己的習(xí)慣和特點(diǎn)，在測試裝置指標(biāo)數(shù)據(jù)時造成誤差。

總結(jié)

此次設(shè)計(jì)方案的核心部件是STC12C5 A60S2和磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)，通過硬件電路和軟件程序的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了無線充電智能小車的設(shè)計(jì)。在這次設(shè)計(jì)的無線充電系統(tǒng)中，選取了一個經(jīng)典的轉(zhuǎn)換過程。即為系統(tǒng)由高頻電源、傳輸線圈、接收線圈、整流電路、穩(wěn)壓電路、負(fù)載組成。傳輸線圈將工頻電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l能量信號，將能量傳輸?shù)浇邮站€圈，再經(jīng)過一個整流橋后進(jìn)過穩(wěn)壓電路對電池進(jìn)行平穩(wěn)的充電。

此方案的硬件設(shè)計(jì)主要是幾個核心部件和其他輔助模塊的連接，通過按鍵控制整個小車行進(jìn)的功能，即發(fā)射信號作用于SC2272-T4作為的接收器，SC2272-T4接收到信號后將信號反饋給單片機(jī)的I/O口，單片機(jī)再通過處理作用于TB6612FNG電機(jī)驅(qū)動使電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)遙控車的行走。單片機(jī)輸出可變的PWM波給電機(jī)調(diào)速，控制2個直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而產(chǎn)生大小不同的力使其在行進(jìn)中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。整個程序的設(shè)計(jì)思路比較清晰，能夠達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Pfeiffer W S ， Adkins K E . Technical communication ： a practical approach[M]. Pearson Education International， 2009.

[2]張建平. 常用無線收發(fā)模塊應(yīng)用與選型[J]. 無線電， 2008（04）：74-76.

[3]童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第5版）[M].北京：高等教育出版社，2017：92-122.

[4]代世臣. 基于單片機(jī)的信號波形發(fā)生器設(shè)計(jì)[J]. 數(shù)碼世界， 2017（03）：19-20.

[5]謝端. 關(guān)于兩線圈磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)男史治鯷J]. 電子測試， 2018（16）：2-2.

[6]黃學(xué)良，吉青晶，譚林林，等.磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)串并式模型研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報， 2013（03）：177-182.

[7]李秀霞，鄭春厚.Protel DXP 2004電路設(shè)計(jì)與仿真教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2016.

[8]王靜霞，楊宏麗，劉俐.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)（C語言版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2016：48-60.

[9]郭天祥.新概念51單片機(jī)C語言教程一入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[10]任志剛.電子信息工程專業(yè)英語教程[M].北京：電子工業(yè)出版社.2016.