無線充電運(yùn)輸平臺節(jié)能技術(shù)研究

陳冠楠,崔宏耀,趙智飛,楊磊光,陶莉煒

(黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院,哈爾濱 150050)

就現(xiàn)階段的技術(shù)而言，絕大多數(shù)無線充電設(shè)備是根據(jù)電磁感應(yīng)原理[1]進(jìn)行能量傳輸?shù)?。無線充電技術(shù)是近年來比較主流的新技術(shù)之一。它依靠電磁場將供電端的電能輸送給電池，從而對其進(jìn)行充電。智能車在近幾年不斷發(fā)展，通過傳感器、微處理器、自動控制等技術(shù)實(shí)現(xiàn)無人駕駛，在無線充電的基礎(chǔ)上加上小車的合理布局以減輕車子的重量，使得小車在環(huán)保和節(jié)能方面實(shí)現(xiàn)雙結(jié)合，以體現(xiàn)小車的應(yīng)用價值，同時也是現(xiàn)在社會發(fā)展的需要。文中將重點(diǎn)闡述無線充電節(jié)能智能車的技術(shù)研究。

1 平臺的總體方案

本平臺主要由無線充電模塊、超級電容組儲電模塊、車模結(jié)構(gòu)模塊、小車智能尋跡單片機(jī)模塊組成。滿足設(shè)計(jì)的車模結(jié)構(gòu)平臺以S9KEAZ128ZAMLK單片機(jī)[2]最小系統(tǒng)為控制單元，利用無線充電接收模塊進(jìn)行無線電磁感應(yīng)獲取電量，并儲存到超級電容組中；以電磁傳感器作為小車采集道路信息的傳感器，漫反射式紅外光電傳感器作為避障的傳感器，MPU6050陀螺儀模塊作為轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速的傳感器，霍爾元件作為停車的傳感器。單片機(jī)在檢測超級電容并存儲電量后自啟動，利用電磁傳感器采集的道路信息以及障礙、停車等信號進(jìn)行控制，將PWM信號輸出到左右電機(jī)上差速完成(例如在直道、彎道、十字路口、障礙前等)各項(xiàng)目標(biāo)動作。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架

2 硬件電路模塊

2.1 無線充電接收模塊

圖2 充電接收功率控制電路

圖3 充電電流檢測電路

圖4 降壓電路

圖5 升壓電路

圖6 電磁運(yùn)算放大電路

2.2 電源升降壓模塊

超級電容電源模塊是根據(jù)小車在規(guī)定運(yùn)輸線完成運(yùn)輸項(xiàng)目任務(wù)所需電量來制作。對于不同的任務(wù)以及規(guī)定車的運(yùn)輸線來選擇不同的電容組。由于在運(yùn)輸過程中電壓降低，為充分利用電容的電量，實(shí)現(xiàn)在低電壓的狀態(tài)下單片機(jī)仍然可以進(jìn)行運(yùn)作,并且在小于電機(jī)的最小驅(qū)動條件下，保證可以正常完成任務(wù)所需要的升降壓設(shè)計(jì)。圖4和圖5為小車升降壓電路。

2.3 電磁運(yùn)算放大模塊

圖6為電磁運(yùn)算放大電路，在接有20 kHz、100 mA的交變電流源的信號發(fā)生器的電磁引導(dǎo)線中，利用電磁傳感器來檢測通電引導(dǎo)線所發(fā)出的磁場強(qiáng)度，再將此信號送入電磁運(yùn)算放大模塊中進(jìn)行信號放大。LM358芯片是一款雙運(yùn)算放大器，內(nèi)部包括兩個獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器，適用于電源電壓范圍很寬的單電源，也適用于雙電源工作模式[7]，電源電流與電源電壓無關(guān)，為低功耗電流。

2.4 電機(jī)驅(qū)動模塊

在電機(jī)驅(qū)動模塊的設(shè)計(jì)中要考慮電量的充分利用，文中采用74LS244驅(qū)動器加7843MOS管的方式，圖7為電機(jī)驅(qū)動電路，在本設(shè)計(jì)中與上層板(MCU最小系統(tǒng)與外圍器件板)起到電子隔離作用，但是相比以較高速行駛的小車，需要在速度的控制策略下不停地加減速，以快速完成任務(wù)，而本車在行駛過程的同時也要考慮到小車節(jié)能，所以對于速度并沒有采用經(jīng)常性的加減速，而是采用全程接近勻速。

3 車?？傮w結(jié)構(gòu)

一個良好的車模結(jié)構(gòu)是小車行駛以及是否節(jié)能的重要因素。本設(shè)計(jì)思路是節(jié)能輕便，一方面在保證小車剛度的同時做到重量輕便，另一方面在不影響小車的運(yùn)行及實(shí)現(xiàn)一些動作的同時，將有些輔助結(jié)構(gòu)簡單化，用輕便、剛度滿足需要的材料代替笨重的鋼鐵[8]。在CATIA軟件下繪制車模的主體結(jié)構(gòu)以及一些主要零件的結(jié)構(gòu)，利用精度較高的快速成型技術(shù)打印，并通過不同的填充率來增加強(qiáng)度。在未確定運(yùn)輸平臺的節(jié)能性下，先搭建1臺具有測速功能并用4個100 F的電容組[9]提供電能的實(shí)驗(yàn)小車。符合運(yùn)行但未考慮節(jié)能的情況下用來確定小車的經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)參數(shù)確定適合的驅(qū)動輪半徑、傳動比。利用萬用表測量電壓、秒表計(jì)時以及測量尺來確定參數(shù)。在程序上設(shè)置速度得到速度參數(shù)，經(jīng)過多組實(shí)驗(yàn)，通過公式J=0.5×C×U×U計(jì)算得到各個參數(shù)，如表1所示。

4 軟件控制

4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

本控制系統(tǒng)以S9KEAZ128ZAMLK作為最小系統(tǒng)控制板，包括充電控制、電磁尋跡的信號采集、處理、輸出控制等，并通過軟件編程實(shí)現(xiàn)各個功能。開始時進(jìn)行電量的接收，先檢測充電電壓、電流，得到功率，經(jīng)過PID控制，輸出PWM控制IR2104開關(guān)。當(dāng)充電電量達(dá)到設(shè)定值后自啟動，通過電磁傳感器檢測道路上的各個關(guān)鍵位置的電磁場場強(qiáng)大小，利用程序設(shè)計(jì)對不同道路元素進(jìn)行識別，以及對電容電壓的監(jiān)測，來控制輸出的補(bǔ)償系數(shù)，保證小車速度接近勻速，并對兩側(cè)電機(jī)控制轉(zhuǎn)向，快速穩(wěn)定地通過此段道路。軟件設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

圖7 電機(jī)驅(qū)動電路

表1 運(yùn)輸平臺實(shí)驗(yàn)的各參數(shù)

圖8 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

4.2 充電恒功率與升降壓的控制

在小車沒有電的情況下，要進(jìn)行充電的恒功率控制，所以開始時就要保證單片機(jī)可以正常工作，因此，需要對單片機(jī)供電，而從接收線圈過來的電壓比較大，此時還要有12 V降壓電路、12 V穩(wěn)5 V穩(wěn)壓電路。對充電過程中的充電接收線圈的電壓、電流以及電容電壓的ADC采集，根據(jù)檢測電阻阻值換算和計(jì)算公式P=U·I得到反饋的實(shí)際充電功率以及發(fā)射端設(shè)置的固定發(fā)射功率作差為輸入，用反饋的電容電壓、充電過程的功率控制PWM的輸出，控制IR2104的工作來驅(qū)動兩個MOS管7843開斷進(jìn)行充電，檢測充電電壓、電流進(jìn)行反饋控制，對超級電容組進(jìn)行充電，從而基本實(shí)現(xiàn)恒功率充電[10-11]。

對于升降壓的控制需要升降壓切換電路，只要實(shí)時地監(jiān)控電容的電壓，在充電完成、電容電量充足的情況下，ADC檢測電容電壓達(dá)到設(shè)定值，關(guān)閉充電控制電路，并切換到降壓電路，避免單片機(jī)工作電壓過高而燒毀器件。利用I/O口的高低電平切換對TPS7350控制進(jìn)行降壓穩(wěn)壓處理，實(shí)現(xiàn)升降壓控制。在小車行進(jìn)過程中未達(dá)到電壓設(shè)定值之前一直做降壓處理，當(dāng)達(dá)到電壓設(shè)定值時通過給一個I/O口高低電平，對TPS7516進(jìn)行升壓穩(wěn)壓處理，并且關(guān)閉控制降壓的I/O口，使單片機(jī)正常供電。

4.3 避障通訊和路徑控制

利用漫反射紅外光電傳感器[12]檢測前方是否有路障。漫反射紅外光電傳感器又稱為光電開關(guān)，其只有兩種狀態(tài)0或1，工作為NPN常開，當(dāng)遇到前方有障礙時由高電平變?yōu)榈碗娖?，檢測距離可調(diào)(80 cm)，在實(shí)際測試時超過80 cm，但超過130 cm將失效。由于此設(shè)計(jì)要考慮節(jié)能，所以在速度達(dá)到適合、較快的前提下，在100 cm之內(nèi)可以快速檢測，并且能夠按照調(diào)試過程中的路徑規(guī)劃避障。利用障礙左右兩邊的場地大小、陀螺儀以及路障之前的速度設(shè)定角度來避障。根據(jù)小車在路障之前的速度，利用陀螺儀設(shè)定小車需要轉(zhuǎn)動的角度以及障礙物左右兩邊的場地大小進(jìn)行避障。利用NRF24L01無線模塊進(jìn)行通訊[13]。當(dāng)前方的運(yùn)輸車輛遇到故障，而后方車輛檢測到前方有障礙，受場地影響無法進(jìn)行繞行時，后面車輛的到來導(dǎo)致此段道路遇到擁堵，需要等待，將此情況發(fā)送到主控室進(jìn)行處理。

5 結(jié)束語

文中完成了無線充電節(jié)能車的硬件設(shè)計(jì)、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)三方面的工作。小車可以在電容組無電的情況下實(shí)現(xiàn)無線充電的接收以及控制工作，可以自動啟動并尋跡、自動避障，可接近勻速、低功耗的方式跑完全程。無線充電、節(jié)能、智能車符合當(dāng)今社會的發(fā)展趨勢，對未來的生活和工作都具有重大意義。