基于MSP430 的定點(diǎn)無線充電循跡小車系統(tǒng)

楊暢星，孫佳歡

（北方工業(yè)大學(xué)，北京，100144）

0 引言

近年來，我國堅(jiān)持實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，大力發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)，而充電技術(shù)作為電動(dòng)汽車的一大核心產(chǎn)業(yè)，對(duì)于電動(dòng)汽車領(lǐng)域的發(fā)展具有非常重要的戰(zhàn)略意義。目前市面上主流的充電方式有分散式充電樁、集中式充換電站和無線充電三種技術(shù)[1]。其中，無線充電技術(shù)既可以省去部分連接裝置的成本，還可以避免因反復(fù)拔插插座而出現(xiàn)的磨損或觸電等情況，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性、安全性[2]，將無線充電技術(shù)應(yīng)用于新能源汽車領(lǐng)域具有深遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)實(shí)意義。

文獻(xiàn)[3]中設(shè)計(jì)的電動(dòng)小車無線充電系統(tǒng)采用磁耦合諧振式傳輸技術(shù)傳輸能量，但其傳輸效率較低，能量損耗大，不便于應(yīng)用。文獻(xiàn)[4]介紹了一種電動(dòng)小車動(dòng)態(tài)無線充電系統(tǒng)，在小車的行駛路徑中安裝數(shù)個(gè)無線充電發(fā)射裝置，在小車移動(dòng)時(shí)持續(xù)發(fā)射能量，以實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的動(dòng)態(tài)無線充電，但過程中電磁兼容問題難以解決，同時(shí)未考慮水平偏移量對(duì)無線充電傳輸效率的影響，同樣不適用于實(shí)際工程。

本文基于低功耗單片機(jī)MSP430G2553 設(shè)計(jì)了一套無線充電循跡小車系統(tǒng)，其采用磁耦合諧振式無線充電技術(shù)，充電功率范圍大，充電距離適中，具有一定的水平抗錯(cuò)位能力，且有效地提高了傳輸效率，在無線充電觀光車等近似領(lǐng)域具有一定參考價(jià)值。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

該系統(tǒng)的控制單元采用低功耗單片機(jī)MSP430G2553，用以控制電動(dòng)小車的循跡行動(dòng)以及充電過程。開始充電后，無線充電發(fā)射裝置將輸入的恒壓15V 且電流不大于0.5A 的直流電逆變?yōu)榻涣麟姡偻ㄟ^磁耦合諧振式無線充電的方式發(fā)送出去。無線充電接收裝置將傳輸?shù)慕涣麟娊?jīng)倍壓整流后儲(chǔ)存在超級(jí)電容模組中，當(dāng)充電時(shí)間滿 60s 時(shí)，停止充電，超級(jí)電容經(jīng)DC-DC 變換為單片機(jī)和電機(jī)供電，單片機(jī)控制小車進(jìn)行循跡運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)總體流程圖如圖1 所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)流程圖

■1.2 系統(tǒng)方案論證

1.2.1 無線充電方式和諧振電路的選擇

目前無線充電系統(tǒng)共有三種：電磁感應(yīng)式，磁耦合諧振式與磁場(chǎng)共振式。其中，電磁感應(yīng)式與磁耦合諧振式是目前應(yīng)用最為廣泛的兩種。電磁感應(yīng)傳輸技術(shù)成熟，充電高效，目前廣泛應(yīng)用于手機(jī)設(shè)備等，但由于傳輸距離較短，抗錯(cuò)位能力較差，并不適合汽車的無線充電。而磁場(chǎng)共振式距離遠(yuǎn)，方向性強(qiáng)，但充電功率較小。磁耦合諧振式技術(shù)充電功率范圍大，充電距離適中，并具備一定的抗橫向錯(cuò)位能力。具有較好的適配性。

對(duì)于磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)，傳輸距離較大時(shí)，S-P型（串聯(lián)－并聯(lián)型）磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)具有較好的傳輸效果。但當(dāng)傳遞距離較小時(shí)，S-S型（串聯(lián)－串聯(lián)型）磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率高，功率輸出大，且當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，SS 型的傳輸效率和功率具有較好的輸出效果[5～6]。所以對(duì)于該系統(tǒng)模型來說選用SS 型磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)可以獲得更好的充電效果。

在SS 型磁耦合諧振系統(tǒng)中，充電效率會(huì)受到線圈繞法、大小、形狀以及發(fā)射與接收線圈的間距等因素影響。諧振耦合線圈繞法包括螺線管式線圈結(jié)構(gòu)、可分離式變壓器結(jié)構(gòu)和平板式線圈結(jié)構(gòu)。對(duì)于小車來說，平板式線圈結(jié)構(gòu)節(jié)省空間，位置固定，能提高發(fā)射線圈的效率。因此選用多股銅導(dǎo)線在磁片上繞成長(zhǎng)半徑4.6cm，短半徑2.5cm 的橢圓形平板式線圈，磁片在無線充電系統(tǒng)中起到增大感應(yīng)磁場(chǎng)和屏蔽線圈磁場(chǎng)的作用，防止在金屬電池中形成渦流損耗而發(fā)熱[7]。通過電感測(cè)量?jī)x測(cè)得制成的發(fā)射線圈的電感約為32μH，接收線圈約為27μH，在系統(tǒng)中二者間距為1.4cm。

在實(shí)際過程中，系統(tǒng)會(huì)受到各種因素影響，往往使系統(tǒng)不能搭載較高的諧振頻率[3]。當(dāng)系統(tǒng)的工作頻率略高于諧振頻率時(shí)，系統(tǒng)的損耗較小，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，在該系統(tǒng)選擇的工作頻率約為80kHz 時(shí)，充電效率較高。

1.2.2 超級(jí)電容大小

與傳統(tǒng)電容器相比，超級(jí)電容可以在非常小的體積下實(shí)現(xiàn)法拉級(jí)電容量，選取能量密度較高的超級(jí)電容為小車供電能夠減輕車重，同時(shí)還具有功率密度高、充放電時(shí)間短、循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬，大電流放電能力超強(qiáng)，能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)。理想情況下，用15V/0.5A 的電源供電，超級(jí)電容最多需容納450J 能量，根據(jù)公式：

計(jì)算得出C 的最大值是4F，可選擇將4 個(gè)5.5V/4F 串并聯(lián)組成11V/4F 的超級(jí)電容模組，以滿足系統(tǒng)所需[8]。

■1.3 硬件設(shè)計(jì)

1.3.1 無線充電發(fā)射端

發(fā)射端由CD4047 多諧振蕩器、IR2112 驅(qū)動(dòng)器、半橋逆變電路和發(fā)射線圈等組成。PWM 控制信號(hào)由CD4047電路產(chǎn)生，如圖2 所示。當(dāng)接入15V 直流電源時(shí)，通過CD4047 的1，2 引腳連接的由RP1、R1 和C1 構(gòu)成的RC諧振網(wǎng)絡(luò)來控制諧振頻率f=1/2πRC，CD4047 內(nèi)部自激振蕩產(chǎn)生兩路互補(bǔ)方波PWM，如圖3 所示。

圖2 方波發(fā)生電路

圖3 兩路互補(bǔ)方波PWM

使用IR2112 驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)半橋逆變電路實(shí)現(xiàn)電流逆變，如圖4 所示。為了防止上下橋臂IGBT 因?yàn)殚_關(guān)速度問題發(fā)生同時(shí)導(dǎo)通，在CD4047 輸出端設(shè)置死區(qū)電路，死區(qū)時(shí)間常數(shù)τ=RC=1μs，經(jīng)死區(qū)電路后的PWM 波形如圖5 所示。IR2112電橋驅(qū)動(dòng)器芯片內(nèi)置專為自舉操作設(shè)計(jì)的浮動(dòng)通道，其高端懸浮自舉電源，一組電源即可實(shí)現(xiàn)對(duì)上下端的控制，驅(qū)動(dòng)由MOS 管Q1、Q2 組成的半橋逆變電路進(jìn)行電流的逆變，實(shí)現(xiàn)由直流電到交流電的轉(zhuǎn)變，最后由發(fā)射諧振線圈發(fā)射。系統(tǒng)中采用的電源為穩(wěn)壓限流源，為了增大發(fā)射線圈的功率，在發(fā)射線圈前端加入了由L1、C8 和C9 組成的LC濾波網(wǎng)絡(luò)。圖6 中1 通道為輸入直流源，2 通道為發(fā)射線圈中的交流輸出。

圖4 驅(qū)動(dòng)電路及逆變電路

圖5 存在死區(qū)時(shí)間的兩路方波PWM

圖6 發(fā)射端輸入和輸出

1.3.2 無線充電接收端

接收模塊由副邊諧振、整流電路及超級(jí)電容組成。接收線圈接收到較低的交流電壓，通過倍壓整流的方式，使用耐壓較高的整流二極管和電容器，得到較大的直流電壓，為超級(jí)電容模組充電。當(dāng)充電結(jié)束后，超級(jí)電容模組放電，PC817 的發(fā)光管發(fā)光，驅(qū)動(dòng)光控晶閘管進(jìn)入通態(tài)，使單片機(jī)開始工作，同時(shí)還起到了隔離保護(hù)的作用。圖7 為無線充電接收端電路圖。

圖7 無線充電接收端

1.3.3 MSP430G2553 單片機(jī)

該系統(tǒng)采用 MSP430G2553 單片機(jī)，當(dāng)充電滿60s后，停止充電，降壓芯片LM2596S 將超級(jí)電容模組的輸出降壓后供給單片機(jī)和電機(jī)。單片機(jī)的循跡程序分析處理TCRT5000 紅外對(duì)管返回的數(shù)據(jù)，根據(jù)分析結(jié)果控制舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)循跡行為。圖8 為單片機(jī)系統(tǒng)示意圖。

圖8 單片機(jī)系統(tǒng)示意圖

■1.4 軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)單片機(jī)定時(shí)結(jié)束后，MCU 產(chǎn)生持續(xù)的PWM 波對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。循跡設(shè)備檢測(cè)到電平變化后，執(zhí)行循跡程序，處理紅外檢測(cè)返回的信息，再驅(qū)動(dòng)舵機(jī)矯正方向，使小車進(jìn)行循跡行駛。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖9 所示。

小車循跡主要是通過反射式紅外對(duì)管檢測(cè)黑線軌跡來完成的。小車行駛過程中，傳感器的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外光線。當(dāng)紅外光線遇到白色地面時(shí)發(fā)生漫反射，反射光由紅外線接收管接收；若遇黑線，紅外光被吸收，紅外線接收管沒有訊號(hào)。紅外接收管將采集回的信號(hào)接到MC 的I/O 口上，MCU 通過不斷讀取I/O 口的高低電平狀態(tài)確定小車軌跡，進(jìn)而改變舵機(jī)方向從而實(shí)現(xiàn)循跡功能。為了使小車順利通過圓角矩形軌跡的拐角，通過二級(jí)矯正的方法，在車頭處安裝4 個(gè)紅外對(duì)管，用以提高小車的循跡能力[9]。

圖10 小車實(shí)物圖

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

將15V 的直流電源輸入電路中，充電60s，改變發(fā)射和接收線圈間前后偏移的距離，同時(shí)用數(shù)字萬用表測(cè)量超級(jí)電容，觀測(cè)電容電壓變化，通過E=0.5CU2求得實(shí)際儲(chǔ)存電能，以得出水平偏移距離對(duì)于充電效率的影響。理論上60s時(shí)間里充入的電能為450J，但是實(shí)際過程中超級(jí)電容的電壓變化范圍較大，電路工作不穩(wěn)定，只有在40～60s 時(shí)輸入功率穩(wěn)定，才能得出準(zhǔn)確的效率。因此以40～60s 的效率作為系統(tǒng)的充電效率，多次測(cè)量后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 小車系統(tǒng)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)表格

在實(shí)際測(cè)量中，小車到達(dá)充電站B 處時(shí)的平均水平位移約為0.5cm。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，本文設(shè)計(jì)的基于MSP430 的定點(diǎn)無線充電循跡小車系統(tǒng)充電最高效率可達(dá)79.78%，充電速度快，具有一定的水平抗錯(cuò)位能力，該系統(tǒng)有效地提高了傳輸效率。

3 結(jié)論

本文探討了一種可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)無線充電的循跡小車系統(tǒng)，通過磁耦合諧振的方式將15V直流電充入超級(jí)電容模組中，再經(jīng)DC-DC 網(wǎng)絡(luò)為單片機(jī)供電，控制小車工作。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該電動(dòng)小車系統(tǒng)充電效率最高能達(dá)到79.78%，具有一定的水平抗錯(cuò)位能力。通過本文的研究工作，以期為電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)提供一定技術(shù)參考。