无线电能传输(2014年省赛)

2014年TI杯竞赛陕西赛区设计报告封面参赛队编号（参赛学校填写）学校编号组（队）编号选题编号0xxxF说明1.本页作为竞赛设计报告的封面和设计报告一同装订；2.“参赛队编号”由参赛学校编写，其中“学校编号”应按照巡视员提供的组委会统一编排的编号填写，“组（队）编号”由参赛学校根据本校参赛队数按顺序编排，“选题编号”由参赛队员根据所选试题编号填写，例如：“0105B”或“3367F”。3.本页允许各参赛学校复印。-1-无线电能传输装置摘要电能谐振耦合无线传输是一种新的电能传输概念和方法，它能在中距离范围传递能量。本文基于空间隔离的两线圈，设计制作了一个谐振耦合电能无线传输装置。系统以MSP430F149单片机控制振荡频率，通过驱动电路与单管逆变电路产生高频功率源，经发射与接收线圈进行无线能量传输，到后级再经整流滤波电路，用来点亮LED。设计分四个模块:单片机控制模块、驱动与高频逆变模块、发送与接收模块、整流滤波模块。从输入15V经辅助电源给单片机与驱动电路提供电压，产生的功率源经收发线圈，可以实现DC-AC-DC的无线电能传输。测试结果表明，空间隔离的两空心线圈达到谐振耦合时，线圈之间的传递能量最大，从而很好的实现了无线电能传输的功能。关键词：能量无线传输；谐振耦合；单管逆变-2-1引言随着电子技术的快速发展与个人电子设备的普及，无线电能传输装置也应运而生。无线电能传输解决了传统电能传输的大电能存储和传输材料的问题，若技术成熟，可以广泛的应用到医疗电子产品、个人电子产品、工业电子产品等方面。而本次题目要求设计一个磁耦合谐振式无线电能传输装置，因此我们采用单管高频逆变搭建高频功率源。此次要求要接收端电压至少为8V，电流0.5A，这使得系统中的设计及参数要求更加的精准、严格。2整体设计本系统设计输入为15V直流，输出为8V以上直流电压，0.5A电流的无线电能传输装置。整个系统主要采用MSP430F149为主控芯片，12864液晶显示，IR2110驱动，IRF540MOS管，通过单片机控制频率振荡、稳压和驱动电路、高频单管逆变电路、发射线圈等几部分组成发射部分，再由接收线圈、整流电路、滤波电路等几部分组成接收部分。系统由输入经辅助电源通过单片机控制频率起振后，通过由IR2110驱动的高频单管逆变电路，产生高频功率源。空心发射线圈通过磁耦合谐振将能量感应到相邻的接收线圈上，经过整流滤波电路后送到负载。单管高频逆变由IRF540搭建，辅助主要电源芯片采用LM2596，发射接收线圈由直径2mm粗铜线绕制而成。系统的整体框图如图2-1所示。图2-1系统整体框图3方案选择3.1主控制器的选择方案一：采用STC89C52作为主控制器，本设计需要使用的软件资源比较简单，显示谐振接收线圈整流滤波负载单片机频率振荡电路单管逆变电路发射线圈辅助电源-3-只需要完成部分采集、显示等功能，主要是完成振荡工作。采用STC89C52进行控制比较容易，52单片机拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，最高运作频率35MHz，比较简单易行。方案二：采用MSP430F149作为主控制器，MSP430F1XX系列单片机是一种16位单片机，它具有集成度高、外围设备丰富、超低功耗等优点。特别是此单片机的最高频率可以工作到8MHz，指令执行周期只需要4个周期，因此MSP430F1XX系列单片机不仅功耗低，而且处理能力强。综合以上两种方案，方案二比方案一功耗低，处理能力强，且外围设备丰富，特别符合本次实验要求，因此采用方案二。3.2无线电能传输的选择目前无线电能传输主要有三种实现原理：电磁感应原理，微波传输原理和磁耦合谐振原理。而利用电磁感应原理实现无线电能传输只能在近距离（1CM以内）以较高效率传输较大的功率，无法实现较远距离传输，因此我们考虑以下两种方案。方案一：采用微波传输原理。该方式利用无线电波收发原理传输电能，传输距离可达10m，但传输功率只在1mW～100mW范围内，且无线电波向四周散射，效率极低，应用范围不大。方案二：采用磁耦合谐振技术。基于谐振耦合原理的电能无线传输能在5m范围以内传输，特定条件下传输效率可达40%以上，是当前最有希望突破传输距离和传输功率的一种电能无线传输技术，但该技术还存在谐振线圈尺寸过大和容易失谐等问题。与电磁感应型相比，谐振耦合采用的磁场要弱得多，却可以实现更远的传输距离；与电磁波收发型相比，谐振耦合传输时能量逸散要少得多。综合上述各种原因，选择方案二。3.3发射端与接收端电路拓扑的选择方案一：采用串联谐振的拓扑电路。LC发生串联谐振时，传输效率过低，则后级电路无法达到题目要求的8V。如果我们忽略线圈的电阻，则线圈和谐振电容的等效阻抗可以近似认为是0，回路中只剩下了线路阻抗。方案二：采用并联谐振的拓扑电路。LC发生并联谐振时，线圈与谐振电容的等效阻抗为无穷大，回路的等效阻抗也就近似可以认为是无穷大。但并联谐振中的阻抗匹配问题相对串联稍难。比较方案一和方案二，在发生谐振时串联谐振的等效阻抗为0，在没有负载时，不能加很高的电压，否则回路中会出现很大的电流。这就需要控制电路进行负载检测，无-4-疑加大了设计的难度。而并联谐振就不从在上述问题，所以本设计采用方案二。3.4辅助电源的选择方案一：采用最常用的78XX系列的芯片，采用7805芯片产生5V的辅助电压给单片机供电。该方案设计简单，外围器件很少，而且精度也相对较高。缺点是在芯片承受压降比较大时效率就会变低。方案二：辅助电源采用TI公司的LM2596集成模块，LM2596降压开关型集成稳压芯片的输出的电压范围为1.23～37V。它内含固定频率振荡器（150KHZ）和基准稳压器（1.23V），并具有保护电路、电流限制、热关断电路等。此芯片是一款性能相对优越的集成BUCK芯片，外围电路简单。以上两种方案各有其优缺点，方案一较简单易行，但效率和稳定性相对不太好，因此考虑采用方案二。4硬件设计系统主要功能是通过单片机产生需要的谐振振荡频率，经驱动模块、高频逆变模块、发射接收模块、整流滤波模块，最后实现系统功能。其中，单片机的电源及驱动电路部分芯片由辅助电源供电。此外，用液晶12864还可以显示固定的谐振频率。系统中关键部分模块介绍如下。4.1驱动模块IR2110是一款非常经典的驱动芯片，其性能优越，并且外围电路简单，有高低两路输出，广泛应用与全桥驱动电路中。如图4-1所示为无线电能传输中的驱动部分。其中Lin脚为单片机输出波形再经反相器后反相输入，Vss与Com口接地，Vcc接+15V，Vdd接+5V，Lo端输出驱动波形。图4-1驱动模块电路图LoComVccNcVsVbHoNcVssLinSd10Hin11Vdd12NcIR2110GNDGND+15+5GL-5-4.2高频逆变模块系统中高频单管逆变电路如下，利用高频反相器74HC04输出稳定的幅值约为5V的方波，经IR2110驱动后送入MOS管的栅极，控制其导通与关断，使其产生需要的高频功率源后经过发射线圈，最终达到发射端的要求。其中74HC04的Vcc由7805稳压芯片提供+5V的工作电压。电路连接如图4-2。图4-2高频逆变电路图4.3辅助电源部分图4-3辅助电源部分104C2471C3103C41000uFC1103C5104C6104C7104C8Q147uHL120R120R2InOutInOutInOutGndVccInOutInOutInOut74HC04GNDLING+15VGNDVinVoutGND7805D21N582433uHL3220uFC13+15V+5VGNDVinVoutGNDN/FFBLM2596-6-LM2596内含固定频率振荡器（150KHZ）和基准稳压器（1.23V），LM2596系列的可调稳压器具有稳压特性好、价格便宜、使用简单方便、转化效率高的功能，并具有完善的保护电路、电流限制、热关断电路等特点。所以本系统使用LM2596作为系统的辅助电源，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路，并且有低功耗/正常两种模式，可外部控制。其产生的稳定5V电压可给单片机供电，连接电路图如图4-3。4.4整流与滤波模块电路中接收线圈及整流滤波电路如下图。其中接收过来的交流电先经滤波之后再由SR560整流，最后可以达到稳定的直流电源。图4-4整流与滤波模块4.5关键参数计算本次电能无线传输采取并联谐振，关键参数为电感L、电容C、耦合谐振频率F。其中主要计算公式如下：()①п②其中，N代表线圈匝数，r为线圈半径，a为截向半径，u为真空磁导率。式中，电感取值为47uH，电容取0.2uF，求得磁耦合谐振频率为52kHz。其中发射与接收线圈采取直径为2mm的铜包皮线绕制，发射线圈采用饼状绕法，接收线圈采用柱状绕法，以便通过手工工艺尽量增大磁通，减少误差。5软件部分软件方面系统方案是采用MSP430F149单片机作为整机的控制单元，通过由辅助电47uHL2104C9104C10D1SR5064700uFC114700uFC12负载负载-7-源稳压送入5V电压后，单片机通过定时器与分频变化等产生振荡频率信号，再通过液晶12864显示。本程序整体思路如下：程序开始后首先初始化I/O口与液晶12864显示，然后通过12864来显示提示信息，经过设置时钟源、时钟分频、占空比等阶段来设置定时器的时间来得到所需频率，当判断定时器时间到达时间时，开始输出波形，然后重新计时。软件方面的主体流程图如图5-1，PWM波形子系统如图5-2。开始系统初始化信息提示时间是否到？开始计时输出PWM波形显示频率是否设置时钟源定时器时间到是否为1？设为低波形设为高波形输出否是图5-1系统软件流程图图5-2PWM波形子系统图6系统测试6.1测试条件本次测试采用以下仪器：数字万用表(三位半)、直流输出电源（MPD-3303）、数字示波器(UTD2062-CEL)、信号发生器（MFG-3021）等。-8-测试环境：测试应在室内室温下进行，且避免强磁场。6.2测试结果6.2.1基本测试数据电压输出范围:0～9V；电流：0～200mA；输出功率：0.57W；LED点亮最远距离：43CM。6.2.2最远距离的测试测试条件：输入电压15V直流，测试可以点亮LED的最远距离表6-1测试结果一距离(CM)次数10152025303543451很亮很亮很亮很亮亮亮微亮不亮2很亮很亮很亮很亮亮亮微亮不亮6.2.3传输效率的测试测试条件：输入电压15V直流，分别测试发送与接收端的电压与电流。表6-2测试结果二类型次数发射端接收端效率（η）I(A)U(V)I(A)U(V)10.2515.00.105.200.1420.2615.00.125.180.1630.2815.00.115.210.14平均值0.2615.00.115.190.157总结本次设计主要应用到了电子电路技术、模拟电子技术、数字电子技术、单片机控制技术、电源设计、电子工艺等多方面的知识。本系统实现了无线电能传输，系统相对稳定，功耗低，基本达到了题目的要求，最远点亮LED的距离可达43CM。而本次的设计主要不足是电能传输效率不高，输出电压过低，输出电流没有达到题目要求。我们分-9-析原因可能是由于频率跟踪做的不太理想或是不太与电路匹配，导致后级电路有些问题，因而前级发送功率不太高，此部分还有待进一步提高。在数据测试和调试方面，由于仪表存在误差和电路器件因工作时间过长温度升高而产生的误差，使得测量数据不是很精确。由此我们也知道了下一步的方向，我们努力弥补自己的不足，进一步的学习新的东西。-10-参考文献[1]刘树林,等.开关变换器分析与设计.[M].机械工业出版社,2011.[2]阎石.数字电子技术基础[M](5版).北京：高等教育出版社,2006.[3]康华光.电子技术基础.(模拟部分)(5版)[M].高等教育出版社,2005.[4]康华光.电子技术基础.(模拟部分)[M].(5版).北京：高等教育出版社,2005.[5]武瑛,严陆光,徐善纲.运动设备无接触供电系统耦合特性的研究[J].电工电