2014省赛无线电能传输报告...doc

《2014省赛无线电能传输报告...doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2014省赛无线电能传输报告...doc（28页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、学校统一编号: HLJ- _F-162 学校名称： 哈尔滨工程大学 队长姓名： 刘佳俊 队员姓名： 阳险峰，何秋银 指导教师姓名：芦守平 2014年 8月 18日 摘要：磁耦合谐振式无线电能传输是众多短距离电能特殊传输技术之一，它因其便捷，节 能环保而受到广泛关注。现在磁耦合谐振式无线电能传输距离已经可以达到米级的范围，甚 至有些技术还能穿透障碍物，相信当无线传输距离问题解决以后该技术无疑对无线电能技术 的发展具有重大的意义。 该文主要讲述了运用磁耦合谐振无限能量传输的原理设计制作的小型无线电能传输 设备。该设备主要包括驱动发射线圈电路，磁耦合谐振传输电路，磁耦合谐振接收电路，整 流滤波电路，

2、以及显示电路模块等。当发射和接收端都达到谐振频率时即可实现能量的最大 传输。 该设备在题目要求下可实现10cm以上， 效率高达26%的能量传输， 并且可以实现点 亮30cm以外的2W的灯泡。 关键词：磁耦合谐振 无线电能传输 发射距离接收效率、设计任务 设计并制作一个磁耦合谐振式无线电能传输装置，其结构框图如图 1所示 图1-1电能无线传输装置结构框图 要求： (1) 保持发射线圈与接收线圈间距离 x =10cm、输入直流电压Ui=15V时，调整负载使接 收端输出直流电流l2=0.5A，输出直流电压U2 8 V，尽可能提高该无线电能传输装 置的效率n (2) 输入直流电压Ui=15V，输入直流

3、电流不大于1A，接收端负载为2只串联LED灯(白 色、1W)。在保持LED灯不灭的条件下，尽可能延长发射线圈与接收线圈间距离 X。 方案论证 2.1驱动发射线圈电路 方案一：采用集成发射芯片XKT408和T5336搭建发射驱动电路。无线充电/供电主控制芯 片XKT-408A采用CMO制程工艺，具有精度高稳定性好等特点，其专门用于无线感应智能 充电、供电管理系统中，可靠性能高。XKT-408A芯片负责处理该系统中的无线电能传输功能， 采用电磁能量转换原理并配合接收部分做能量转换及电路的实时监控； 负责各项电池的快速 充电智能控制，XKT-408A只需配合极少的外部元件就可以做成高可靠的无线快速充

4、电器、 无 线电源供电。 其主要特点为： 1. 自动适应供电电压调节功能使之能够在较宽的电压下均能工作 2. 自动频率锁定 3. 自动负检测负载 4. 自动功率控制 5. 高速能量输电传送 6. 高效电磁能量转换 7. 智能检测系统，免调试 I1 U4 发射线圈 驱动电路 X 8. 工作电压：DC 315V 9. 工作频率：05MHZ 10. 高度集成化，仅需几只普通外围元件 由于题目要求为15V DC供电，而芯片的工作电压为315V,所有稍有操作不当很有可能损坏 -H- UL 心片。 方案二：采用MOS管无稳态多谐振荡器，由两路MOSt, 振荡器电路，原理图如下所示: T .111 图2-1

5、 MOS管无稳态多谐振荡电路图 该方案电路简单明了，元器件少，并且操作起来简单。 综上所述，我们选择方案二。 2.2磁耦合谐振传输和接收电路 方案一：电磁感应式传输方式 电能传输电路的基本特征是原边与副边电路分离，通过磁场耦合感应联系。该电路的优 点包括存在较大气隙，使得原副边无电接触，可实现无线传输，较大的气隙的存在使得系统 构成的耦合关系属于松耦合，使得漏磁与激磁相当，甚至比激磁高。缺点包括传输距离短， 实际上多在mm级。电磁感应方高频扼流圈和二极管组成对称的 ol 1Q2 上 IRFZ44N 叵GND GND GND 1N4148 式传输控制不好，在其范围内的金属都会产生电磁感应消耗电源

6、能量，另外还会使设备的线路感应发热，严重时会损坏设备。 方案二：谐振耦合方式 该方案是由麻省理工学院物理系，电子工程，计算机科学系，以及军事纳米技术研究所 得研究人员提出的。系统采用两个相同频率的谐振物体产生很强的相互耦合，能量在两物题 间交互，利用线圈及放置两端的平板电容器共同组成谐振电路，实现能量的无线传输。 该方式的优点包括。利用磁场通过近场传输，辐射小，具有方向性。中等距离传输，传输效 率高。能量传输不受空间障碍物的影响。传输效果与频率及天线尺寸密切。缺点包括谐振耦 合方式安全实现问题比较严重，要想更好的实现谐振耦合，需要传输频率在几兆到几百兆赫 兹之间，而这一段频率又是产生谐振最困难

7、的波段。 其原理图如下所示： 图2-2谐振耦合式电能传输原理图 方案三：无线电波式（辐射式） 该方案类似于早期使用的矿石收音机，主要由微波发射装置和微波接收装置组成，接收 电路可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量，在随负载做出调整的同时保持稳定的直流电 压。但其缺点有微波无线能量传输技术目前尚处于研发阶段，其技术优点是成本较低，技术 瓶颈是效率太低，而且容易发热，损坏设备。 综合本题目的各项要求，要求功率传输效率较高，同时距离要尽可能较大，我们选择方 案二，谐振耦合方式进行信号和能量的传输 2.3整流滤波电路模块 方案一：半波整流电路 半波整流是指利用二极管的单向导电性进行整流，在输入为标准正弦

8、波的情况下，输出 获得正弦波的正半部分，负半部分则损失掉。其电路图如下所示 图2-3半波整流电路图 半波整流电路虽然达到了整流的目的，但是负载电压及负载电流的大小随时间变化，并且半 波整流是以牺牲一般交流为代价而换取整流效果的，电流利用率很低。 方案二：桥式整流电路 桥式整流是对二极管半波整流的一种改进，桥式整流利用四个二极管两两对接，输入正 弦波的正版部分得出正的输出；输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是 反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。桥式整流器对输入正弦波的利用效率比半波 整流高了一倍。所以我们采用的是桥式整流。其电路图如下所示 图2-4：桥式整流电路图 综合题

9、目分析，我们选择桥式整流电路，来提高效率的目的 2.4 整流稳压模块 由于在接受过程中，会受到周围环境的影响，所以如果直接利用单片机的AD采集模块 进行数据采集，由于单片机采集数据速度较快，会使得显示的数据不稳定，有很很大的漂移。0 所以我们在接收端添加了整流稳压电路，本次比赛我们采用线性可调稳压器 LM317进行稳 压，使得输出电压得以稳定，便于显示。 2.5 显示控制模块 方案一：选用AT89C51控制12864显示输出电压和电流，该方案的有利之处该单片机的 使用相对成熟，网上有丰富的关于该单片机的资源，并且 10 口操作简单，价格便宜等。但 是如果这样控制模块就会显得很庞大，并且 I0

10、口不多，功耗大。 方案二：选用TI公司的开发板msp43Q该控制板执行速度和效率相对较高，并且功耗 低，处理能力强，系统工作稳定，但是控制起来相对复杂。 在本次比赛中，我们选用方案二。 三. 理论分析与计算： 3.1系统整体模块 本系统整体采用磁耦合谐振式无线电能传输，主要方案选取了两个 M0S管轮流导通，LC 并联谐振，将直流电能转化成咼频电磁波发射出去，接受端与发射端谐振匹配，最大限度接 受高频电磁波，在经过后期的整流稳压处理，通过单片机的控制可以在 12864液晶上显示出 来。 发射驱动 发射谐振 无线传输通道 接收谐振 模块 模块 模块 & 1 r 图3-1系统整体方案图 显示控制 模

11、块0 3.2发射端谐振驱动电路 图3-2发射部分整体电路 原理分析：图中左半部分电位器 R1实际是一个拨码开关，当开关合上时两个 MOS管都被上 拉电阻驱动，但此时的工作状态是暂稳态，并且在接通电源的瞬间，两个 MO并不是同时导 通的，总会有一个接通的更快，另一个 MOST关闭。当导通的MOST的栅极电压通过二极管 驱动到零之后另一个MOS管被切断，谐振回路的电压会上升，当电压上升到某点后促使导通 二极管的g极电压突变为0,然后MOS管由导通变为截止，同时另一路 MOS管开始工作。如 此反复就形成交变电压。此时高频厄流电感充当电流源，一旦通过它的电压变成了交流，从 而使电路中产生狡辩磁场。此时

12、，电路的电流将被限制到一个恒定值。右半部分由电容和发 射线圈组成LC谐振电路，所谓磁耦合谐振式无限能量传输就是利用两个具有相同谐振频率 的线圈在相距一定的距离时，由于磁场耦合产生谐振，进行能量传输。耦合的效率决定了的 代数和， 并且与施感电流呈线性关系， 是各施感电流独立产生的磁通链叠加的结果。 设发射 线圈和接收线圈的电压和电流分别为 u1, i1和u2, i2，且都取关联参考方向，互感为 M 则两耦合电感的电压电流关系为 耦合因数用k表示，有 k的大小与两个线圈的结构和相互位置以及周围磁介质有关。改变或调整他们的相互位置有* = L, di1 _ M dt di2 dt u2 = L2 並

13、 _ M dt di, dt def k M J L2 1 可能改变耦合因数的大小。 3.3接收端谐振电路 331电路如下图所示: 图3-3接收端谐振回路 由上述分析可知发射与接收电路的谐振频率是关键， 其次就是发射与接收线圈的品质因 数，品质因数越高，能量的损耗越小。需要注意的是要考虑趋肤效应，趋肤效应本质上是衰 减电磁波向导体内传播引起的效应， 当线圈固有频率较高时， 粗导线线圈会受到趋肤效应的 影响而使导线的利用率降低，因此必须考虑趋肤效应对传输距离的影响。 3.4主要元器件参数计算 根据题目要求输入电压为15V,电流为1A左右，所以输入功率会大于15W在综合考虑 MOS管的工作电压和电

14、流，此处我们采用的是IRF640,根据电路参数整流二极管选用1N4148 即可满足，其他类似的高速二极管也可满足。 高频厄流电感采用的是470uH,此处可根据电路 做适当调整。发射线圈选用高品质因数的铜线绕成的，这部分电路我们是采用改变电容值 来改变谐振频率从而达到发射功率最大。同样，接收端也是通过改变电容值来调整谐振频率， 从而与前级达到匹配。 线圈的电感值大小可通过下面公式来计算： 2 8R L 二 N Ru0ln（ ） -1.75 a 式中：N线圈匝数 u0=u0 =4二10 （H/m）真空磁导率； R - 线圈半径（m）; a线圈导线半径（m）; 谐振电路的固有频率计算公式为： lOD

15、pF IOOplr cp 1 COpF 匸号 I 一匸曲 一! Gp lOOpf 匸E _ GP laapF Pili 1 leader 3- Tl r r it ?C11 Gp lDOpt - J 为取得最大的接收功率，接收端选用同样参数的线圈和电容。 在整个的实验过程中，发射端与接收端的电感与电容值的选取是最重要的，它们共同决 定了传输电磁波的频率，要想达到能量(功率)传输，我们应该选取电磁波频率较低的部分 进行传输，但是要想令电磁波传输一定的距离，则需要电磁波的频率达到较高的部分进行传 输，所以此次试验就需要我们自己根据题目要求来选取合适的电磁波频率即可。 3.5稳压部分原理 由于本实验

16、采用线性可变稳压器集成片 LM317 Im317可调稳压电路图：LM317是普通的 可调集成稳压器，最大输出电流为 2.2A，输出电压范围为1.2537V。其稳压电路原理图如 下： D2 M 4001 LMSirr Vui DI 4001 图3-4稳压模块原理图 1, 2脚之间为1.25V电压基准。为保证稳压器的输出性能， R1应小于240欧姆。改变R2阻 值即可调整稳压电压值。D1，D2用于保护LM317 计算公式为：Uo=(1+R2/R1)*1.25 3.6控制及显示部分原理 因为控制电路仅仅用来显示输出电压和电流，所以可以直接用 msp430的10 口驱动 12864,再通过编程实现电压

17、的采集和显示。这一模块基本没有外围电路。 四. 测试结果与误差分析： 4.1硬件测试 经过上述的理论分析与计算，按照设计出的原理图进行硬件焊接，并对电路进行一系列 的调试。 上电测试，利用直流稳压电源输出15V，加到发送端上，刚上电时，由于我们没有意识 到，要想让自激式振荡电路起振，必须让电源同时瞬时加到电路中，才能让电路正常工作， 害怕电路一瞬间加太大的R1 200 WRELECTR02 C3 R2 POT2 Cl 的电压会引起瞬间大电流脉冲，烧坏 MOS管，加电时直接接上电 源较低电压，再慢慢往上升，可是，MOS管总会出现一个管子很热，另一个不工作的状态。 后来经过测试，总结，我们决定在

18、MOS管前加一个拨码开关，来控制这个自激振荡电路可 以起振，正常工作。在经过这个改正后我们将输出接在示波器上观察振荡波形。并通过 LC 谐振网络估计其振荡频率与实际输出波形的振荡频率相比较，发现两者基本相近。 但是要想达到题目所给的要求，必须满足传输效率要较高，所以要达到发射与接受的匹 配，在本次比赛中，我们为了要达到匹配，我们令发射部分与接受部分采用相同材质的漆包 线绕制的20cm直径的发射接受线圈，为了达到题目对接受端电压，电流，功率的要求，我 们经过多次绕制，按照一定的顺序，改善这电感值和品质因数，用1mm漆包线绕制10圈，： 用1mm漆包线绕制5圈，用1mm漆包线两匝并饶绕制2圈等多种

19、线圈。最后，我们发现用 无氧铜2mm漆包线绕制的20cm直径的发射接受线圈，且用两股并绕两圈的方式（此时其电 感量经测量大约在2uH3uH之间，品质因数在3左右），可以达到较好的效果。 但是在之前的分析中我们知道，要想让振荡电路发射端发射的功率达到最大，我们需要 将谐振频率，调谐在电路固有频率上，经过多次改变与线圈并联的电容值，我们最后得到了 发射端谐振频率与自激振荡固有频率，与接收端谐振频率基本谐振在同一个谐振频率上，使 得接收端接受得到较平滑的正弦波，幅度也较大，满足题目要求，经过整流后，在滑动变阻 器做负载的情况下，可得到超过 8V的电压，电流基本可达到0.5V，满足题目（1）的要求。

20、同时当负载换成两个串联的1W LED灯的时候，距离可达到35cm左右的距离，满足题 目（2）的要求。 4.2测试数据 表一、不同绕制方法测出的电感值 电感绕制 1mm1匝10圈 1mm1匝4圈 1mm1匝2圈 1mm2匝2圈 2mm2匝2圈 电感值 （uH） 27.6 16.9 8.3 4.8 2.5 线圈选定(选用2mm2匝2圈线圈)时电容值对输出的影响如下表: 由于实际条件限制，我们采用多个相同参数并联的方式改变电容值。 表二、固定电感，改变点容参数测量 电容个数 电容值 (n F) 10cm接收端输 出电压值(V) 10cm接收端输 出电流值(A) 直流稳压电 源电流(A) 直流稳压电源

21、 电压(V) 5个682串联 1.36 1.32 0.077 0.47 15 2个682串联 3.4 2.02 0.119 0.54 15 3个682并联 20.4 4.87 0.286 0.65 15 5个682并联 34 5.82 0.342 0.70 15 8个682并联 54.4 6.15 0.362 0.75 15 10个682并联 68 6.76 0.397 0.78 15 8个682和2个 103并联 74.4 7.23 0.425 0.83 15 6个682和4个 103并联 80.8 7.96 0.468 0.87 15 5个682和5个 103并联 84 8.54 0.50

22、2 0.93 15 4个682和6个 103并联 87.2 8.08 0.475 0.89 15 表二中数据对应的折线图 电容值对输出电流的影响 由图表中可以看出不论是输出电压还是输出电流隋电容的变化都有一个尖峰时刻, 实验当中的就是要寻找这个尖峰时刻对应的电容值。 4.3实物照片 整体电路实物图: 而我们在 直流稳压模块: 降压模块: 整流模块: 接收端得到波形: 4.3软件测试 本实验通过MSP430单片机的AD模块采集输出电压，并送入12864液晶显示。初始, 调节是，由于输出电压波动较大，不稳定，而单片机采样速度很大，所以将实时电压值均采 集出来并显示，导致12864显示电压值始终在变

23、化，为力解决这个问题，我们加入了稳压模 块，采用LM317线性稳压芯片搭建了一个简单地稳压模块，再加以显示。 显示部分的软件流程图： 系统初始化 管脚，看门狗初始化 设置看门狗定时 初始ADC1O寄存器- LCD12864 初始化，以 及其显示函数 触发AD转换，将转换值放入液 晶显示模块中，利用看门狗定时 刷新测量值 在发挥部分，我们可以做到用单片机控制，在 12864液晶上简易显示输出电压和电流。 4.4误差分析 由于本实验过程中涉及频率较高，属于中高频信号，所以，受分布参数影响很大，绕 电感线圈 的方式，紧密程度，PCB布线等都会对信号的传输产生影响。所以计算出的数值与 实际有较大的差距

24、，这时有规律的调试就更加重要。 五、结论、心得体会 经过几天的 日夜奋斗，小组成员通力协作，团结互助，完成了实验 的大部分 项目，并且很好的满足了题目要求。在本次设计过程中可谓困难 重重，期间遇到了 许多棘手的问题，特别是 发射谐振回路和接收谐振回路的匹配部分花费了我们大量 的时间和精力，最终在我们共同地努力和默契地配合下得到了令我们满意的结果。 通过本次竞赛，首先学习到了很多关于无线电能传输方面的理论知识，并且通过实际的焊接 电路和调试将这些理论知识掌握的更好了。其次，我们对电路的设计、调试有了深刻的 印象，我们的动手能力以及处理问题的能力都有了很大的提高，并加深了对开关电 源的理解，同时也

25、深刻的体会到了共同协作和团队精神的重要性。 参考文献 1张占松等。 开关电源的原理与设计。 北京：电子工业出版社 2005 2周志敏等。 高频开关电源设计与应用实例。 北京：人民邮电出版 2008 谢红等。 模拟电子技术基础。哈尔滨工程大学出版社出版（第三版） 附件一：整体电路图 发送端原理图 接收端原理图 附件二：显示程序代码 #i nclude #defi ne uint un sig ned int #defi ne uchar un sig ned char #defi ne BIT(x) (1(x) #defi ne Ra nge_3V 0 #defi ne Ra nge_15V 1

26、 /* 函数声明 */ int System_ In it(void); int ADC_I nit(void); int LCD_I nit(); int LCD_Se nd(uchar type,uchar tran sdata); int Delay_ nms(uint n); int LCD_Pos(uchar x,uchar y); int LCD_Display_Stri ng(c onst uchar *pt,uchar nu m); int LCD_Display(lo ng int Data2,lo ng int Data3,lo ng int Data4); int LCD

27、_Display_Digit(lo ng int num); uchar LCD_Table=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,., ; long int Voltage,Current; 全局变量 Voltage uint V oltage_Ra nge; / uint adc_sample2=0; uint data; /int aver=0; /uint sum=0; /uint pingjun=0; /* 函数功能：系统初始化 入口参数：无 出口参数：无 函数说明：无 * 看门狗工作在定时器模式，1s 中断一次 /使能看门狗中断 /相应的位端口设置为输出 /P1.4 为 A4 通

28、道 /Range_3V 即量程为 3V，Range_15V 即量程为 15V /ADC 初始化；int System_ In it(void) WDTCTL = WDT_ADL Y_1000; IE1 |= WDTIE; _EINT(); P1DIR |= BIT0 + BIT1; P1SEL |= BIT2; Voltage_Ra nge = Ran ge_15V; ADC_I ni t(); LCDnit(); return 0; int ADC_I nit (void) ADC10CTL0 &= ENC; /复位转换允许位 ADC10CTL0 |= ADC10ON + ADC10SHT_

29、1 + SREF_0 + ADC10IE ; ADC10CTL1 |= INCH_2 + CONSEQ_0; ADC10CTL0 |= ENC + ADC10SC; _EINT(); /总中断使能 return 0; #pragma vector = ADC10_VECTOR _in terrupt void ADC10_I nterrupt(void) data= ADC10MEM; else if( data=data0.37) Voltage = (ui nt)(35.4*data/10.23*4.69)+720)/0.81); J if(data0.38) V oltage = (ui

30、 nt)(35.4*data/10.23*4.69)+940)/0.81); if(V oltage7930) Voltage=Voltage-900; if(7930Voltage8270) Voltage=Voltage-750; if(8270Voltage8530)* *ADC 中断函* /液晶初始化 Voltage=Voltage-700; if(8530V oltage8800) Voltage=Voltage-600; if(88000;j-) switch(j) case 3:temp=firstbyte;break; case 2:temp=tra nsdata&0 xfO;

31、break; case 1:temp=(tra nsdata0;i-) if(temp&0 x80) P1OUT |= BIT0; else P1OUT &= BIT0; P1OUT |= BIT1; temp = 1; P1OUT &= BIT1; Delay_ nm s(1); P1OUT &= BIT0; return 0; int LCD_Pos(uchar x,uchar y) int pos=0; switch(x) case 1:pos=0 x80;break; case 2:pos=0 x90;break; case 3:pos=0 x88;break; case 4:pos=

32、0 x98;break; default:pos=0 x80; pos += y; LCD_Se nd(0,pos); return 0; * 定位函* /* 函数功能：字符串显示函数 入口参数：*pt , num 出口参数：无 函数说明：无 */ int LCD_Display_Stri ng(c onst uchar *pt,uchar num) uchar i; for(i = 0;i (nu m*2);i+) LCD_Se nd(1,*(pt+); return 0; /* 函数功能：数字显示函数 入口参数：num 出口参数：无 函数说明：无 */ int LCD_Display_Di

33、git(lo ng int num) uint SHOW7,i=0; SHOW0=( nu m/10000)%10; / 十位 SHOW1=( nu m/1000)%10; 个位 SHOW2=10; /. SH0W3=( num/100)%10; 十分位 SH0W4=nu m/10%10; /百分位 SH0W5=nu m%10; /千分位 SH0W6=11; /V switch(V oltage_Ra nge) case Ran ge_3V: for(i=1;i7;i+) LCD_Se nd(1, LCD_TableSHOWi); break; case Ran ge_15V: for(i=0

34、;i7;i+) if(i=5)+i; LCD_Se nd(1, LCD_TableSHOWi); break; default: break; return 0; /* int Delay_ nms(uint n) uchar i; while( n-) for(i=0;i115;i+); return 0; /* 函数名称：显示函数 入口参数：Data 出口参数：无 函数说明：每行最多 8 个字，2 个字母或数字相当于 1 个字的长度，注意 汉字没法跨格显示。 */ int LCD_Display(long int Data2,long int Data3,long int Data4 )/

35、 电流 - Data2,电压 Data4 LCD_Pos(1,0); 第一行 LCD_Display_String(无线电源,5); LCD_Pos(2,0); 第二行 LCD_Display_String(电压为:,4); LCD_Display_Digit(Data2); LCD_Pos(3,0); 第三行 LCD_Display_String(电流为:,4); LCD_Display_Digit(Data3); LCD_Pos(4,0); 第四行 / LCD_Display_String(” 功率为:,4); LCD_Display_Digit(Data4); return 0; /* 函数名称：主函数 入口参数：无 出口参数：无 函数说明：请看完最上面程序说明再运行程序 */ int mai n() Systemni t(); while(1) ADC10CTL0 |= ENC + ADC10SC; /开启 ADC 转换 延时函* Data3,功率 return 0;