基于磁懸浮的無線充電技術

北京聯合大學 蘇秀珍 王夕巖 蘇幼香

基于磁懸浮的無線充電技術

北京聯合大學 蘇秀珍 王夕巖 蘇幼香

無線充電是指內置電池的設備或裝置，透過無線感應的方式取得電力而進行充電。無線充電技術，源于無線電力輸送技術，其工作原理利用的是法拉第電磁感應，當電流通過線圈之后，便會產生出磁場；而產生的磁場又會行成電壓，有了電壓之后便會產生電流，有了電流便可以充電。磁懸浮裝置的原理是利用對電磁鐵電流的控制來實現一個浮子在空中的來回反復運動，達到懸浮的效果。

磁懸浮；無線充電；電磁感應

1.引言

無線充電及是可實現在距離充電器幾米遠的地方進行無線充電。而所謂的無線充電技術，即不用通過電源線和電纜等一切外接設備，就可給電子設備充電。其原理是利用磁共振在充電器與設備之間的空氣中傳輸電荷，線圈和電容器則在充電器與設備之間形成共振，實現電能高效傳輸的技術。而目前的懸浮技術主要包括電磁懸浮、光懸浮、聲懸浮、氣流懸浮、靜電懸浮、粒子束懸浮等，其中電磁懸浮技術比較成熟。一般通過線圈的交變電流頻率為104—105Hz。

2.系統設計及實現方案

2.1 系統分析

將直流電轉化成高頻交流電，然后通過沒有任何有線連接的原/副線圈之間的互感耦合實現電能的無線饋送。基本方案如圖2-1所示。

圖2-1 無線電能傳輸示意圖

電能的無線傳送實際上是通過送電線圈L1和受電線圈L2的互感作用實現的，這里L1和L2構成一個無磁芯的變壓器的原/副線圈。為保證足夠的功率和盡可能高的效率，應選擇較高的調制頻率，同時要考慮到器件的高頻特性，經實驗選擇1.6MHz較為合適。

以單片機為核心，設計磁懸浮子的控制電路設計，對控制算法進行研究，編寫程序，通過傳感器對浮子位置的測量，通過單片機來實現對浮子懸浮的穩定控制。采用霍爾元件檢測浮子，輸位置出電信號經A/D轉換反饋至單片機，運用單片機數字PID控制器來控制磁懸浮子在磁場中的位置。總流程如圖2-2所示。

圖2-2 總流程圖

給定數字量的作用是手動控制浮子在磁場中的位置，根據給定量不同，浮子的受力大小也隨之改變。單片機控制器主要是在接到傳感器的反饋后，通過把模擬信號轉換成數字信號，發給磁鐵執行器，從而控制磁場大小。功率驅動則是改變驅動能力。霍爾元件則是用于測量浮子位置的傳感器，并將其信號通過模數轉換發送給單片機控制器。

通過將浮子與受電線圈L2的有效結合，即可實現懸浮無線充電。

3.機械系統設計與實現

3.1 模擬量接近開關

通常，電感式接近開關均有著相同的工作原理及應用。然而,本文所要討論的是模擬量接近開關的一些特殊特性。下面所講述的例子均來源于實踐，由于篇幅有限，只能選擇部分實例，但從中可以看出它的應用是極其廣泛的。如圖3-1所示，給出模擬量參數參考。

圖3-1 模擬量參數

（1）一個模擬量接近開關控制幾個開關點

人們常常會遇到這種情形，在被檢測目標物體的運動過程中，某一動作需要在不止一個位置被觸發。更多的是：不同的位置往往發生一些相關的動作。因此，一個程序控制站，可用一張金屬盤片和一個模擬量接近開關替代幾個凸輪和同等數量的接近開關，來解決此類問題。例如通過一個帶模擬量輸入的PLC輸入模塊來實現該功能(例如西門子 S5，6ES5 464-8MC11)。現在以非常合理的價格便可買到這些模塊。當然也可以使用其它供應商的信號處理裝置來實現該功能。

（2）模擬量接近開關線性運動轉換成電子信號

用接近開關將線性運動轉換成電子信號的最直接簡單的辦法。但是這種情況，必須保證設備沒有被物理接觸。然而在實踐中, 開關的檢測范圍往往不夠大，造成直接檢測有困難。但如果使用楔形的物體，便能隨意調節檢測范圍。同時如果此物體為非平面物時，可供調節的范圍會更廣。很輕易便能把線型轉換成電子信息。

（3）模擬量接近開關旋轉運動轉換成電子信號

通過一個偏心金屬盤片，模擬量裝置便可采集到旋轉運動信號或角度信號。與上例相似，如果盤片的形狀合適，角度的可調范圍相應比較大，線性度也能做得較好。

（4）模擬量接近開關用一個接近開關辨認旋轉方向

通過適當放置齒狀和孔狀盤，模擬量接近開關可以精確辨認旋轉方向（可參考作為編碼器的模擬量接近開關的應用報道）。在這種情況下，用一只模擬量接近開關便可測定旋轉方向。在二次儀表上， 設置了3個開關點, 其中2個位于齒表面，另一個位于齒外。依他們移動的順序，可以得出齒狀和孔狀盤的旋轉方向。不用說，也可同時測出旋轉速度。

（5）原理圖及仿真

經過反復實驗，得出硬件原理圖，見圖3-2所示。

圖3-2 硬件原理圖

4 主要算法及實現

4.1 軟件流程圖

軟件控制硬件實現預期的功能。本設計軟件流程圖如圖4-1所示。

圖4-1 軟件流程圖

4.2 調式軟件的介紹及調試方法

本次使用軟件調試運用了labvew程序，首先先來介紹一下這個程序。

與 C 和BASIC 一樣，LabVIEW也是通用的編程系統，有一個完成任何編程任務的龐大函數庫。LabVIEW的函數庫包括數據采集、GPIB、串口控制、數據分析。

LabVIEW標志：

顯示及數據存儲，等等。LabVIEW也有傳統的程序調試工具，如設置斷點、以動畫方式顯示數據及其子程序（子VI）的結果、單步執行等等，便于程序的調試。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標代替文本行創建應用程序的圖形化編程語言。傳統文本編程語言根據語句和指令的先后順序決定程序執行順序，而 LabVIEW 則采用數據流編程方式，程序框圖中節點之間的數據流向決定了VI及函數的執行順序。VI指虛擬儀器，是 LabVIEW 的程序模塊。

LabVIEW 提供很多外觀與傳統儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創建用戶界面。用戶界面在 Lab-VIEW 中被稱為前面板。使用圖標和連線，可以通過編程對前面板上的對象進行控制。這就是圖形化源代碼，又稱G代碼。LabVIEW 的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。

調試方法：

調試是通過調節PID的幾個控制參數來調節對浮子的控制，PID的參數包括KP，KI，KD，分別是比例增益，積分增益，微分增益。從減小偏差的角度出發，我們應該增加KP，但另一方面，KP還影響著系統的穩定性，KP增加通常導致系統穩定性下降，過大的KP往往使系統產生激烈的震蕩和不穩定。而在積分控制器中，調節規律是偏差e經過積分控制器的積分作用得到控制器的輸出信號u。微分控制器則是針對被調量的變化率來進行調節，而不需要等到被調量已經出現較大的偏差后才開始動作，即微分調節器可以對被調量的變化趨勢進行調節，及時出現大的偏差。所以要合理的調節3個參數，使浮子懸浮。

5.結論

通過磁懸浮將浮子懸浮在空中，并通過無線充電技術實現無線充電。這次的設計是一個磁懸浮子，它可以在通電的情況下通過傳感器對其位置的檢測再傳給PID控制，使它可以自動調節電磁磁力大小，從而穩定漂浮在空中。然而在設計過程中，它是有一些缺陷的，理想狀態下它會漂浮的十分穩定，但是實際與理想還是有一些差距的，影響其不穩定的因素可能有：電源的雜波，傳感器的靈敏度以及調試工具的限制，表現的形式為：上下大幅度抖動。并在浮子上添加受電線圈及可實現提供懸浮和無線充電的功能。

[1]任仲友,王家素,王素,王興志．高溫超導磁懸浮車導向力測試裝置[J]．電工電能新技術,2003．

[2]連級三．磁浮列車原理及技術特征[J]．電力機車技術,2001．

[3]方家光．磁懸浮的物理圖象[D]．清華大學,1999．

[4]劉琳．磁懸浮技術與磁懸浮列車[J]．現代物理知識,2000．

[5]田曉岑,張萍．磁懸浮列車原理簡介[J]．大學物理,2000．

[6]華旗,陶星莉．無線充電的有限嘗試:應用前景廣泛．2012年10月．

[7]尋繡網．尋修知識．無線充電技術,2013年3月．

[8]曾珊．充電的革命:無線充電原理及前景．2012年11月．

[9]榮元博．微距離無線充電器的設計制作．2012年10月．

鳴謝：該項目的研究成果基于北京聯合大學“啟明星”大學生科技創新項目經費資助，項目編號201611417SJ100。

指導教師：蘇幼香（通訊作者）。