移動(dòng)機(jī)器人無(wú)線陣列式充電系統(tǒng)

王曉龍 鄧?yán)? 劉恒

【摘 要】本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的是一款基于變磁耦合諧振的M×N陣列式移相控制的中功率無(wú)線充電系統(tǒng)，可應(yīng)用于機(jī)器人、無(wú)人機(jī)等產(chǎn)品，特別是針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的無(wú)線充電。磁耦合諧振式無(wú)線充電具有傳輸距離遠(yuǎn)，輻射較低的特性，但此種充電方式效率較低，且發(fā)射功率較低。所以本團(tuán)隊(duì)提出一種變拓?fù)浯篷詈现C振通過(guò)移相控制的新型M×N陣列式線圈的結(jié)構(gòu)，以提高磁耦合諧振式無(wú)線充電的傳輸效率和傳輸功率，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】無(wú)線充電;變磁耦合諧振;移相控制的新型M×N陣列式線圈

引言

近年來(lái)無(wú)線充電技術(shù)發(fā)展迅速，并廣泛應(yīng)用于各類(lèi)電器設(shè)備中。其中磁諧振式無(wú)線充電兼具安全、傳輸距離較遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)，成為了國(guó)內(nèi)外研究的焦點(diǎn)。但磁諧振無(wú)線充電目前仍存在傳輸效率不高，單對(duì)線圈功率不高，磁場(chǎng)分布不均，電流振蕩會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生損害等問(wèn)題。

對(duì)此本項(xiàng)目意在設(shè)計(jì)一款利用陣列式線圈結(jié)構(gòu)提高磁耦合諧振式無(wú)線充電傳輸效率和功率的系統(tǒng)。同時(shí)減小系統(tǒng)運(yùn)行所產(chǎn)生的電流振蕩損耗和系統(tǒng)靜損耗，提高無(wú)線充電的能量傳輸效率和安全性。

1.硬件方案

移動(dòng)機(jī)器人無(wú)線陣列式充電系統(tǒng)其硬件部分主要由二大部分構(gòu)成：

（1）單對(duì)線圈無(wú)線充電基本結(jié)構(gòu)。單對(duì)線圈無(wú)線充電裝置整體結(jié)構(gòu)框圖如下圖1，本項(xiàng)目在傳統(tǒng)PP型諧振電路發(fā)射端拓?fù)渖线M(jìn)行變換，在此基礎(chǔ)上制作新型無(wú)線充電裝置，可以提高系統(tǒng)效率。無(wú)線充電發(fā)射端由自動(dòng)升降壓電路、發(fā)射端藍(lán)牙模塊、高頻開(kāi)關(guān)管電路、以及開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路組成;接收端由同步整流電路、DC-DC變換器、電流電壓檢測(cè)電路[1]、接收端藍(lán)牙模塊組成;兩端的藍(lán)牙模塊起到連接信息交流的作用。

（2）M×N陣列式線圈無(wú)線充電整體結(jié)構(gòu)[2]。M×N陣列式線圈無(wú)線充電是在單對(duì)線圈的結(jié)構(gòu)之上進(jìn)行改進(jìn)，利用陣列線圈的串并聯(lián)提高功率裝置，該無(wú)線充電為中功率充電裝置[3]。中功率無(wú)線充電裝置結(jié)構(gòu)如圖2，分為發(fā)射端和接收端，通過(guò)藍(lán)牙模塊傳遞信

2.控制方案

相位控制。M×N發(fā)射端陣列采用單獨(dú)的發(fā)射端模塊，對(duì)于這M×N個(gè)發(fā)射端采用移相控制的方式發(fā)射傳輸能量。其移相角度根據(jù)發(fā)射端模塊的數(shù)量決定。對(duì)于M×N個(gè)發(fā)射端，其每一個(gè)發(fā)射端移相角度為

為敘述方便，以3×3陣列的為例，說(shuō)明此M×N無(wú)線發(fā)射端陣列的控制方式。對(duì)于3×3的陣列無(wú)線電能發(fā)射端，其移相角度為40度，以中心發(fā)射端E為起始點(diǎn)，A為終點(diǎn)。在一個(gè)控制周期內(nèi)，以發(fā)射端E為相位零點(diǎn)，經(jīng)過(guò)D、G、H、I、F、C、B、A時(shí)PWM相位依次延遲40度，最終到達(dá)發(fā)射端A延遲360度。如此循環(huán)反復(fù)，發(fā)射能量，通過(guò)移相的控制方案，達(dá)到減小電源電流峰值、改善電源電流波形，同時(shí)減小系統(tǒng)的無(wú)功損耗，提高的無(wú)線充電效率的目的[4]。其發(fā)射框圖路徑如圖3所示。

在第二個(gè)PWM控制周期內(nèi)，以發(fā)射端E為起點(diǎn)，假定此時(shí)發(fā)射端E的PWM相位為0度，經(jīng)過(guò)H、I、F、C、B、A、D、G時(shí)PWM相位依次延遲40度，最終到達(dá)發(fā)射端G延遲360度。其發(fā)射框圖路徑如圖4所示。

在第三個(gè)PWM控制周期內(nèi)，以發(fā)射端E為起點(diǎn)，假定此時(shí)發(fā)射端E的PWM相位為0度，經(jīng)過(guò)F、C、B、A、D、G、H、I時(shí)PWM相位依次延遲40度，最終到達(dá)發(fā)射端I延遲360度。其發(fā)射框圖路徑如圖5所示。

在第四個(gè)PWM控制周期內(nèi)，還是以發(fā)射端E為起點(diǎn)，假定此時(shí)發(fā)射端E的PWM相位為0度，經(jīng)過(guò)B、A、D、G、H、I、F、C時(shí)PWM相位依次延遲40度，最終到達(dá)發(fā)射端C延遲360度。其發(fā)射端框圖路徑如圖6所示。

3.結(jié)語(yǔ)

基于磁耦合諧振式無(wú)線充電方式具有作用距離較遠(yuǎn)、安全穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，是近年來(lái)研究的焦點(diǎn)，本方案利用M×N陣列式線圈，采用M行N列LC并聯(lián)諧振增大無(wú)線充電的功率，通過(guò)電源DC/ DC模塊對(duì)電能進(jìn)行變換，通過(guò)電路進(jìn)行整流濾波使電能穩(wěn)定輸入，利用陣列式LC發(fā)射模塊和接收模塊通過(guò)磁耦合諧振接收和發(fā)送電能，利用藍(lán)牙模塊進(jìn)行信號(hào)控制傳遞，并對(duì)電流電壓進(jìn)行檢測(cè)動(dòng)態(tài)改變電壓確保充電穩(wěn)定高效運(yùn)行，通過(guò)相位控制提高充電效率，最終可實(shí)現(xiàn)提高磁諧振式無(wú)線充電的效率和功率，清晰嚴(yán)密具有可行性。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：

重慶理工大學(xué)學(xué)生科研立項(xiàng)科技發(fā)明制作課題（KLB20011）.

（作者單位：重慶理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院）