基于磁耦合共振技術的智能小車

朱潔 楊傳海

編者按：本系統采用STC12C5A60S2芯片作為控制中心，與TPS61096A、LM2940、TPS63020、電感線圈、蓄電池、直流電機、TB6612FNG電機驅動、SC2262、SC2272-T4一起構成無線充電小車系統。由TPS61096將5V電源升壓，通過電感線圈進行無線發射。通過電流橋利用LM2940降壓、TPS63020進行穩壓對蓄電池充電。由SC2262作為控制器，發射信號作用于SC2272-T4接收器，SC2272-T4接收到信號后將信號反饋給單片機的I/O口，單片機再通過處理作用于TB6612FNG電機驅動使電機正轉或反轉，從而實現控制車的行走。單片機產生可變的PWM波來調節電機的轉速，從而產生不同的動力以在運動過程中旋轉。利用電源穩壓模塊與電源結合，使各個器件工作在最佳狀態，提供給車體系統最穩定的性能。

無線充電系統的背景

近年來，隨著人口收入的增加，機械工業保持了強勁的增長。發展減少能源排放的技術和新的能源技術已經成為一項挑戰。電動產品的發展主要在于其能量的補給，市面上能量供給方案主要有三種：電纜捆綁式慢充;有線方式快速充電;對電動產品采取更換電池的方法。

對于上述的這些狀況，一些研究者們推演出了一種新型的充電方式——采用無線充電系統的方案。這種新的電能傳輸方法可以通過一些常用的介質，如空氣、感應、磁共振技術等，在沒有電纜連接的情況下，實現電能的有效傳輸。不需要人為的插拔電、沒有物理磨損等。更好地與電網進行互動，并且削弱了充電活動對電網的影響。這一優勢的顯現，使得人們對于無線充電這一方式倍加關注。

總體設計方案

系統總體方案及結構框圖

本系統裝置以由TPS61096A、LM2940、TPS63020構成AC-DC系統。配合電感線圈、蓄電池組成無線充電系統，以STC12C5A60S2單片機作為控制核心，由主要SC2262發射、SC2272-T4接收、TB6612FNG電機驅動、直流電機、電源穩壓模塊等組成本系統的控制系統（見圖1）。

方案論證與比較

（1）無線發射器和接收器

采用XKT-801芯片設計而成，可以直流遠程充電，輸出功率大，在整體電路中能穩定達到任務的要求。

（2）穩壓器件

TI 公司的TPS63020是高效率、小電壓、小電流的電源解決方案，效率高達96%，可在升壓、降壓模式之間自動切換，靜態電流小于50uA，性能優良，符合任務要求。

（3）信號發射器和信號接收器

2262/2272是一對具有地址和數據編碼功能的紅外遙控收發器芯片，該發射芯片包括載波振蕩器、編碼器和傳輸單元，因此傳輸電路非常簡單。

（4）直流電機驅動模塊

本模型中使用的TB6612FNG是一種新的驅動類型，能夠獨立地控制兩個直流電動機的兩個方向，它是高度集成的，具有足夠的輸出能力。在集成和小型化的電動機控制系統中，它可以用作理想的電動機驅動裝置。

（5）直流電機

采用帶有編碼器的ASLONG JGA25-370B減速直流電機，在通過編碼降低了DC引擎的速度，除了全直流發動機和正確的傳動系統外。再加上一個合適的變速齒輪，通過編碼器降低直流電機的速度，同時，不同的齒輪減速比可以提供不同的轉速和扭矩，這大大提高了直流電動機在自動化行業中的應用。

（6）電源模塊

采用18650電源，具有容量大、壽命長、安全性能高、電壓高、內阻小等優點。

理論分析與計算

系統傳輸模型

Marin Soljacic教授于2007年在兩米遠的地方點亮了一個60W的燈泡，并且達到了約40%的系統傳輸效率。也就是由此開始，無線電能傳輸技術的研究和開發開辟了一個新的研究方向——磁耦合共振無線能量傳輸，提高了對測量設備范圍的傳輸距離，消除諸如使用微波和激光模型引起的強干擾等安全缺陷。

就目前而言，實現無線傳輸電能的主要有以下六種方式：磁耦合諧振、微波、超聲波方、感應耦合、激光和電池耦合。

磁耦合共振技術中，用于無線電能傳輸理論分析模型分別是：耦合模理論、等效電路理論。耦合模塊理論是基于系統能量的角度，以能量吸收理論來分析：是以構建系統物理模型和結構，預估實驗參數來進行模擬分析等效電路。這種理論建模方法可以被應用于廣大的磁耦合共振問題，但該耦合模式理論大多數人并不熟悉。本設計使用的是磁耦合共振技術，是針對于串并模型做的設計，一旦發射端被啟用，充電系統會在其周圍產生一個閉合的、非輻射性質的磁場。這個磁場通過與接收端的互動，使得接收端產生共振，所以在電能傳輸過程中能量利用率高、損失量小;串并模型的傳輸結構由收發線圈、高頻電流、可調容量和負載組成，系統的高頻電流源將工頻電壓轉換成高頻信號，通過能量轉移裝置將能量轉移到接收線圈側，并通過直流穩壓系統產生穩定的直流電壓對當前電池充電。

系統傳輸效率及功率分析

據特定的線圈和器件，L、C為已知參數，據公式而言，L、C的電阻值會隨著頻率的變化而變化，由于系統的工作頻率接近線圈的自諧振頻率，為了簡化，所以L、C的電阻值被認作是一個固定值，而M與線圈之間的D有關，，所以η和Pout可寫成只與f、RL和D有關的函數。

互感計算用M≈πμ0r4N 2/2D3近似計算;r為線圈半徑，N為線圈匝數，μ0為真空磁導率，D為兩線圈間距。L、C通過算式可得。

線圈參數分析

對于用作無線傳輸的線圈而言，它的自感由內徑和外徑自感構成，故線圈的自感L可通過下列公式進行計算：

式中N表示空心螺旋線圈匝數，r是空心螺旋線圈的半徑，a為空心導線的半徑。

對于磁耦合諧振無線充電系統，由于系統的工作頻率通常為幾十KHz或數MHz，線圈的輻射電阻傾向低于歐姆電阻，因此可以忽略輻射電阻，線圈分配電容C的值與線圈的外部補償能力相比較，低的也可以忽略。

對于接收裝置與發射裝置之間的線圈互感可以根據線圈間的流量來計算，感應系數與線圈間的圈數、半徑及輻射距離密切相關，如果兩個線圈放置在同一軸上，則可以根據公式來計算線環之間的相互感應系數。

占空比檢測

占空比是指電路在一個周期之內高電平所占整個周期的比例。例如，如果電路接通的時間是其工作周期的一半，則其工作周期為50%。就如同元件為電子閥，閥門狀態為半開狀態，控制設置為50%。同樣，如果控制設置為30%，則高電平持續時間為一個周期的30%，閥門開度為30%。閥門可以從0%（完全關閉）調整到100%（完全打開）。

本設計使用的8位的單片機，故8位PWM的周期為：計數脈沖周期×256，頻率為：計數的脈沖頻率÷256，脈寬時間為：脈沖周期×（256-期望），占空比為：脈寬時間÷周期，用百分比來表示為1-（期望÷256）×100%。

占空比是指功率開關打開狀態（脈寬）與每個脈沖周期的比值，即t/T=δ。t為脈沖寬度，所以這種調制方式也被稱為脈寬調制。頻率f=1/T指的是脈沖的頻率可以帶入得出f=δ/t。

脈沖寬度調制頻率是指信號一個周期內從高電平的比例。占空比是高電平持續時間與低電平持續時間的比例。頻率越高，對于操作響應得就越快，反之頻率越低，則對于操作響應就慢。所以通過對占周期的寬度調節可以控制PWM（Pulse Width Modulation）的速率，高電平占得周期寬度越寬，輸出的能量就會越高，高電平占周期寬度越窄，輸出的能量就會相應的降低，PWM就是通過這種原理從而實現D/A轉換的。調節高電平的占周期的比例來實現控制PWM的頻率從而實現控制車的行進。

電路設計

無線發射與接收系統

采用XKT-801芯片設計而成，作為無線發射與接收系統。由TPS61096A為主體外接電容和電阻配合發射線圈構成無線充電系統的發射端，由一個線圈作為接收線圈經過一個電流橋整流再配合LM2940作為無線充電系統的接收端。

穩壓電路

采用TPS63020是高效小型升降壓電源解決方案，輸入電壓為5V，對于輸入電壓能起到一個穩壓的功能，性能優良。

信號發射與接收模塊

采用SC2262作為信號發送器、SC2272-T4作為接收器。2262/2272是一對具有地址和數據編碼功能的紅外遙控收發器芯片，該發射芯片包括載波振蕩器、編碼器和傳輸單元，因此傳輸電路非常簡單。

軟件開發

軟件環境及使用方法

根據STC12C5A60S2所需求Keil uVisi-on5，以及stc-isp-15xx-v6.86，Keil uVision5用來編寫程序，stc-isp-15xx-v6.86用來進行燒錄。

設計模型

設計無線充電部分主要由TPS61096A為主體外接電容和電阻配合發射線圈構成無線充電系統的發射端，由一個線圈作為接收線圈經過一個電流橋整流再配合LM2940作為無線充電系統的接收端。

電機驅動部分通過電流橋利用LM2940降壓、TPS63020進行穩壓對蓄電池充電。由SC2262作為控制器，發射信號作用于SC2272-T4作為的接收器，SC2272-T4接收到信號后將信號反饋給單片機的I/O口，單片機再通過處理作用于TB6612FNG電機驅動使電機正轉或反轉，從而實現遙控車的行走。單片機輸出可變的PWM波給電機調速，控制2個直流電機轉速，從而產生大小不同的力使其在行進中實現轉彎。

軟件功能與結構

本設計是使用的8位的單片機，故8位PWM的周期為：計數脈沖周期×256，頻率為：計數的脈沖頻率÷256，脈寬時間為：脈沖周期×（256-期望），占空比為：脈寬時間÷周期，用百分比來表示為：1-（期望÷256）×100%。

通過計算PWM占空比的計算編寫程序，SC2272-T4接收到信號后將信號反饋給單片機的I/O口，單片機再通過處理作用于TB6612FNG電機驅動使電機正轉或反轉，從而實現遙控車的行走。單片機輸出可變的PWM波給電機調速，控制2個直流電機轉速，從而產生大小不同的力使其在行進中實現轉彎。

軟件測試

編寫好程序后，用Keil uVision5進行檢查無誤后，進行編譯，再利用仿真進行現實模擬，達到預期效果后，利用stc-isp-15xx-v6.86用來進行燒錄，反復試驗制作出的實物是否符合驗收標準。

測試結果及分析

測試儀器

用雙通道數字示波器、四位半數字萬用寶、直流穩壓電源進行測試。

測試方案

首先先將無線線圈發射端接上電源，用DT930F+4四位半數字多用表測試無線線圈發射端是否指標正常。再讓車處于靜止狀態開始，開啟電源，再用DT930F+4四位半數字多用表進行測試各個指標是否正常，然后進行按鍵測試;觀察小車運動情況，記錄N次后，經過多次測試得出結果。

測試數據結果分析

（1）測試結果

經過測試要求：采用XKT-801芯片設計而成作為無線發射與接收，發射端利用萬用表測得供電電壓為5V，供電電流不大于1A，電路板上各個參數均符合預期效果并且能完美實現無線充電功能;當按下SC2262的A鍵后，兩電機正轉，小車直行，示波器測試其PWM，兩輪占空比一致為70%;當按下SC2262的B鍵后，兩電機正轉，小車左轉，示波器測其PWM波，右輪占空比為70%，左輪為40%;當按下SC2262的C鍵后，兩電機正轉，小車右轉，示波器測其PWM波，右輪占空比為40%，左輪為70%;當按下SC2262的D鍵后，兩電機反轉，小車后退，示波器測試其PWM，兩輪占空比一致為70%。四種情況所需的條件均滿足題目要求，在允許誤差范圍內，出色地完成了基本及發揮部分任務。

（2）誤差分析

① 系統誤差：由于裝置純手工搭建，系統結構穩定受到一定的影響，從而指標數據存在誤差。

② 人為誤差：由于觀測者有自己的習慣和特點，在測試裝置指標數據時造成誤差。

總結

此次設計方案的核心部件是STC12C5 A60S2和磁耦合諧振式無線充電系統，通過硬件電路和軟件程序的結合，實現了無線充電智能小車的設計。在這次設計的無線充電系統中，選取了一個經典的轉換過程。即為系統由高頻電源、傳輸線圈、接收線圈、整流電路、穩壓電路、負載組成。傳輸線圈將工頻電壓轉變為高頻能量信號，將能量傳輸到接收線圈，再經過一個整流橋后進過穩壓電路對電池進行平穩的充電。

此方案的硬件設計主要是幾個核心部件和其他輔助模塊的連接，通過按鍵控制整個小車行進的功能，即發射信號作用于SC2272-T4作為的接收器，SC2272-T4接收到信號后將信號反饋給單片機的I/O口，單片機再通過處理作用于TB6612FNG電機驅動使電機正轉或反轉，從而實現遙控車的行走。單片機輸出可變的PWM波給電機調速，控制2個直流電機轉速，從而產生大小不同的力使其在行進中實現轉彎。整個程序的設計思路比較清晰，能夠達到預期的目標。

參考文獻：

[1]Pfeiffer W S ， Adkins K E . Technical communication ： a practical approach[M]. Pearson Education International， 2009.

[2]張建平. 常用無線收發模塊應用與選型[J]. 無線電， 2008（04）：74-76.

[3]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎（第5版）[M].北京：高等教育出版社，2017：92-122.

[4]代世臣. 基于單片機的信號波形發生器設計[J]. 數碼世界， 2017（03）：19-20.

[5]謝端. 關于兩線圈磁耦合諧振式無線電能傳輸的效率分析[J]. 電子測試， 2018（16）：2-2.

[6]黃學良，吉青晶，譚林林，等.磁耦合諧振式無線電能傳輸系統串并式模型研究[J]. 電工技術學報， 2013（03）：177-182.

[7]李秀霞，鄭春厚.Protel DXP 2004電路設計與仿真教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2016.

[8]王靜霞，楊宏麗，劉俐.單片機應用技術（C語言版）[M].北京：電子工業出版社，2016：48-60.

[9]郭天祥.新概念51單片機C語言教程一入門、提高、開發、拓展全攻略[M].北京：電子工業出版社，2009.

[10]任志剛.電子信息工程專業英語教程[M].北京：電子工業出版社.2016.