基于STM32單片機的電動小車動態無線充電系統的研究

林德穎

（福建林業職業技術學院智能制造系 南平 353000）

引言

本研究設計了一款能夠實現動態無線充電的電動小車，使其進行規定時間的充電后，繞行圓形測試軌跡的圈數增加。充電發射裝置采用逆變技術先將直流電源經LC 自激振蕩電路轉換為高頻交流電，并設有復位按鈕，控制電容充電的計時起點；為測試充電效果，小車除超級電容[1]外不并接其他電能裝置，每次復位后的充電時間均為1 min，期間逆變轉換的交流電能通過發射裝置天線向接收裝置傳輸能量,傳輸原理基于諧振耦合，即令電能轉換成磁場能量后進行無線傳輸；同時，充電接收裝置將磁能轉換回交流電能，經全橋整流后供給超級電容儲能，1 min 定時時間到繼電器動作，發射天線[2,3]停止能量輸出，同時超級電容開始放電，副邊電路接通，小車自動前進。

設計中采用了TI 指定的穩壓模塊TPS63020 驅動小型直流減速電機，并使用紅外黑線尋跡，實現STM32 在不同時刻產生不同的PWM （脈沖寬度調制）波[4]，驅使小車差速繞軌行駛。

1 方案描述與總體框圖

本研究裝置的電動小車采用成品車改裝制作而成，整車重量不小于1 斤；外形尺寸不大于26 cm*32 cm；圓形無線充電裝置發射線圈外徑不大于20 cm。無線充電裝置的接收線圈安裝在小車地盤上，只采用超級電容作為小車的儲能、充電元件。測試時事先在紙板上布置直徑70 cm 的黑色圓形行駛引導線（線寬小于2 cm），再將小車的實驗測試路線均分為三等份，分別記為A、B、C、D 點，在四點處安裝無線充電裝置的發射線圈。充電系統發射端直流電源恒壓5 V，電源輸出電流小于1 A。

無線充電小車經多次調試改良后，可實現無線充電功能，且最多繞線圈三圈，基本符合設計要求。

該設計具有現實意義，未來可作用于無人駕駛公交系統[5～7]中，應用在新能源電動汽車上。通過在各個公交站點埋設充電線圈，即可為到站公交車上的超級電容提供充電服務，只要無線充電提供的能量足以支持公交行駛到下一個站點進行接力充電，就能保證公交的正常運行。從而達到節能減排，綠色生活的目標。

系統總體方案采用STM32 作為核心控制板,用無線發射接收模塊以及一個5.5 V、10 F 的法拉電容作為電動小車前進的能量來源。STM32 作為控制器，能夠在充電和放電的不同狀況下點亮或熄滅充電指示燈，并對紅外接收管返回的高低電平做出判斷,在小車行駛正常或者出界時發出不同的指令，直到小車電量降至不能再驅動電機前進的最小電量為止。系統硬件總體框圖如圖1 所示。

圖1 系統總體框圖

2 硬件電路設計與仿真

2.1 無線充電發射電路

發射電路的設計借鑒了當下主流的無線充電技術——磁共振耦合連接[8-10]，即多個電路元件或電路網絡的輸入同輸出之間存在緊密配合與相互影響,并通過相互作用從一側電路向另一側電路輸送能量的現象。該技術的重點在于收、發兩側天線（線圈）的共振，選用無線充電芯片型號為XKT-412[11]。當發射電路通電后，電路起振，在發射天線與接收天線相靠近時兩電路形成共振，磁能量傳輸效果明顯，成功實現無線充電。XKT-412 芯片主要工作特性如圖表1 所示。

表1 XKT-412 芯片主要工作特性

發射電路原理圖如圖2 所示。

由于只有在兩線圈靠近時，才能進行無線充電，所以需要在小車的行進途中設置多個發射電路。

2.2 無線充電接收電路

在調試過程中接收電路很容易出現充電電流過小的問題，通過進一步的測試發現接收端空載電壓正常而帶載電壓偏低。空載電壓正常，說明無線充電收發電路運行無異常，但帶載后電壓一下被電源拉低了，這是線圈匹配造成的影響，導致輸出端接收到的功率不足。通過多次實驗調整后發現降低充電電流、拉近收發線圈的距離，或者重新匹配收發線圈都可以改善這一現象，增大接收側的帶載電壓。改良后的接收電路原理圖如圖3 所示。

圖3 無線接收電路

2.3 紅外尋跡電路

紅外尋跡[12,13]是一項成熟的應用技術，它運用了紅外光對于不同物體的反射特性不同的特點。當反光物體為白色時，紅外光的反射量強；而當反光物體為黑色時，紅外反射量明顯減弱，運用光電元件可以將光強轉換為數字電信號。在淺色的地面上粘貼黑色軌跡，使用紅外對射管進行掃描：當檢測到軌跡外的區域時，傳感器發射出去的紅外光大多將被反射回來，光電檢測電路輸出低電平；當檢測到黑色軌跡時，因黑色物體的反紅外光能力很弱，光電元件接收到的紅外光少，達不到檢測電路的動作的條件，所以檢測電路輸出高電平.我們只通過用STM32 的輸入管腳判斷檢測電路的輸出電平，就能將要尋跡的線路識別出來。紅外尋跡電路原理圖如圖4所示。

圖4 紅外尋跡電路圖

2.4 穩壓電路

實現這部分功能的是含有 TPS63020DC-DC 變換芯片的模塊[14]。該芯片的功能是實現電壓的升降，并且芯片的轉換效率高達96 %。TPS63020 使電路能夠在法拉電容非線性放電的模式下，輸出穩定的 3.3 V 電壓，保證電機能夠在短時間內持續穩定的工作。該電路實際使用的 TPS63020 穩壓模塊主要參數如表2 所示。

表2 TPS430 主要輸入輸出參數

3 硬件電路分析與計算

3.1 無線充電發射接收電路分析與計算

動態小車無線充電系統的設計與實現，需要根據穩壓電源的電壓值來計算無線充電發射接收電路的總能量、法拉電容存儲電路的能量和功率以及電機驅動電路工作時所消耗的能量等。詳細思路和計算過程如下：

系統規劃無線充電系統采用1 臺5 V 直流穩壓電源供電，輸出電流小于等于1 A。實驗使用5 V 開關電源，符合要求。

選定無線充電發射、接收模塊工作的電壓為（5～12）V，接收模塊的輸出電流為520 mA，恰好符合測試要求。假設該發射模塊的傳輸能量的效率為87 %，則該電路可為總電路獲得的總能量為：

式中：

Wa—無線充電接收模塊實際獲得的電能；

U—無線充電發射模塊工作電壓；

I—無線充電接收模塊工作電流；

T—單次工作時間，單位以秒計算；

η—發射模塊的能量傳輸效率。

3.2 法拉電容存儲電路分析與計算

法拉電容，也稱為雙層電容，也叫黃金電容，另一種是超級電容，出現于20 世紀70年代和80年代。它可以用極化的電解質維持儲能， 儲能收集的過程是可逆的，所以法拉電容可以進行數十萬次的充放電。法拉電容和其他普通電容的區別首先在容量下。普通電容器容量最大在1 萬～4 萬微法，而法拉電容器最大容量可以達到數千法拉。所以法拉電容也叫黃金電容。

通過理論知識和多次測試后發現電容的充電過程不可能長期穩定在恒壓和恒流狀態。經過示波器和萬用表測試發現，電壓存在0. 3 V 左右的電壓波動，電流隨著充電過程逐漸遞減。就最終的實驗測試結果發現:

式中：

Ia—超級電容恒壓恒流階段充電電流；

C—超級電容容值大小；

U—超級電容恒壓階段工作電壓。

可以得到該部分電路的功率和獲得的總能量為：

式中：

Wc—超級電容充電所得電能；

C—超級電容容值大小；

U—超級電容恒壓階段工作電壓。

式中：

P—超級電容工作功率；

U—超級電容恒壓階段工作電壓；

I—超級電容恒壓恒流階段充電電流。

3.3 電機驅動電路分析計算

電機驅動電路的設計要從以下幾個方面進行考慮：

1）功能：小車是單向前進還是有后退的要求？需要控制速度嗎？在單側驅動的情況下，采用普通放大器或繼電器直接驅動電機就可以達到目的；如果要求電機必須在兩個方向上旋轉，可以使用四個動力元件組成H 橋電路或用雙刀雙擲繼電器連接來實現電機方向的更改。如果不調速，就使用繼電器控制；若如需要調速時，就要使用開關元件來實現PWM（pulse width modulation）調速。

2）性能：發動機驅動PWM 調速，需要考慮輸出電流和電壓范圍與效率。輸出電流和電壓范圍應決定電路能驅動發動機的功率。提高電路的效率，可以保證電源的開關操作，防止常見突發情況，即短路問題。可能發生在H 橋或推挽電路中，即兩個功率器件同時導通導致短路。

3）輸入端的影響：電路的輸入應該具有良好的信號絕緣，以防止高壓電流進入主控制電路。設計中可以通過高輸入阻抗進行進行隔離。

4）對電源的影響：聯合傳輸可能導致電流源電壓丟失，高頻電源受到污染；大電流可能使地電位浮動。

5）可靠性：電機驅動電路應該盡可能做到，無論加上何種控制信號，何種無源負載，電路都是安全的。

核心控制板STM32 的工作電壓為3.3 V，該工作電壓剛好是TPS63020 工作后的穩定輸出電壓，電機獨立測試時額定工作4.8 V，因電壓過低而停止運轉時電壓為1.1 V。由于電動小車需要繞環形引導線行駛，本研究設計了兩種工作模式來適應設計要求中的基礎部分和發展部分。第一種工作模式下，電機的占空比為80 %，第二種模式占空比為50 %。無線充電測試中，電容高電平時為4.58 V。放至小車停止時為1. 67 V，通過實驗數據可以得到該部分工作后所消耗的電能如公式（5）。

式中：

P—小車運行過程實際功率；

Ts—電壓下降，小車停止運行的時刻；

Tp—電壓達到啟動電壓，小車開始運行的時刻；

C—超級電容容值大小；

Uh—電容高電平時電壓值；

U1—電容低電平時電壓值。

4 軟件算法設計與實現

4.1 程序的設計

通過Arduino 書寫功能代碼，基于紅外黑線循跡原則和無線充電原理實現小車動態無線充電的功能、程序功能描述與設計思路如下：

1）功能描述：設置按鍵，控制繼電器是否工作。

2）程序的設計思路：當定時1 分鐘后，繼電器工作，無線發射線圈不向無線接收線圈傳遞能量，超級電容停止充電。當超級電容充電的時候，繼電器不工作，所以不會產生能量損耗。定時時間到后，舵機撥開塑料片讓無線充電接收電路接通，小車開始運動。主程序控制流程如圖5 所示，小車自動啟動控制流程如圖6 所示。

圖5 主程序流程圖

圖6 小車定時1 min 后立即啟動子程序流程圖

4.2 軟件和硬件協同調節

通過單片機寫入定時程序，一分鐘延時以后，控制繼電器和馬達工作。讓無線充電發射線圈停止向接收線圈傳遞能量，充電結束。小車啟動，開始測試小車行駛的距離。

控制程序總體分為3 個部分：定時器部分實現斷電自啟，AD 檢測部分實現判斷是否充電，電機驅動函數控制小車的行駛。具體流程如圖7 所示。

圖7 程序流程圖

5 系統調試與測試分析

5.1 測試方案

按照題目要求用木板搭建了一個直徑為 70 cm 的環形賽道。賽道的四個等分點出挖有直徑為 4 cm 的小圓，小圓中放上四個相同規格的無線發射線圈，并將四個發射線圈的負極都相相連接，正極分別接在四個并聯的開關上，通過開關的通斷實現四個充電位置上電源的連通與斷開。然后再在無線發射模塊上用黑色膠帶進行覆蓋。并在環形賽道上用粘貼寬度為 1.8 cm 的黑色膠帶作為小車前進的引導線，通過多次測試小車不同情況下的實驗數據得出電動小車的實驗結果。

5.2 測試條件

實驗測試儀器要求如表3 所示，實驗測試軌跡參數如表4 所示。

表3 測試儀器

表4 軌跡參數

5.3 測試結果

實驗測試結果如表5 所示。

表5 實驗結果

6 結論

測試過程中，為保證實驗條件的穩定，所有測試均使用同一個測試跑道、相同的充電時間和充電電壓，但是從實驗數據還是能看出一定的差異。為了能夠讓電動小車行駛更長的距離，研究者嘗試從一個接收模塊增加為兩個接收模塊，但是小車行駛距離并沒有明顯的提升。由此得出結論小車的充電效率與發射線圈和接收線圈以及兩個線圈之間的貼合程度有直接的關系，而與接收模塊的數量沒有太大關聯。此外，在電機轉速較低的情況下，跑道表面的粗糙程度也會影響小車行駛的距離。