基于磁悬浮的无线充电技术

北京联合大学 苏秀珍 王夕岩 苏幼香

基于磁悬浮的无线充电技术

北京联合大学 苏秀珍 王夕岩 苏幼香

无线充电是指内置电池的设备或装置，透过无线感应的方式取得电力而进行充电。无线充电技术，源于无线电力输送技术，其工作原理利用的是法拉第电磁感应，当电流通过线圈之后，便会产生出磁场；而产生的磁场又会行成电压，有了电压之后便会产生电流，有了电流便可以充电。磁悬浮装置的原理是利用对电磁铁电流的控制来实现一个浮子在空中的来回反复运动，达到悬浮的效果。

磁悬浮；无线充电；电磁感应

1.引言

无线充电及是可实现在距离充电器几米远的地方进行无线充电。而所谓的无线充电技术，即不用通过电源线和电缆等一切外接设备，就可给电子设备充电。其原理是利用磁共振在充电器与设备之间的空气中传输电荷，线圈和电容器则在充电器与设备之间形成共振，实现电能高效传输的技术。而目前的悬浮技术主要包括电磁悬浮、光悬浮、声悬浮、气流悬浮、静电悬浮、粒子束悬浮等，其中电磁悬浮技术比较成熟。一般通过线圈的交变电流频率为104—105Hz。

2.系统设计及实现方案

2.1 系统分析

将直流电转化成高频交流电，然后通过没有任何有线连接的原/副线圈之间的互感耦合实现电能的无线馈送。基本方案如图2-1所示。

图2-1 无线电能传输示意图

电能的无线传送实际上是通过送电线圈L1和受电线圈L2的互感作用实现的，这里L1和L2构成一个无磁芯的变压器的原/副线圈。为保证足够的功率和尽可能高的效率，应选择较高的调制频率，同时要考虑到器件的高频特性，经实验选择1.6MHz较为合适。

以单片机为核心，设计磁悬浮子的控制电路设计，对控制算法进行研究，编写程序，通过传感器对浮子位置的测量，通过单片机来实现对浮子悬浮的稳定控制。采用霍尔元件检测浮子，输位置出电信号经A/D转换反馈至单片机，运用单片机数字PID控制器来控制磁悬浮子在磁场中的位置。总流程如图2-2所示。

图2-2 总流程图

给定数字量的作用是手动控制浮子在磁场中的位置，根据给定量不同，浮子的受力大小也随之改变。单片机控制器主要是在接到传感器的反馈后，通过把模拟信号转换成数字信号，发给磁铁执行器，从而控制磁场大小。功率驱动则是改变驱动能力。霍尔元件则是用于测量浮子位置的传感器，并将其信号通过模数转换发送给单片机控制器。

通过将浮子与受电线圈L2的有效结合，即可实现悬浮无线充电。

3.机械系统设计与实现

3.1 模拟量接近开关

通常，电感式接近开关均有着相同的工作原理及应用。然而,本文所要讨论的是模拟量接近开关的一些特殊特性。下面所讲述的例子均来源于实践，由于篇幅有限，只能选择部分实例，但从中可以看出它的应用是极其广泛的。如图3-1所示，给出模拟量参数参考。

图3-1 模拟量参数

（1）一个模拟量接近开关控制几个开关点

人们常常会遇到这种情形，在被检测目标物体的运动过程中，某一动作需要在不止一个位置被触发。更多的是：不同的位置往往发生一些相关的动作。因此，一个程序控制站，可用一张金属盘片和一个模拟量接近开关替代几个凸轮和同等数量的接近开关，来解决此类问题。例如通过一个带模拟量输入的PLC输入模块来实现该功能(例如西门子 S5，6ES5 464-8MC11)。现在以非常合理的价格便可买到这些模块。当然也可以使用其它供应商的信号处理装置来实现该功能。

（2）模拟量接近开关线性运动转换成电子信号

用接近开关将线性运动转换成电子信号的最直接简单的办法。但是这种情况，必须保证设备没有被物理接触。然而在实践中, 开关的检测范围往往不够大，造成直接检测有困难。但如果使用楔形的物体，便能随意调节检测范围。同时如果此物体为非平面物时，可供调节的范围会更广。很轻易便能把线型转换成电子信息。

（3）模拟量接近开关旋转运动转换成电子信号

通过一个偏心金属盘片，模拟量装置便可采集到旋转运动信号或角度信号。与上例相似，如果盘片的形状合适，角度的可调范围相应比较大，线性度也能做得较好。

（4）模拟量接近开关用一个接近开关辨认旋转方向

通过适当放置齿状和孔状盘，模拟量接近开关可以精确辨认旋转方向（可参考作为编码器的模拟量接近开关的应用报道）。在这种情况下，用一只模拟量接近开关便可测定旋转方向。在二次仪表上， 设置了3个开关点, 其中2个位于齿表面，另一个位于齿外。依他们移动的顺序，可以得出齿状和孔状盘的旋转方向。不用说，也可同时测出旋转速度。

（5）原理图及仿真

经过反复实验，得出硬件原理图，见图3-2所示。

图3-2 硬件原理图

4 主要算法及实现

4.1 软件流程图

软件控制硬件实现预期的功能。本设计软件流程图如图4-1所示。

图4-1 软件流程图

4.2 调式软件的介绍及调试方法

本次使用软件调试运用了labvew程序，首先先来介绍一下这个程序。

与 C 和BASIC 一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析。

LabVIEW标志：

显示及数据存储，等等。LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而 LabVIEW 则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。VI指虚拟仪器，是 LabVIEW 的程序模块。

LabVIEW 提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在 Lab-VIEW 中被称为前面板。使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形化源代码，又称G代码。LabVIEW 的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图代码。

调试方法：

调试是通过调节PID的几个控制参数来调节对浮子的控制，PID的参数包括KP，KI，KD，分别是比例增益，积分增益，微分增益。从减小偏差的角度出发，我们应该增加KP，但另一方面，KP还影响着系统的稳定性，KP增加通常导致系统稳定性下降，过大的KP往往使系统产生激烈的震荡和不稳定。而在积分控制器中，调节规律是偏差e经过积分控制器的积分作用得到控制器的输出信号u。微分控制器则是针对被调量的变化率来进行调节，而不需要等到被调量已经出现较大的偏差后才开始动作，即微分调节器可以对被调量的变化趋势进行调节，及时出现大的偏差。所以要合理的调节3个参数，使浮子悬浮。

5.结论

通过磁悬浮将浮子悬浮在空中，并通过无线充电技术实现无线充电。这次的设计是一个磁悬浮子，它可以在通电的情况下通过传感器对其位置的检测再传给PID控制，使它可以自动调节电磁磁力大小，从而稳定漂浮在空中。然而在设计过程中，它是有一些缺陷的，理想状态下它会漂浮的十分稳定，但是实际与理想还是有一些差距的，影响其不稳定的因素可能有：电源的杂波，传感器的灵敏度以及调试工具的限制，表现的形式为：上下大幅度抖动。并在浮子上添加受电线圈及可实现提供悬浮和无线充电的功能。

[1]任仲友,王家素,王素,王兴志．高温超导磁悬浮车导向力测试装置[J]．电工电能新技术,2003．

[2]连级三．磁浮列车原理及技术特征[J]．电力机车技术,2001．

[3]方家光．磁悬浮的物理图象[D]．清华大学,1999．

[4]刘琳．磁悬浮技术与磁悬浮列车[J]．现代物理知识,2000．

[5]田晓岑,张萍．磁悬浮列车原理简介[J]．大学物理,2000．

[6]华旗,陶星莉．无线充电的有限尝试:应用前景广泛．2012年10月．

[7]寻绣网．寻修知识．无线充电技术,2013年3月．

[8]曾珊．充电的革命:无线充电原理及前景．2012年11月．

[9]荣元博．微距离无线充电器的设计制作．2012年10月．

鸣谢：该项目的研究成果基于北京联合大学“启明星”大学生科技创新项目经费资助，项目编号201611417SJ100。

指导教师：苏幼香（通讯作者）。