基于磁耦合共振技术的智能小车

朱洁 杨传海

编者按：本系统采用STC12C5A60S2芯片作为控制中心，与TPS61096A、LM2940、TPS63020、電感线圈、蓄电池、直流电机、TB6612FNG电机驱动、SC2262、SC2272-T4一起构成无线充电小车系统。由TPS61096将5V电源升压，通过电感线圈进行无线发射。通过电流桥利用LM2940降压、TPS63020进行稳压对蓄电池充电。由SC2262作为控制器，发射信号作用于SC2272-T4接收器，SC2272-T4接收到信号后将信号反馈给单片机的I/O口，单片机再通过处理作用于TB6612FNG电机驱动使电机正转或反转，从而实现控制车的行走。单片机产生可变的PWM波来调节电机的转速，从而产生不同的动力以在运动过程中旋转。利用电源稳压模块与电源结合，使各个器件工作在最佳状态，提供给车体系统最稳定的性能。

无线充电系统的背景

近年来，随着人口收入的增加，机械工业保持了强劲的增长。发展减少能源排放的技术和新的能源技术已经成为一项挑战。电动产品的发展主要在于其能量的补给，市面上能量供给方案主要有三种：电缆捆绑式慢充;有线方式快速充电;对电动产品采取更换电池的方法。

对于上述的这些状况，一些研究者们推演出了一种新型的充电方式——采用无线充电系统的方案。这种新的电能传输方法可以通过一些常用的介质，如空气、感应、磁共振技术等，在没有电缆连接的情况下，实现电能的有效传输。不需要人为的插拔电、没有物理磨损等。更好地与电网进行互动，并且削弱了充电活动对电网的影响。这一优势的显现，使得人们对于无线充电这一方式倍加关注。

总体设计方案

系统总体方案及结构框图

本系统装置以由TPS61096A、LM2940、TPS63020构成AC-DC系统。配合电感线圈、蓄电池组成无线充电系统，以STC12C5A60S2单片机作为控制核心，由主要SC2262发射、SC2272-T4接收、TB6612FNG电机驱动、直流电机、电源稳压模块等组成本系统的控制系统（见图1）。

方案论证与比较

（1）无线发射器和接收器

采用XKT-801芯片设计而成，可以直流远程充电，输出功率大，在整体电路中能稳定达到任务的要求。

（2）稳压器件

TI 公司的TPS63020是高效率、小电压、小电流的电源解决方案，效率高达96%，可在升压、降压模式之间自动切换，静态电流小于50uA，性能优良，符合任务要求。

（3）信号发射器和信号接收器

2262/2272是一对具有地址和数据编码功能的红外遥控收发器芯片，该发射芯片包括载波振荡器、编码器和传输单元，因此传输电路非常简单。

（4）直流电机驱动模块

本模型中使用的TB6612FNG是一种新的驱动类型，能够独立地控制两个直流电动机的两个方向，它是高度集成的，具有足够的输出能力。在集成和小型化的电动机控制系统中，它可以用作理想的电动机驱动装置。

（5）直流电机

采用带有编码器的ASLONG JGA25-370B减速直流电机，在通过编码降低了DC引擎的速度，除了全直流发动机和正确的传动系统外。再加上一个合适的变速齿轮，通过编码器降低直流电机的速度，同时，不同的齿轮减速比可以提供不同的转速和扭矩，这大大提高了直流电动机在自动化行业中的应用。

（6）电源模块

采用18650电源，具有容量大、寿命长、安全性能高、电压高、内阻小等优点。

理论分析与计算

系统传输模型

Marin Soljacic教授于2007年在两米远的地方点亮了一个60W的灯泡，并且达到了约40%的系统传输效率。也就是由此开始，无线电能传输技术的研究和开发开辟了一个新的研究方向——磁耦合共振无线能量传输，提高了对测量设备范围的传输距离，消除诸如使用微波和激光模型引起的强干扰等安全缺陷。

就目前而言，实现无线传输电能的主要有以下六种方式：磁耦合谐振、微波、超声波方、感应耦合、激光和电池耦合。

磁耦合共振技术中，用于无线电能传输理论分析模型分别是：耦合模理论、等效电路理论。耦合模块理论是基于系统能量的角度，以能量吸收理论来分析：是以构建系统物理模型和结构，预估实验参数来进行模拟分析等效电路。这种理论建模方法可以被应用于广大的磁耦合共振问题，但该耦合模式理论大多数人并不熟悉。本设计使用的是磁耦合共振技术，是针对于串并模型做的设计，一旦发射端被启用，充电系统会在其周围产生一个闭合的、非辐射性质的磁场。这个磁场通过与接收端的互动，使得接收端产生共振，所以在电能传输过程中能量利用率高、损失量小;串并模型的传输结构由收发线圈、高频电流、可调容量和负载组成，系统的高频电流源将工频电压转换成高频信号，通过能量转移装置将能量转移到接收线圈侧，并通过直流稳压系统产生稳定的直流电压对当前电池充电。

系统传输效率及功率分析

据特定的线圈和器件，L、C为已知参数，据公式而言，L、C的电阻值会随着频率的变化而变化，由于系统的工作频率接近线圈的自谐振频率，为了简化，所以L、C的电阻值被认作是一个固定值，而M与线圈之间的D有关，，所以η和Pout可写成只与f、RL和D有关的函数。

互感计算用M≈πμ0r4N 2/2D3近似计算;r为线圈半径，N为线圈匝数，μ0为真空磁导率，D为两线圈间距。L、C通过算式可得。

线圈参数分析

对于用作无线传输的线圈而言，它的自感由内径和外径自感构成，故线圈的自感L可通过下列公式进行计算：

式中N表示空心螺旋线圈匝数，r是空心螺旋线圈的半径，a为空心导线的半径。

对于磁耦合谐振无线充电系统，由于系统的工作频率通常为几十KHz或数MHz，线圈的輻射电阻倾向低于欧姆电阻，因此可以忽略辐射电阻，线圈分配电容C的值与线圈的外部补偿能力相比较，低的也可以忽略。

对于接收装置与发射装置之间的线圈互感可以根据线圈间的流量来计算，感应系数与线圈间的圈数、半径及辐射距离密切相关，如果两个线圈放置在同一轴上，则可以根据公式来计算线环之间的相互感应系数。

占空比检测

占空比是指电路在一个周期之内高电平所占整个周期的比例。例如，如果电路接通的时间是其工作周期的一半，则其工作周期为50%。就如同元件为电子阀，阀门状态为半开状态，控制设置为50%。同样，如果控制设置为30%，则高电平持续时间为一个周期的30%，阀门开度为30%。阀门可以从0%（完全关闭）调整到100%（完全打开）。

本设计使用的8位的单片机，故8位PWM的周期为：计数脉冲周期×256，频率为：计数的脉冲频率÷256，脉宽时间为：脉冲周期×（256-期望），占空比为：脉宽时间÷周期，用百分比来表示为1-（期望÷256）×100%。

占空比是指功率开关打开状态（脉宽）与每个脉冲周期的比值，即t/T=δ。t为脉冲宽度，所以这种调制方式也被称为脉宽调制。频率f=1/T指的是脉冲的频率可以带入得出f=δ/t。

脉冲宽度调制频率是指信号一个周期内从高电平的比例。占空比是高电平持续时间与低电平持续时间的比例。频率越高，对于操作响应得就越快，反之频率越低，则对于操作响应就慢。所以通过对占周期的宽度调节可以控制PWM（Pulse Width Modulation）的速率，高电平占得周期宽度越宽，输出的能量就会越高，高电平占周期宽度越窄，输出的能量就会相应的降低，PWM就是通过这种原理从而实现D/A转换的。调节高电平的占周期的比例来实现控制PWM的频率从而实现控制车的行进。

电路设计

无线发射与接收系统

采用XKT-801芯片设计而成，作为无线发射与接收系统。由TPS61096A为主体外接电容和电阻配合发射线圈构成无线充电系统的发射端，由一个线圈作为接收线圈经过一个电流桥整流再配合LM2940作为无线充电系统的接收端。

稳压电路

采用TPS63020是高效小型升降压电源解决方案，输入电压为5V，对于输入电压能起到一个稳压的功能，性能优良。

信号发射与接收模块

采用SC2262作为信号发送器、SC2272-T4作为接收器。2262/2272是一对具有地址和数据编码功能的红外遥控收发器芯片，该发射芯片包括载波振荡器、编码器和传输单元，因此传输电路非常简单。

软件开发

软件环境及使用方法

根据STC12C5A60S2所需求Keil uVisi-on5，以及stc-isp-15xx-v6.86，Keil uVision5用来编写程序，stc-isp-15xx-v6.86用来进行烧录。

设计模型

设计无线充电部分主要由TPS61096A为主体外接电容和电阻配合发射线圈构成无线充电系统的发射端，由一个线圈作为接收线圈经过一个电流桥整流再配合LM2940作为无线充电系统的接收端。

电机驱动部分通过电流桥利用LM2940降压、TPS63020进行稳压对蓄电池充电。由SC2262作为控制器，发射信号作用于SC2272-T4作为的接收器，SC2272-T4接收到信号后将信号反馈给单片机的I/O口，单片机再通过处理作用于TB6612FNG电机驱动使电机正转或反转，从而实现遥控车的行走。单片机输出可变的PWM波给电机调速，控制2个直流电机转速，从而产生大小不同的力使其在行进中实现转弯。

软件功能与结构

本设计是使用的8位的单片机，故8位PWM的周期为：计数脉冲周期×256，频率为：计数的脉冲频率÷256，脉宽时间为：脉冲周期×（256-期望），占空比为：脉宽时间÷周期，用百分比来表示为：1-（期望÷256）×100%。

通过计算PWM占空比的计算编写程序，SC2272-T4接收到信号后将信号反馈给单片机的I/O口，单片机再通过处理作用于TB6612FNG电机驱动使电机正转或反转，从而实现遥控车的行走。单片机输出可变的PWM波给电机调速，控制2个直流电机转速，从而产生大小不同的力使其在行进中实现转弯。

软件测试

编写好程序后，用Keil uVision5进行检查无误后，进行编译，再利用仿真进行现实模拟，达到预期效果后，利用stc-isp-15xx-v6.86用来进行烧录，反复试验制作出的实物是否符合验收标准。

测试结果及分析

测试仪器

用双通道数字示波器、四位半数字万用宝、直流稳压电源进行测试。

测试方案

首先先将无线线圈发射端接上电源，用DT930F+4四位半数字多用表测试无线线圈发射端是否指标正常。再让车处于静止状态开始，开启电源，再用DT930F+4四位半数字多用表进行测试各个指标是否正常，然后进行按键测试;观察小车运动情况，记录N次后，经过多次测试得出结果。

测试数据结果分析

（1）测试结果

经过测试要求：采用XKT-801芯片设计而成作为无线发射与接收，发射端利用万用表测得供电电压为5V，供电电流不大于1A，电路板上各个参数均符合预期效果并且能完美实现无线充电功能;当按下SC2262的A键后，两电机正转，小车直行，示波器测试其PWM，两轮占空比一致为70%;当按下SC2262的B键后，两电机正转，小车左转，示波器测其PWM波，右轮占空比为70%，左轮为40%;当按下SC2262的C键后，两电机正转，小车右转，示波器测其PWM波，右轮占空比为40%，左轮为70%;当按下SC2262的D键后，两电机反转，小车后退，示波器测试其PWM，两轮占空比一致为70%。四种情况所需的条件均满足题目要求，在允许误差范围内，出色地完成了基本及发挥部分任务。

（2）误差分析

① 系统误差：由于装置纯手工搭建，系统结构稳定受到一定的影响，从而指标数据存在误差。

② 人为误差：由于观测者有自己的习惯和特点，在测试装置指标数据时造成误差。

总结

此次设计方案的核心部件是STC12C5 A60S2和磁耦合谐振式无线充电系统，通过硬件电路和软件程序的结合，实现了无线充电智能小车的设计。在这次设计的无线充电系统中，选取了一个经典的转换过程。即为系统由高频电源、传输线圈、接收线圈、整流电路、稳压电路、负载组成。传输线圈将工频电压转变为高频能量信号，将能量传输到接收线圈，再经过一个整流桥后进过稳压电路对电池进行平稳的充电。

此方案的硬件设计主要是几个核心部件和其他辅助模块的连接，通过按键控制整个小车行进的功能，即发射信号作用于SC2272-T4作为的接收器，SC2272-T4接收到信号后将信号反馈给单片机的I/O口，单片机再通过处理作用于TB6612FNG电机驱动使电机正转或反转，从而实现遥控车的行走。單片机输出可变的PWM波给电机调速，控制2个直流电机转速，从而产生大小不同的力使其在行进中实现转弯。整个程序的设计思路比较清晰，能够达到预期的目标。

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