課程設(shè)計論文電子技術(shù)課程設(shè)計磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置

1、目錄一、設(shè)計任務(wù)1二、方案論證1三、理論分析與計算23.1系統(tǒng)整體模塊23.2 發(fā)射端諧振驅(qū)動電路23.3 接收端諧振電路23.3.1電路如下圖所示23.4主要元器件參數(shù)計算23.5穩(wěn)壓部分原理23.6 控制與顯示部分原理2四、測試結(jié)果與誤差分析：24.1 硬件測試24.2測試數(shù)據(jù)24.3實物照片24.3軟件測試24.4誤差分析2五、結(jié)論2六、參考文獻(xiàn)21 / 17一、設(shè)計任務(wù)設(shè)計并制作一個磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1-1電能無線傳輸裝置結(jié)構(gòu)框圖要求：（1）保持發(fā)射線圈與接收線圈間距離x =10cm、輸入直流電壓U1=15V時，調(diào)整負(fù)載使接收端輸出直流電流I2=0.

2、5A，輸出直流電壓U28 V，盡可能提高該無線電能傳輸裝置的效率。（2）輸入直流電壓U1=15V，輸入直流電流不大于1A，接收端負(fù)載為2只串聯(lián)LED燈（白色、1W）。在保持LED燈不滅的條件下，盡可能延長發(fā)射線圈與接收線圈間距離x。二、方案論證2.1驅(qū)動發(fā)射線圈電路方案一：采用集成發(fā)射芯片XKT408和T5336搭建發(fā)射驅(qū)動電路。無線充電/供電主控制芯片XKT-408A，采用CMOS制程工藝，具有精度高穩(wěn)定性好等特點，其專門用于無線感應(yīng)智能充電、供電管理系統(tǒng)中，可靠性能高。XKT-408A芯片負(fù)責(zé)處理該系統(tǒng)中的無線電能傳輸功能，采用電磁能量轉(zhuǎn)換原理并配合接收部分做能量轉(zhuǎn)換與電路的實時監(jiān)控；負(fù)責(zé)

3、各項電池的快速充電智能控制，XKT-408A只需配合極少的外部元件就可以做成高可靠的無線快速充電器、無線電源供電。其主要特點為： 1.自動適應(yīng)供電電壓調(diào)節(jié)功能使之能夠在較寬的電壓下均能工作 2.自動頻率鎖定 3. 自動負(fù)檢測負(fù)載 4. 自動功率控制 5.高速能量輸電傳送 6.高效電磁能量轉(zhuǎn)換 7.智能檢測系統(tǒng)，免調(diào)試 8.工作電壓：DC 315V 9.工作頻率：05MHZ 10.高度集成化，僅需幾只普通外圍元件由于題目要求為15V DC供電，而芯片的工作電壓為315V，所有稍有操作不當(dāng)很有可能損壞芯片。方案二：采用MOS管無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，由兩路MOS管，高頻扼流圈和二極管組成對稱的振蕩器電路

4、，原理圖如下所示：圖2-1 MOS管無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路圖該方案電路簡單明了，元器件少，并且操作起來簡單。2.2 磁耦合諧振傳輸和接收電路方案一：電磁感應(yīng)式傳輸方式電能傳輸電路的基本特征是原邊與副邊電路分離，通過磁場耦合感應(yīng)聯(lián)系。該電路的優(yōu)點包括存在較大氣隙，使得原副邊無電接觸，可實現(xiàn)無線傳輸，較大的氣隙的存在使得系統(tǒng)構(gòu)成的耦合關(guān)系屬于松耦合，使得漏磁與激磁相當(dāng)，甚至比激磁高。缺點包括傳輸距離短，實際上多在mm級。電磁感應(yīng)方式傳輸控制不好，在其圍的金屬都會產(chǎn)生電磁感應(yīng)消耗電源能量，另外還會使設(shè)備的線路感應(yīng)發(fā)熱，嚴(yán)重時會損壞設(shè)備。方案二：諧振耦合方式該方案是由麻省理工學(xué)院物理系，電子工程，計算機(jī)科

5、學(xué)系，以與軍事納米技術(shù)研究所得研究人員提出的。系統(tǒng)采用兩個一樣頻率的諧振物體產(chǎn)生很強(qiáng)的相互耦合，能量在兩物題間交互，利用線圈與放置兩端的平板電容器共同組成諧振電路，實現(xiàn)能量的無線傳輸。該方式的優(yōu)點包括。利用磁場通過近場傳輸，輻射小，具有方向性。中等距離傳輸，傳輸效率高。能量傳輸不受空間障礙物的影響。傳輸效果與頻率與天線尺寸密切。缺點包括諧振耦合方式安全實現(xiàn)問題比較嚴(yán)重，要想更好的實現(xiàn)諧振耦合，需要傳輸頻率在幾兆到幾百兆赫茲之間，而這一段頻率又是產(chǎn)生諧振最困難的波段。其原理圖如下所示：圖2-2 諧振耦合式電能傳輸原理圖方案三：無線電波式（輻射式）該方案類似于早期使用的礦石收音機(jī)，主要由微波發(fā)射裝

6、置和微波接收裝置組成，接收電路可以捕捉到從墻壁彈回的無線電波能量，在隨負(fù)載做出調(diào)整的同時保持穩(wěn)定的直流電壓。但其缺點有微波無線能量傳輸技術(shù)目前尚處于研發(fā)階段，其技術(shù)優(yōu)點是成本較低，技術(shù)瓶頸是效率太低，而且容易發(fā)熱，損壞設(shè)備。2.3 整流濾波電路模塊方案一：半波整流電路半波整流是指利用二極管的單向?qū)щ娦赃M(jìn)行整流，在輸入為標(biāo)準(zhǔn)正弦波的情況下，輸出獲得正弦波的正半部分，負(fù)半部分則損失掉。其電路圖如下所示圖2-3 半波整流電路圖半波整流電路雖然達(dá)到了整流的目的，但是負(fù)載電壓與負(fù)載電流的大小隨時間變化，并且半波整流是以犧牲一般交流為代價而換取整流效果的，電流利用率很低。方案二：橋式整流電路橋式整流是對二

7、極管半波整流的一種改進(jìn)，橋式整流利用四個二極管兩兩對接，輸入正弦波的正版部分得出正的輸出；輸入正弦波的負(fù)半部分時，另兩只管導(dǎo)通，由于這兩只管是反接的，所以輸出還是得到正弦波的正半部分。橋式整流器對輸入正弦波的利用效率比半波整流高了一倍。所以我們采用的是橋式整流。其電路圖如下所示圖2-4：橋式整流電路圖2.4整流穩(wěn)壓模塊由于在接受過程中，會受到周圍環(huán)境的影響，所以如果直接利用單片機(jī)的AD 采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由于單片機(jī)采集數(shù)據(jù)速度較快，會使得顯示的數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，有很很大的漂移。所以我們在接收端添加了整流穩(wěn)壓電路，本次比賽我們采用線性可調(diào)穩(wěn)壓器LM317進(jìn)行穩(wěn)壓，使得輸出電壓得以穩(wěn)定，便于顯示。2

8、.5顯示控制模塊方案一：選用AT89C51控制12864顯示輸出電壓和電流，該方案的有利之處該單片機(jī)的使用相對成熟，網(wǎng)上有豐富的關(guān)于該單片機(jī)的資源，并且IO口操作簡單，價格便宜等。但是如果這樣控制模塊就會顯得很龐大，并且IO口不多，功耗大。方案二：選用TI公司的開發(fā)板msp430，該控制板執(zhí)行速度和效率相對較高，并且功耗低，處理能力強(qiáng)，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，但是控制起來相對復(fù)雜。三、理論分析與計算3.1系統(tǒng)整體模塊本系統(tǒng)整體采用磁耦合諧振式無線電能傳輸，主要方案選取了兩個MOS管輪流導(dǎo)通，LC并聯(lián)諧振，將直流電能轉(zhuǎn)化成高頻電磁波發(fā)射出去，接受端與發(fā)射端諧振匹配，最大限度接受高頻電磁波，在經(jīng)過后期的整流

9、穩(wěn)壓處理，通過單片機(jī)的控制可以在12864液晶上顯示出來。整流穩(wěn)壓模塊接收諧振模塊發(fā)射諧振模塊發(fā)射驅(qū)動模塊無線傳輸通道顯示控制模塊顯示模塊圖3-1系統(tǒng)整體方案圖3.2 發(fā)射端諧振驅(qū)動電路圖3-2發(fā)射部分整體電路原理分析：圖中左半部分電位器R1實際是一個撥碼開關(guān)，當(dāng)開關(guān)合上時兩個MOS管都被上拉電阻驅(qū)動，但此時的工作狀態(tài)是暫穩(wěn)態(tài)，并且在接通電源的瞬間，兩個MOS并不是同時導(dǎo)通的，總會有一個接通的更快，另一個MOS管關(guān)閉。當(dāng)導(dǎo)通的MOS管的柵極電壓通過二極管驅(qū)動到零之后另一個MOS管被切斷，諧振回路的電壓會上升，當(dāng)電壓上升到某點后促使導(dǎo)通二極管的g極電壓突變?yōu)?，然后MOS管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?，同時另

10、一路MOS管開始工作。如此反復(fù)就形成交變電壓。此時高頻厄流電感充當(dāng)電流源，一旦通過它的電壓變成了交流，從而使電路中產(chǎn)生狡辯磁場。此時，電路的電流將被限制到一個恒定值。右半部分由電容和發(fā)射線圈組成LC諧振電路，所謂磁耦合諧振式無限能量傳輸就是利用兩個具有一樣諧振頻率的線圈在相距一定的距離時，由于磁場耦合產(chǎn)生諧振，進(jìn)行能量傳輸。耦合的效率決定了的代數(shù)和，并且與施感電流呈線性關(guān)系，是各施感電流獨立產(chǎn)生的磁通鏈疊加的結(jié)果。設(shè)發(fā)射線圈和接收線圈的電壓和電流分別為u1，i1和u2，i2，且都取關(guān)聯(lián)參考方向，互感為M，則兩耦合電感的電壓電流關(guān)系為耦合因數(shù)用k表示，有k的大小與兩個線圈的結(jié)構(gòu)和相互位置以與周圍

11、磁介質(zhì)有關(guān)。改變或調(diào)整他們的相互位置有可能改變耦合因數(shù)的大小。3.3 接收端諧振電路3.3.1電路如下圖所示圖3-3 接收端諧振回路由上述分析可知發(fā)射與接收電路的諧振頻率是關(guān)鍵，其次就是發(fā)射與接收線圈的品質(zhì)因數(shù)，品質(zhì)因數(shù)越高，能量的損耗越小。需要注意的是要考慮趨膚效應(yīng)，趨膚效應(yīng)本質(zhì)上是衰減電磁波向?qū)w傳播引起的效應(yīng)，當(dāng)線圈固有頻率較高時，粗導(dǎo)線線圈會受到趨膚效應(yīng)的影響而使導(dǎo)線的利用率降低，因此必須考慮趨膚效應(yīng)對傳輸距離的影響。3.4主要元器件參數(shù)計算根據(jù)題目要求輸入電壓為15V，電流為1A左右，所以輸入功率會大于15W，在綜合考慮MOS管的工作電壓和電流，此處我們采用的是IRF640，根據(jù)電路

12、參數(shù)整流二極管選用1N4148即可滿足，其他類似的高速二極管也可滿足。高頻厄流電感采用的是470uH,此處可根據(jù)電路做適當(dāng)調(diào)整。發(fā)射線圈選用高品質(zhì)因數(shù)的銅線繞成的，這部分電路我們是采用改變電容值來改變諧振頻率從而達(dá)到發(fā)射功率最大。同樣，接收端也是通過改變電容值來調(diào)整諧振頻率，從而與前級達(dá)到匹配。線圈的電感值大小可通過下面公式來計算：式中：N線圈匝數(shù)u0=（H/m）真空磁導(dǎo)率； R線圈半徑（m）; a線圈導(dǎo)線半徑（m）;諧振電路的固有頻率計算公式為：為取得最大的接收功率，接收端選用同樣參數(shù)的線圈和電容。在整個的實驗過程中，發(fā)射端與接收端的電感與電容值的選取是最重要的，它們共同決定了傳輸電磁波的頻

13、率，要想達(dá)到能量（功率）傳輸，我們應(yīng)該選取電磁波頻率較低的部分進(jìn)行傳輸，但是要想令電磁波傳輸一定的距離，則需要電磁波的頻率達(dá)到較高的部分進(jìn)行傳輸，所以此次試驗就需要我們自己根據(jù)題目要求來選取合適的電磁波頻率即可。3.5穩(wěn)壓部分原理由于本實驗采用線性可變穩(wěn)壓器集成片LM317，lm317可調(diào)穩(wěn)壓電路圖:LM317是普通的可調(diào)集成穩(wěn)壓器，最大輸出電流為2.2A，輸出電壓圍為1.2537V。其穩(wěn)壓電路原理圖如下：圖3-4 穩(wěn)壓模塊原理圖1，2腳之間為1.25V電壓基準(zhǔn)。為保證穩(wěn)壓器的輸出性能，R1應(yīng)小于240歐姆。改變R2阻值即可調(diào)整穩(wěn)壓電壓值。D1，D2用于保護(hù)LM317。計算公式為：Uo=(1+

14、R2/R1)*1.253.6 控制與顯示部分原理因為控制電路僅僅用來顯示輸出電壓和電流，所以可以直接用msp430的IO口驅(qū)動12864，再通過編程實現(xiàn)電壓的采集和顯示。這一模塊基本沒有外圍電路。四、測試結(jié)果與誤差分析4.1 硬件測試經(jīng)過上述的理論分析與計算，按照設(shè)計出的原理圖進(jìn)行硬件焊接，并對電路進(jìn)行一系列的調(diào)試。上電測試，利用直流穩(wěn)壓電源輸出15V，加到發(fā)送端上，剛上電時，由于我們沒有意識到，要想讓自激式振蕩電路起振，必須讓電源同時瞬時加到電路中，才能讓電路正常工作，害怕電路一瞬間加太大的的電壓會引起瞬間大電流脈沖，燒壞MOS管，加電時直接接上電源較低電壓，再慢慢往上升，可是，MOS管總會

15、出現(xiàn)一個管子很熱，另一個不工作的狀態(tài)。后來經(jīng)過測試，總結(jié)，我們決定在MOS管前加一個撥碼開關(guān)，來控制這個自激振蕩電路可以起振，正常工作。在經(jīng)過這個改正后我們將輸出接在示波器上觀察振蕩波形。并通過LC諧振網(wǎng)絡(luò)估計其振蕩頻率與實際輸出波形的振蕩頻率相比較，發(fā)現(xiàn)兩者基本相近。但是要想達(dá)到題目所給的要求，必須滿足傳輸效率要較高，所以要達(dá)到發(fā)射與接受的匹配，在本次比賽中，我們?yōu)榱艘_(dá)到匹配，我們令發(fā)射部分與接受部分采用一樣材質(zhì)的漆包線繞制的20cm直徑的發(fā)射接受線圈，為了達(dá)到題目對接受端電壓，電流，功率的要求，我們經(jīng)過多次繞制，按照一定的順序，改善這電感值和品質(zhì)因數(shù)，用1mm漆包線繞制10圈，,用1mm

16、漆包線繞制5圈，用1mm漆包線兩匝并饒繞制2圈等多種線圈。最后，我們發(fā)現(xiàn)用無氧銅2mm漆包線繞制的20cm直徑的發(fā)射接受線圈，且用兩股并繞兩圈的方式（此時其電感量經(jīng)測量大約在2uH3uH之間，品質(zhì)因數(shù)在3左右），可以達(dá)到較好的效果。但是在之前的分析中我們知道，要想讓振蕩電路發(fā)射端發(fā)射的功率達(dá)到最大，我們需要將諧振頻率，調(diào)諧在電路固有頻率上，經(jīng)過多次改變與線圈并聯(lián)的電容值，我們最后得到了發(fā)射端諧振頻率與自激振蕩固有頻率，與接收端諧振頻率基本諧振在同一個諧振頻率上，使得接收端接受得到較平滑的正弦波，幅度也較大，滿足題目要求，經(jīng)過整流后，在滑動變阻器做負(fù)載的情況下，可得到超過8V的電壓，電流基本可達(dá)

17、到0.5V，滿足題目（1）的要求。同時當(dāng)負(fù)載換成兩個串聯(lián)的1W LED燈的時候，距離可達(dá)到35cm左右的距離，滿足題目（2）的要求。4.2測試數(shù)據(jù)表一、不同繞制方法測出的電感值電感繞制1mm1匝10圈1mm1匝4圈1mm1匝2圈1mm2匝2圈2mm2匝2圈電感值（uH）27.616.98.34.82.5線圈選定（選用2mm2匝2圈線圈）時電容值對輸出的影響如下表：由于實際條件限制，我們采用多個一樣參數(shù)并聯(lián)的方式改變電容值。表二、固定電感，改變點容參數(shù)測量電容個數(shù)電容值（nF）10cm接收端輸出電壓值（V）10cm接收端輸出電流值(A)直流穩(wěn)壓電源電流（A）直流穩(wěn)壓電源電壓(V）5個682串聯(lián)1

18、.361.320.0770.47152個682串聯(lián)3.42.020.1190.54153個682并聯(lián)20.44.870.2860.65155個682并聯(lián)345.820.3420.70158個682并聯(lián)54.46.150.3620.751510個682并聯(lián)686.760.3970.78158個682和2個103并聯(lián)74.47.230.4250.83156個682和4個103并聯(lián)80.87.960.4680.87155個682和5個103并聯(lián)848.540.5020.93154個682和6個103并聯(lián)87.28.080.4750.8915表二中數(shù)據(jù)對應(yīng)的折線圖由圖表中可以看出不論是輸出電壓還是輸出

19、電流隋電容的變化都有一個尖峰時刻，而我們在實驗當(dāng)中的就是要尋找這個尖峰時刻對應(yīng)的電容值。4.3實物照片整體電路實物圖：直流穩(wěn)壓模塊：降壓模塊：整流模塊：接收端得到波形：4.3軟件測試本實驗通過MSP430單片機(jī)的AD模塊采集輸出電壓，并送入12864液晶顯示。初始，調(diào)節(jié)是，由于輸出電壓波動較大，不穩(wěn)定，而單片機(jī)采樣速度很大，所以將實時電壓值均采集出來并顯示，導(dǎo)致12864顯示電壓值始終在變化，為力解決這個問題，我們加入了穩(wěn)壓模塊，采用LM317線性穩(wěn)壓芯片搭建了一個簡單地穩(wěn)壓模塊，再加以顯示。顯示部分的軟件流程圖：在發(fā)揮部分，我們可以做到用單片機(jī)控制，在12864液晶上簡易顯示輸出電壓和電流。4.4誤差分析由于本實驗過程中涉與頻率較高，屬于中高頻信號，所以，受分布參數(shù)影響很大，繞電感線圈的方式，緊密程度，PCB布線等都會對信號的傳輸產(chǎn)生影響。所以計算出的數(shù)值與實際有較大的差距，這時有規(guī)律的調(diào)試就更加重要。五、結(jié)論本文對磁耦合諧振式無線能量傳輸進(jìn)行了理論研究，主要工作如下：1) 研究了系統(tǒng)的構(gòu)成與工作原理，利用耦合模公式和等效電路簡歷無線能量傳輸系統(tǒng)的理論模型；通過實驗得到不同距離下傳輸功率、效率，驗證了能量傳輸