大学生电子设计竞赛一等奖电能无线传输装置.docx
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大学生电子设计竞赛一等奖电能无线传输装置
全国大学生电子设计竞赛
2014年大学生电子设计TI杯竞赛论文
设计报告
题目：
电能无线传输装置（F题）
学校：
西安交通大学城市学院
指导老师：
张
参赛队员姓名：
李佑辰
日期：
2014年8月15日
F题：
电能无线传输装置
摘要：
本文设计了一套基于磁耦合串联谐振原理的无线电能传输装置。
利用具有低功耗、内部资源丰富的单片机
作为控制芯片，产生互补的PWM波，通过TPS28225驱动芯片，驱动一个15VDC供电的H桥激励源，将直流电压逆变成方波电压。
经过串联谐振耦合接收线圈，再通过电容滤波的全桥整流电路向负载LED供电。
关键词：
磁耦合谐振；无线供电；驱动电路；
Abstract:
Thispaperdesignsaseriesresonantmagneticcoupling-basedwirelesspowertransmissionsystem.TPS28225isusedasacontrolchipduetoitslowpowerconsumptionandrichinternalresources.ComplementaryPWMwavesgeneratedbyTPS28225drivesaH-bridgecircuit,andtheninvertsthe15VDCvoltageintoahigh-frequencysquare-wavevoltage.Thesquare-wavevoltagedrivesaseriesLCcircuit.TheenergyisreceivedbythereceivingcoilandthentheACvoltageisrectifiedintoanoutputDCvoltage,whichdrivesaLED.
Keyword:
magneticresonantcoupling；wirelesspowersupply；drivercircuit；
一、方案论证与比较
1.1整体方案选择
首先，通过单片机TM4C123G输出PWM波，将其输入给一个全桥驱动电路，全桥电路将直流变成交流。
再通过发射线圈与接收线圈来传递电能。
最后用一个整流桥将交流变为直流负载供电。
图1整体方案图
1.2控制芯片选择
方案1采用现在比较通用的51单片机
优点：
系列单片机的发展已经有比较长的时间，应用比较广泛，各种技术都比较成熟。
缺点：
此系列单片机形体较大，进行采样检测时还要外接A/D转换器，增加电路复杂度和功耗。
方案2采用TM4C123G
该系列单片机制造工艺较高，质量较好，并且具有低功耗，内部资源丰富，程序都是模块化的，接口相对简单些，因为它自身带好多功能，工作速度也快。
方案确定：
结合题目对功率的要求以及考虑TM4C123G的系统的特点，选用TM4C123G单片机。
1.3振荡电路
方案1采用KA3525芯片产生振荡的电路
优点：
该芯片使用比较方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调。
缺点：
本系统无双通道正反信号输出，多了一些不必要的功耗。
且频率只能达到400KHz，频率相对来说较低。
MAX038与KA3525的用途相同，其输出频率在MHz级可调，但芯片价格昂贵，不经济，因此也同时放弃使用。
方案2采用单片机输出PWM波产生振荡的电路
优点：
单片机能够产生频率和脉宽可调的PWM波，可以根据所绕线圈的电感来匹配PWM波的频率并可以通过按键来控制PWM波的频率。
缺点：
由于需要产生振荡电路，所以对单片的频率要求很高，为了避免这一缺点，必须共同调节电感与单片机的频率，使其达到一致。
方案选择：
结合各方案优缺点及系统要求，选用方案二。
1.4驱动电路
方案一单管驱动电路
用一个控制信号控制管子的开断，进而驱动LC网络。
优点：
电路采用MOS管
，功耗低，耐压高。
单端信号更容易控制。
缺点：
振荡器输出电压不足以驱动单管，MOS管存在级间电容。
方案一H桥驱动电路
优点：
H桥驱动电路利用轮流开关两对MOS管，产生方波电压。
MOS管工作于开关状态，损耗小，有利于能量的传输，而且此时的效率较高。
缺点：
H桥对输入的两端PWM信号波形及驱动能力，要求比较严格，相互之间需要配合。
方案选择：
结合实际测试选用方案二。
二、电路与程序设计
2.1基本工作原理
根据电磁感应原理，变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场。
变压器就是基于这一原理工作的，它通过交变磁场把电源输出的能量传送到负载。
一般的变压器的原边和副边由闭合铁心（或其他磁性材料）连接在一起，原线圈和副线圈之间紧密耦合，不可分离。
如图2（a）或图（b）所示。
图2（a）（b）
本文提出的无线供电原理与变压器类似。
但与一般变压器不同的是，它的原边和副边是分离的，没有任何物理上的连接接触，并且是空心的线圈。
相对于紧密耦合的变压器来说，这种疏松耦合的结构具有相对较大的漏磁。
原边和副边之间的空隙（GAP）越大，漏磁越大。
因此，随原边和副边相隔距离的拉长，传输效率越低。
另外，与变压器能量传输方式不同的是：
变压器采用“电磁感应”方式，而本设计采用“磁耦合谐振式”传输电能。
对于后者，具有可将电力传输到距离数m远的地方。
2.2耦合谐振无线电能传输模型
图3磁共振电路模型
图4耦合电感
图5向量图正弦稳态向量分析
2.3效率优化
假定电能损失由发射线圈和接收线圈等效电阻ESR（R1和R2）造成，如下所示。
方案一：
方案二：
方案三：
Fom等于
，Q1、Q2分别是发射和接收端品质因数。
基于以上方案，在耦合系数K（一般很低）的限制下，为提高传输效率应最大化提高发射与接收端品质因数，这里我们发射和接收线圈采用Litz（利兹）线。
另外，使原边发射线圈工作于稍感性模式，而副边接收线圈工作于串联磁谐振模式，从而使H桥MOS工作于软开关（ZVS）模式，减少开关管损耗，进一步提高传输效率。
2.4单元电路设计原理
（1）能量发送单元
工作原理：
首先给H桥加上15V直流电压，再通过
产生二路互补的合适频率的PWM方波控制信号，驱动H桥逆变电路对功率进行放大最后通过
串联谐振将能量发送出去。
发射和接收线圈采用Litz线，可以有效地减小交流电阻，从而提高系统效率。
逆变器开关频率初定在500kHz，电容取值2nF,谐振频率等于开关频率：
由以上公式可以计算出发射线圈和接收线圈电感量均为50uH。
电路图见附录一。
（2）能量接受单元
工作原理：
由
串联谐振负责能量接收，经过全桥整流电路形成直流电压，从而对
或负载电阻进行供电。
电路图见附录二。
（3）MOS驱动单元
工作原理：
利用高频同步驱动器TPS28225驱动H桥，其自带死去保护、欠压保护等电路，具有优良的驱动特性，并且可以简化单片机PWM产生单元程序编程。
电路图见附录三。
（4）扩展部分
通过
来作为互补PWM的发生模块，通过外接键盘可步加步减频率，使接收模块工作于磁谐振耦合方式，使效率及传输功率达到最优化。
2.5程序设计
程序功能:
产生二路互补的占空比一定的PWM波，并能通过外接键盘步加减改变PWM波信号频率。
程序见附录四。
三、测试方法与测试结果
3.1测试仪器
（1）多功能万用表；
（2）函数信号发生器；（3）数字示波器；（4）滑动变阻器；（5）尺子。
3.2测试结果
（1）逆变器工作频率为525kHz，两线圈之间距离为10CM，输出电流为0.5A时的效率测量
，设负载电阻为
，输出电压为
输出电流为
，输入电压为
输入电流为
。
通过调节负载
的阻值，使其达到相应的测试参数值。
当
46.38欧姆时，输入电压恒定
输入电流
输出电流可稳定在
输出
则此时的功率
64%。
（2）设
为发射线圈与接收线圈之间的距离，在输入电压恒定
，输入电流
时，测量
的最远距离。
在此距离内能够使两个串联的
灯发光。
测量结果如下:
通过测试，可得出。
在满足所有参数的要求下，发射线圈与接收线圈之间的最长距离
大约为70cm左右。
测试数据：
（输入限流2A）
传输距离
10cm
10cm
输入电压
15V
15V
输入电流
1.2A
1.9A
输出电压
23V
37V
输出电流
0.5A
0.5A
传输效率
64%
66%
3.3测试结果分析
通过测试影响本设计电能传输效率主要有以下几方面：
H桥MOS管损耗、发射与接收线圈电阻损耗、整流桥二极管损耗等。
改进方法：
1）使用性能更好的器件，如换用导通电阻更小的电力MOS管，采用低阻电容；
2）优化圆形空心线圈缠绕结构，削弱趋肤效应和临近效应影响，减小交流电阻；
3）采用同步式开关电源的方案，用电力MOS管代替肖特基二极管以减小损耗；
4）采用更好的材料及谐振结构设计，最大化提高发射与接收端的品质因数。
四、竞赛设计总结
本设计课题最终是实现了目标任务要求，但是整体上还是有些不足：
一是传输效率不高的问题。
二是安全性问题，无线传输能量产生的电磁波对生物的辐射作用多大还没有认知，在某些场合若形成谐振回路会影响系统工作，也存在一些不安全因素。
三是有效传输距离的远近，目前在几十厘米的距离内传输，离实用相差很远。
四是传输功率的大小。
另外，由于时间仓促，本设计可以闭环控制实现预定输出，并外加LCD输出，丰富设计。
无线供电技术有着广泛的应用前景。
就目前情况而论，该项技术还处于探索阶段，虽然已有一些初级产品，在实用化、普及化之前，还有大量的工作要做，存在的问题也有待解决。
人们期待无线供电技术有新的突破，真正实现无限输送能量，方便人们的生活。
五、参考文献
（1）《模拟电子基础》，申忠如、郭华，西安交通大学出版社
（2）《工程电磁场导论》，王仲奕，西安交通大学出版社
（3）《电力电子技术》，王兆安、进军，机械工业出版社，2008
（4）《高频电子线路》，曾兴雯，西安电子科技大学出版社，2009
（5）《数字电子技术基础》，申忠如，西安交通大学出版社，2010
（6）《无限能量传输技术理论研究》，雷进辉、杜留峰，福建电脑，2009
（7）《单片机应用基础及实践》，王建校、张倩、申淼，交通大学出版社，
附录一：
发射端主电路图：
PCB布线：
附录二：
接收端电路原理图：
附录三：
驱动电路原理图：
附录四：
附录五：
辅助电源模块图：
设计装置总电路图
附录六：
PWM波的程序：
需#include"stdint.h"
要#include"stdbool.h"
程#include"inc/hw_ints.h"
序#include"inc/hw_memmap.h"
P/sysctl.h"
C#include"driverlib/systick.h"
B#include"driverlib/uart.h"
板#include"pwm.h"
Q#include"adc.h"
QvoidPWM_PeriodSet（uint32_tp）;
2578846658
#definePWM_PERIOD_BASE450
#definePWM_PERIOD_RANGE50
unsignedintCurrentPeriod=490;
void
PortEIntHandler（）
{
if（GPIOIntStatus（GPIO_PORTE_BASE,true）&GPIO_INT_PIN_1）
{
GPIOIntClear（GPIO_PORTE_BASE,GPIO_INT_PIN_1）;
if（GPIOPinRead（GPIO_PORTE_BASE,GPIO_PIN_1）==0）
{
if（CurrentPeriod{
CurrentPeriod++;
PWM_PeriodSet（CurrentPeriod）;
PWM_PeriodSet（CurrentPeriod）;
}
}
}
}
void
GPIO_FALLING_EDGE）;
//Enabletheinterrupts
GPIOIntEnable（GPIO_PORTE_BASE,GPIO_INT_PIN_1|GPIO_INT_PIN_2）;
}
uint32_tAdcValue;
floatStep;
#include
#include
#include"inc/hw_memmap.h"
#include"driverlib/gpio.h"
#include"driverlib/interrupt.h"
#include"driverlib/pin_map.h"
#include"driverlib/pwm.h"
#include"driverlib/sysctl.h"
#include"pwm.h"
GPIOPinConfigure（GPIO_PB7_M0PWM1）;
GPIOPinTypePWM（GPIO_PORTB_BASE,GPIO_PIN_6|GPIO_PIN_7）;
PWMGenConfigure（PWM0_BASE,PWM_GEN_0,PWM_GEN_MODE_DOWN|PWM_GEN_MODE_NO_SYNC）;
PWMGenPeriodSet（PWM0_BASE,PWM_GEN_0,PWM_PRELOAD_COUNTER）;
PWMPulseWidthSet（PWM0_BASE,PWM_OUT_0,PWM_PRELOAD_COUNTER/2）;
PWMPulseWidthSet（PWM0_BASE,PWM_OUT_1,PWM_PRELOAD_COUNTER/2）;
PWMOutputInvert（PWM0_BASE,PWM_OUT_1,true）;
PWMOutputState（PWM0_BASE,PWM_OUT_0_BIT|PWM_OUT_1_BIT,true）;
}
void
PWM_PeriodSet（uint32_tp）
{
PWMGenPeriodSet（PWM0_BASE,PWM_GEN_0,PWM_PRELOAD_COUNTER/p）;
PWMPulseWidthSet（PWM0_BASE,PWM_OUT_0,PWM_PRELOAD_COUNTER/（p*2））;
PWMPulseWidthSet（PWM0_BASE,PWM_OUT_1,PWM_PRELOAD_COUNTER/（p*2））;
PWMGenEnable（PWM0_BASE,PWM_GEN_0）;
GPIOPinTypePWM（GPIO_PORTB_BASE,GPIO_PIN_6）;
}
#include"stdint.h"
#include"stdbool.h"
#include"inc/tm4c123gh6pm.h"
#include"inc/hw_memmap.h"
#include"driverlib/adc.h"
#include"driverlib/sysctl.h"
#include"driverlib/pin_map.h"
#include"driverlib/gpio.h"
voidADCInit（）
{
SysCtlPeripheralEnable（SYSCTL_PERIPH_ADC0）;
SysCtlPeripheralEnable（SYSCTL_PERIPH_GPIOE）;
GPIOPinTypeADC（GPIO_PORTE_BASE,GPIO_PIN_3）;
ADCReferenceSet（ADC0_BASE,ADC_REF_INT）;
ADCSequenceConfigure（ADC0_BASE,0,ADC_TRIGGER_PROCESSOR,0）;
ADCSequenceStepConfigure（ADC0_BASE,0,0,ADC_CTL_CH3|ADC_CTL_END）;
}
}
}
/************************lcd写指令*****************************/
}
}
/************************lcd初始化*****************************/
voidinitial_lcd（void）
{
delay（20）;
write_com（0x38）;
delay（15）;
write_com（0x0c）;
delay（15）;
write_com（0x06）;
delay（15）;
write_com（0x01）;
}
voidDisplay（doublen）
{
n=n/1024*3.3*1000;//在中断中读取adc值cn=data;
a[0]=（（long）n/1000%10+0x30）;
a[1]=0x2e;
a[2]=（（long）n/100%10+0x30）;
a[3]=（（long）n/10%10+0x30）;
a[4]=（（long）n/1%10+0x30）;
a[5]='\0';
//for（j=0;j<=618;j++）//扫描延时，稳定显示
//{
LCD_Display（0,0,"Voltage="）;
LCD_Display（0,14,"V"）;
LCD_Display（0,8,a）;
//LCD_Display（1,1,"No:
22copyright"）;
//}
}
/************************主函数*****************************/
TACCR0=30;//DelaytoallowReftosettle
TACCTL0|=CCIE;//Comvolre-modeinterrupt.
TACTL=TASSEL_2|MC_1;//TACLK=SMCLK,Upmode.
//LPM0;//Waitfordelay.
TACCTL0&=~CCIE;//DisabletimerInterrupt
//__disable_interrupt（）;
*/
}
//ADC10interruptserviceroutine
/*
#pragmavector=TIMER0_A0_VECTOR
__interruptvoidta0_isr（void）
{
TACTL=0;
//LPM0_EXIT;//ExitLPM0onreturn
data=ADC10MEM*25/10240;
}
*/
#pragmavector=ADC10_VECTOR
__interruptvoidADC10_ISR（void）
{
n+=ADC10MEM;
j++;
if（j>=2000）
{
Display（n/2000）;
j=0;
n=0;
}
ADC10CTL0|=ENC+ADC10SC;
}
升级会员 