電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸裝置

1、目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)1二、方案論證1三、理論分析與計(jì)算53.1系統(tǒng)整體模塊53.2 發(fā)射端諧振驅(qū)動(dòng)電路63.3 接收端諧振電路73.3.1電路如下圖所示73.4主要元器件參數(shù)計(jì)算73.5穩(wěn)壓部分原理83.6 控制及顯示部分原理9四、測(cè)試結(jié)果與誤差分析：94.1 硬件測(cè)試94.2測(cè)試數(shù)據(jù)104.3實(shí)物照片124.3軟件測(cè)試144.4誤差分析15五、結(jié)論15六、參考文獻(xiàn)15一、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)磁耦合諧振式無(wú)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(wú)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(shí)，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(wú)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(zhǎng)發(fā)射線圈與接收線圈間距離x。二、方案論證2.1驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路。無(wú)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(diǎn)，其專門用于無(wú)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(wú)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)換及電路的實(shí)時(shí)監(jiān)控；負(fù)責(zé)

3、各項(xiàng)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(wú)線快速充電器、無(wú)線電源供電。 其主要特點(diǎn)為： 1.自動(dòng)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(dòng)頻率鎖定 3. 自動(dòng)負(fù)檢測(cè)負(fù)載 4. 自動(dòng)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(cè)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(wú)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(duì)稱的振蕩器電

4、路，原理圖如下所示：圖2-1 mos管無(wú)穩(wěn)態(tài)多諧振蕩電路圖該方案電路簡(jiǎn)單明了，元器件少，并且操作起來(lái)簡(jiǎn)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(guò)磁場(chǎng)耦合感應(yīng)聯(lián)系。該電路的優(yōu)點(diǎn)包括存在較大氣隙，使得原副邊無(wú)電接觸，可實(shí)現(xiàn)無(wú)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(diǎn)包括傳輸距離短，實(shí)際上多在mm級(jí)。電磁感應(yīng)方式傳輸控制不好，在其范圍內(nèi)的金屬都會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)消耗電源能量，另外還會(huì)使設(shè)備的線路感應(yīng)發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)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(jì)

5、算機(jī)科學(xué)系，以及軍事納米技術(shù)研究所得研究人員提出的。系統(tǒng)采用兩個(gè)相同頻率的諧振物體產(chǎn)生很強(qiáng)的相互耦合，能量在兩物題間交互，利用線圈及放置兩端的平板電容器共同組成諧振電路，實(shí)現(xiàn)能量的無(wú)線傳輸。該方式的優(yōu)點(diǎn)包括。利用磁場(chǎng)通過(guò)近場(chǎng)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。傳輸效果與頻率及天線尺寸密切。缺點(diǎn)包括諧振耦合方式安全實(shí)現(xiàn)問(wèn)題比較嚴(yán)重，要想更好的實(shí)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(wú)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

6、發(fā)射裝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(wú)線電波能量，在隨負(fù)載做出調(diào)整的同時(shí)保持穩(wěn)定的直流電壓。但其缺點(diǎn)有微波無(wú)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(diǎn)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)載電壓及負(fù)載電流的大小隨時(shí)間變化，并且半波整流是以犧牲一般交流為代價(jià)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

7、是對(duì)二極管半波整流的一種改進(jìn)，橋式整流利用四個(gè)二極管兩兩對(duì)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(shí)，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(duì)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(guò)程中，會(huì)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(huì)使得顯示的數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，有很很大的漂移。所以我們?cè)诮邮斩颂砑恿苏鞣€(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

8、示。2.5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(duì)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(jiǎn)單，價(jià)格便宜等。但是如果這樣控制模塊就會(huì)顯得很龐大，并且io口不多，功耗大。方案二：選用ti公司的開(kāi)發(fā)板msp430，該控制板執(zhí)行速度和效率相對(duì)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(lái)相對(duì)復(fù)雜。三、理論分析與計(jì)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(wú)線電能傳輸，主要方案選取了兩個(gè)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(guò)后

9、期的整流穩(wěn)壓處理，通過(guò)單片機(jī)的控制可以在12864液晶上顯示出來(lái)。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(dòng)模塊無(wú)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(dòng)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(shí)際是一個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)，當(dāng)開(kāi)關(guān)合上時(shí)兩個(gè)mos管都被上拉電阻驅(qū)動(dòng)，但此時(shí)的工作狀態(tài)是暫穩(wěn)態(tài)，并且在接通電源的瞬間，兩個(gè)mos并不是同時(shí)導(dǎo)通的，總會(huì)有一個(gè)接通的更快，另一個(gè)mos管關(guān)閉。當(dāng)導(dǎo)通的mos管的柵極電壓通過(guò)二極管驅(qū)動(dòng)到零之后另一個(gè)mos管被切斷，諧振回路的電壓會(huì)上升，當(dāng)電壓上升到某點(diǎn)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?/p>

10、，同時(shí)另一路mos管開(kāi)始工作。如此反復(fù)就形成交變電壓。此時(shí)高頻厄流電感充當(dāng)電流源，一旦通過(guò)它的電壓變成了交流，從而使電路中產(chǎn)生狡辯磁場(chǎng)。此時(shí)，電路的電流將被限制到一個(gè)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(wú)限能量傳輸就是利用兩個(gè)具有相同諧振頻率的線圈在相距一定的距離時(shí)，由于磁場(chǎng)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(dú)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(gè)線圈的結(jié)構(gòu)和相互位

11、置以及周圍磁介質(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內(nèi)傳播引起的效應(yīng)，當(dāng)線圈固有頻率較高時(shí)，粗導(dǎo)線線圈會(huì)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(duì)傳輸距離的影響。3.4主要元器件參數(shù)計(jì)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(huì)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irf6

12、40，根據(jù)電路參數(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(lái)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(guò)改變電容值來(lái)調(diào)整諧振頻率，從而與前級(jí)達(dá)到匹配。 線圈的電感值大小可通過(guò)下面公式來(lái)計(jì)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(jì)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(gè)的實(shí)驗(yàn)過(guò)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

13、定了傳輸電磁波的頻率，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(yàn)就需要我們自己根據(jù)題目要求來(lái)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(shí)驗(yàn)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，輸出電壓范圍為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r(jià)2阻值即可調(diào)整穩(wěn)壓電壓值。d1，d2用于保護(hù)lm317。計(jì)

14、算公式為：uo=(1+r2/r1)*1.253.6 控制及顯示部分原理 因?yàn)榭刂齐娐穬H僅用來(lái)顯示輸出電壓和電流，所以可以直接用msp430的io口驅(qū)動(dòng)12864，再通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)電壓的采集和顯示。這一模塊基本沒(méi)有外圍電路。四、測(cè)試結(jié)果與誤差分析4.1 硬件測(cè)試經(jīng)過(guò)上述的理論分析與計(jì)算，按照設(shè)計(jì)出的原理圖進(jìn)行硬件焊接，并對(duì)電路進(jìn)行一系列的調(diào)試。上電測(cè)試，利用直流穩(wěn)壓電源輸出15v，加到發(fā)送端上，剛上電時(shí)，由于我們沒(méi)有意識(shí)到，要想讓自激式振蕩電路起振，必須讓電源同時(shí)瞬時(shí)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(huì)引起瞬間大電流脈沖，燒壞mos管，加電時(shí)直接接上電源較低電壓，再慢慢往

15、上升，可是，mos管總會(huì)出現(xiàn)一個(gè)管子很熱，另一個(gè)不工作的狀態(tài)。后來(lái)經(jīng)過(guò)測(cè)試，總結(jié)，我們決定在mos管前加一個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)，來(lái)控制這個(gè)自激振蕩電路可以起振，正常工作。在經(jīng)過(guò)這個(gè)改正后我們將輸出接在示波器上觀察振蕩波形。并通過(guò)lc諧振網(wǎng)絡(luò)估計(jì)其振蕩頻率與實(shí)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相同材質(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(duì)接受端電壓，電流，功率的要求，我們經(jīng)過(guò)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

16、線繞制10圈，,用1mm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(wú)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(shí)其電感量經(jīng)測(cè)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(guò)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(gè)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(guò)整流后，在滑動(dòng)變阻器做負(fù)載的情況下，可得到超過(guò)

17、8v的電壓，電流基本可達(dá)到0.5v，滿足題目（1）的要求。同時(shí)當(dāng)負(fù)載換成兩個(gè)串聯(lián)的1w led燈的時(shí)候，距離可達(dá)到35cm左右的距離，滿足題目（2）的要求。4.2測(cè)試數(shù)據(jù)表一、不同繞制方法測(cè)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(shí)電容值對(duì)輸出的影響如下表：由于實(shí)際條件限制，我們采用多個(gè)相同參數(shù)并聯(lián)的方式改變電容值。表二、固定電感，改變點(diǎn)容參數(shù)測(cè)量電容個(gè)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

18、壓(v）5個(gè)682串聯(lián)1.361.320.0770.47152個(gè)682串聯(lián)3.42.020.1190.54153個(gè)682并聯(lián)20.44.870.2860.65155個(gè)682并聯(lián)345.820.3420.70158個(gè)682并聯(lián)54.46.150.3620.751510個(gè)682并聯(lián)686.760.3970.78158個(gè)682和2個(gè)103并聯(lián)74.47.230.4250.83156個(gè)682和4個(gè)103并聯(lián)80.87.960.4680.87155個(gè)682和5個(gè)103并聯(lián)848.540.5020.93154個(gè)682和6個(gè)103并聯(lián)87.28.080.4750.8915表二中數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的折線圖由圖表中可以看

19、出不論是輸出電壓還是輸出電流隋電容的變化都有一個(gè)尖峰時(shí)刻，而我們?cè)趯?shí)驗(yàn)當(dāng)中的就是要尋找這個(gè)尖峰時(shí)刻對(duì)應(yīng)的電容值。4.3實(shí)物照片整體電路實(shí)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(cè)試本實(shí)驗(yàn)通過(guò)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(dòng)較大，不穩(wěn)定，而單片機(jī)采樣速度很大，所以將實(shí)時(shí)電壓值均采集出來(lái)并顯示，導(dǎo)致12864顯示電壓值始終在變化，為力解決這個(gè)問(wèn)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(gè)簡(jiǎn)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(jiǎn)易顯示輸出電壓和電流。4.4誤差分析由于本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中涉及頻率較高，屬于中高頻信號(hào)，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(huì)對(duì)信號(hào)的傳輸產(chǎn)生影響。所以計(jì)算出的數(shù)值與實(shí)際有較大的差距，這時(shí)有規(guī)律的調(diào)試就更加重要。五、結(jié)論本文對(duì)磁耦合諧振式無(wú)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)成及工作原理，利用耦合模公式和等效電路簡(jiǎn)歷無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的理論模型；通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到不同距離下傳輸功率、效率，驗(yàn)證了能量傳輸系統(tǒng)的最佳頻率段為0.52