異物檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

摘要近年來國內(nèi)外電動汽車發(fā)展迅速，采用的充電方式主要是導(dǎo)電充電。然而，這種方式存在許多缺陷，例如接觸不良，接觸電阻溫度升高引起的損壞，大量充電頭和不舒服的插入和移除。為了解決這些問題，已經(jīng)開發(fā)了用于電動車輛的無線充電技術(shù)。目前，用于電動車輛的無線充電系統(tǒng)通常采用水平點(diǎn)對點(diǎn)方法。在充電過程中，充電區(qū)域可能落入外來金屬物體中，并且在生物體內(nèi)進(jìn)入異物。外來金屬物體在進(jìn)入后會引起渦流，從而引起火災(zāi)。它還可以改變耦合機(jī)制的參數(shù)，使系統(tǒng)偏離正常工作點(diǎn)。在嚴(yán)重的情況下，系統(tǒng)根本不起作用。充電區(qū)域中的磁場可能影響活組織并導(dǎo)致組織損傷。因此有必要檢測外來物體和生物異物，從而確保裝載過程的安全性和系統(tǒng)的可靠性。在此要求的基礎(chǔ)上，本文件提出了一種用于檢測異物以檢測金屬和生物體并確保系統(tǒng)裝載的系統(tǒng)。文章指出，研究的目的是為無線電動汽車充電系統(tǒng)，并結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行過程中的應(yīng)用需求，分析檢測異物的需要，總結(jié)國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀。該分析總結(jié)了這些當(dāng)前計(jì)劃的局限性和弱點(diǎn)，并強(qiáng)調(diào)了本文研究的重要性。鑒于用于電動車輛的無線充電系統(tǒng)，提出了一種基于阻抗特性的異物檢測方案。該方案的原理是金屬和生物體進(jìn)入磁場并改變磁場參數(shù)，這又改變了測量管的阻抗。因此，可以通過隔離該功能來檢測生物和金屬。在此原理的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，從方案驗(yàn)證測試中提供數(shù)據(jù)并驗(yàn)證方案機(jī)制。分析了系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵問題，給出了解決方案。設(shè)計(jì)了軟件流程，分析了特征提取算法，建立了系統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)平臺，驗(yàn)證了不同條件下異物檢測的功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所有結(jié)果都達(dá)到了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該系統(tǒng)可以檢測異物和異物，而不影響主電路的傳輸功率和性能，驗(yàn)證了系統(tǒng)的實(shí)際可行性。關(guān)鍵詞：電動汽車，無線充電，阻抗特性，金屬檢測，活體檢測Abstract:Electricvehicleshavedevelopedrapidlyinrecentyearsbothdomesticallyandabroad,andthechargingmethodsusedaremainlyconductivecharging.However,therearemanydefectsinthisway,suchasfaultycontact,damagecausedbytherisingtemperatureofthecontactresistance,amassivechargingheadanduncomfortableinsertionandremoval.Tosolvetheseproblems,wirelesschargingtechnologyhasbeendevelopedforelectricvehicles.Currentlythewirelesschargingsystemforelectricvehiclesgenerallyadoptsahorizontalpoint-to-pointmethodDuringthechargingprocessthechargingareamayfallintoforeignmetalobjects,aswellasenterforeignbodiesinthelivingbody.Alienmetalobjectscancausevortexcurrentsafterentry,whichcancausefires.Itcanalsochangetheparametersofthecouplingmechanismtocausethesystemtodeviatefromthenormalworkingpoint.Inseverecases,thesystemwillnotworkatall.Themagneticfieldinthechargingareamayaffectlivingtissueandcausetissuedamage.Itisthereforenecessarytodetectalienbodiesandbiologicalalienbodies,therebyensuringthesafetyoftheloadingprocessandthereliabilityofthesystem.Onthebasisofthisrequirement,thisdocumentproposesasystemfordetectingforeignbodiesinordertodetectmetalsandorganismsandtoensurethatthesystemisloaded.Thearticlestatesthatthepurposeoftheresearchisthechargingsystemforwirelesselectricvehicles,andanalysestheneedtodetectforeignobjectsinconjunctionwiththeapplicationrequirementsinthesystemoperationprocessandsummarisesthestateoftheresearchinthecountryandabroad.Theanalysissummarisesthelimitationsandweaknessesofthesecurrentprogrammesandhighlightstheimportanceofresearchinthisarticle.Withaviewtothewirelesschargingsystemforelectricvehicles,aschemeforthedetectionofforeignobjectsbasedonimpedancecharacteristicswasproposed.Theprincipleofthisschemeisthatthemetalandtheorganismenterthemagneticfieldandchangethemagneticfieldparameter,whichinturnchangestheimpedanceofthemeasuringtube.Therefore,organismsandmetalscanbedetectedbyisolatingthisfunction.Onthebasisofthisprinciple,ageneraldesignschemeofthesystemisproposed,providingdatafromtheschemeverificationtestandverifyingtheschememechanism.Keyproblemsinthesystemdesignprocessareanalysedandsolutionsaregiven.Thesoftwareflowisdesigned,afeatureextractionalgorithmisanalyzedandaplatformofthesystem'shardwareexperimentisbuilt,thefunctionofdetectingforeignobjectsunderdifferentconditionsisverified.ExperimentalresultsshowthatallresultsachievedtheexpectedexperimentalresultsThesystemcandetectforeignmetalbodiesandforeignbodieswithoutaffectingthetransmissionpowerandperformanceofthemaincircuitandverifythepracticalfeasibilityofthesystem.Keywords:electricvehicle,wirelesscharging,impedancecharacteristics,metaldetection,livedetection目錄摘要 1第一章 緒論 31.1 研究背景 31.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 51.3 課題研究目的、意義及主要內(nèi)容 71.3.1 課題目的 71.3.2 課題意義 81.3.3 主要研究內(nèi)容 81.4 本章小結(jié) 9第二章基于阻抗特性的異物檢測原理 92.1電磁線圈磁場分布特性 92.2金屬異物檢測原理 112.3阻抗檢測法機(jī)理實(shí)驗(yàn)測試 12第三章系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì) 143.1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 143.1.1功放電路設(shè)計(jì) 143.1.2運(yùn)放濾波電路設(shè)計(jì) 153.2系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 163.2.1主程序流程設(shè)計(jì) 163.2.2數(shù)字濾波方法選取 173.2.3特征提取算法 18致謝 20參考文獻(xiàn) 21緒論研究背景近年來，生產(chǎn)汽車和大型汽車公司的最大國家已經(jīng)就汽車電氣化和推廣方向達(dá)成了更廣泛的共識。荷蘭和挪威等國家制定了更加激進(jìn)的目標(biāo)，表明到2025年和2030年將不再增加傳統(tǒng)燃料汽車。通用汽車，梅賽德斯-奔馳，寶馬，大眾等大型汽車公司正在推動雷諾-日產(chǎn)之后的電動汽車，并宣布將在市場上推廣約20種不同的電氣和系列產(chǎn)品。中國政府還推出了幾項(xiàng)撥款規(guī)則和激勵措施，以促進(jìn)電動汽車的發(fā)展。目前，幾乎所有電動汽車的充電方法都采用導(dǎo)電充電，但導(dǎo)電充電的發(fā)展存在一些問題。它可以直接物理接觸，直接接觸電線。接觸電阻溫度升高，造成損壞，充電頭負(fù)擔(dān)，插入和移除令人不愉快，并且對環(huán)境的適應(yīng)性不好。已經(jīng)使用無線能量傳輸技術(shù)來解決與無線充電相關(guān)的各種問題。它具有環(huán)保，環(huán)保，舒適，靈活，安全等動力傳輸接觸的優(yōu)點(diǎn)。WPT的本質(zhì)是指一種以電絕緣的形式將電力從電源轉(zhuǎn)移到電極的新模式，通過存在于物理空間中的傳輸介質(zhì)來保證人類的舒適生活。常用的傳輸介質(zhì)包括微波，激光，機(jī)械波，磁場和電場。其中最常用的是磁場耦合，其廣泛用于各種領(lǐng)域，例如油井鉆探，醫(yī)療設(shè)備，潛艇，電動車輛，非移動設(shè)備等。電動車輛的無線充電方法使用高頻磁場將能量從電網(wǎng)傳輸?shù)诫妱榆囕v，以便對電池進(jìn)行無線充電。這意味著這兩個實(shí)現(xiàn)，其中一個是在線無線充電，這意味著汽車正在無線充電，而在2013年世界經(jīng)濟(jì)論壇中駕駛是最好的它被公認(rèn)為技術(shù)創(chuàng)新之一。第二個是無線停車場。它依賴于無線充電。目前，電動汽車的無線充電標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在海外發(fā)布，國際標(biāo)準(zhǔn)正在深入發(fā)展。無論加載模式如何，主管道都放置在地平面上，而次級管道則以充電車底盤的一部分的形式放置，在這種情況下，主管道和次級管道??之間的磁場有聯(lián)系。因此，在兩種加載模式下的異物容易掉落或進(jìn)入原始管的表面并且不會單獨(dú)落下。進(jìn)入充電區(qū)有兩種類型：首先，在停放無線充電停止之前，或者在線充電車到達(dá)某個位置之前，在主線上??已經(jīng)有異物進(jìn)入同時站在主管的表面上。進(jìn)入的異物包括不影響負(fù)載功能的非金屬異物，以及可能影響負(fù)載的外來金屬體和人和動物等生物。因此，以下異物是指可能影響裝載的異物和異物。在無線在線充電的情況下，無論異物如何進(jìn)入，異物與初級側(cè)和次級側(cè)之間的連接時間短，并且其存在幾乎不影響充電。少。但是，在停車費(fèi)的情況下，裝載時間很長，因此異物侵入的潛在風(fēng)險很大。異物的引入會影響負(fù)載性能，并可能影響系統(tǒng)的輸出功率。除無線充電系統(tǒng)外，外來金屬物體和外來生物物體具有某些優(yōu)點(diǎn)。露天金屬的流入可能會導(dǎo)致火災(zāi)和設(shè)備因渦流而損壞等事故，并且還會改變耦合機(jī)構(gòu)的參數(shù)，導(dǎo)致系統(tǒng)偏離其正常工作點(diǎn)，在嚴(yán)重的情況下，系統(tǒng)可能無法正常運(yùn)行。人類和動物等生物體具有電阻，但當(dāng)它們進(jìn)入磁場時會破壞活組織。今天，低功率移動電話和其他產(chǎn)品增加了對異物的檢測，而不是提到無線充電。在電動汽車領(lǐng)域，電力線通常是幾千瓦，甚至磁場中的小金屬也是非常危險的。它們都限制了無線能量傳輸技術(shù)的推廣。此時，顯示了異物檢測的重要性。這里，異物的檢測是指檢測能夠在磁場中產(chǎn)生熱量的金屬部件和金屬裝置，以及體內(nèi)檢測諸如人和動物的生物體。通過檢測異物來警告進(jìn)入充電環(huán)境的異物，并及時停止充電以防止火災(zāi)和對身體的損害。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來，電動汽車的無線充電發(fā)展非常迅速。重慶大學(xué)，南京航空航天大學(xué)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，東南大學(xué)，中興通訊等等一下！在中國，目前沒有統(tǒng)一的無線充電標(biāo)準(zhǔn)，2016年8月在深圳制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。舉辦了電動汽車無線充電技術(shù)研究與標(biāo)準(zhǔn)化研討會。電動汽車無線充電的一個重要因素是外來物體的發(fā)現(xiàn)是顯而易見的。下面描述中國提出的特定外來檢測方法的分類。有三個主要類別需要討論：如何添加電子線圈，如何測量環(huán)境參數(shù)以及如何添加外部電路或設(shè)備。分析了每種方法的代表性結(jié)果。添加線圈的方法主要是添加線圈。通過將兩個線圈放置在無線電力傳輸系統(tǒng)的主傳輸線圈的表面上以檢測左右金屬平衡來執(zhí)行異物的檢測，并且是否存在兩個金屬線圈和定位的金屬檢測電路？當(dāng)你形成一個循環(huán)來檢測是否。缺點(diǎn)是當(dāng)停車場發(fā)生轉(zhuǎn)移時，該方法可能產(chǎn)生錯誤警報。在主線圈和輔助線圈之間添加一些線圈，如下所示。線圈子是第一根線圈子，第二根線圈子依次排列，兩根線圈子串聯(lián)連接，占據(jù)主線圈表面的相同區(qū)域，主線圈子被驅(qū)動當(dāng)由兩個線圈產(chǎn)生的磁場由第二個線圈和預(yù)設(shè)的校準(zhǔn)電壓差引起時，使用根據(jù)第一個線圈引起的電壓的控制在方向上相反五個用于計(jì)算異物檢測的差異。并且是否與異物檢測的差異大于預(yù)定差值有關(guān)，是否在原始線圈中存在異物。該方法的局限性不是停車量大，異物量少，檢測不充分的情況。電壓檢測法通過測試由于性能變化引起的性能變化。識別外部材料的存在的方法主要是改變電極的參數(shù)。當(dāng)在沒有實(shí)時收集的具有開關(guān)頻率的外來物體的情況下比較開關(guān)頻率時，確定異物是否在電荷的磁場中。缺點(diǎn)是當(dāng)異物的體積小時檢測到的開關(guān)頻率基本上沒有變化，并且功率的變化也會引起誤報警。通過由無線充電器的發(fā)送端接收的功率與發(fā)送器的端部之間的差來計(jì)算發(fā)送功率，確定外金屬體是否處于磁場中。缺點(diǎn)是異物量太小而無法檢測到損失，因此不可能檢測到具有高功率的小型外國人。在無線充電過程中，搜索在檢測信號功率和管位移速率之間的相關(guān)表中的次級側(cè)信號的功率或次級側(cè)和初級側(cè)之間的通信信號的功率或次級通信信號的功率。第二步是找出電力和損失對比表系統(tǒng)的固有損失。第三步是電傳輸和電損失最終是根據(jù)管的位移系數(shù)和自然系統(tǒng)的損失來計(jì)算電傳導(dǎo)損失的值;有。通過檢測發(fā)射無線能量的效率來檢測外國人的身體。但是，如果異物體積很小，性能不會發(fā)生顯著變化而且不會被檢測到。通過檢測諧振電路的Q值來檢測異物。已經(jīng)提出了一種異物檢測系統(tǒng)，通過監(jiān)視天線的特征參數(shù)來檢測異物。但是，這種方法還可以檢測不會引起磁場變化的外來物體的報警，如果導(dǎo)致天線參數(shù)發(fā)生變化，也可以發(fā)出警報信號。為了。充電裝置主要配置分別連接到控制器和發(fā)射天線的信號轉(zhuǎn)換模塊，以用作發(fā)射信號。狀態(tài)，電壓和相位差信息用于確定金屬物體是否已進(jìn)入充電磁場。缺點(diǎn)是在高功率下不能檢測到小的異物。通過檢測負(fù)載平面的重力值并確定重力值是否與參考值相比是不精確的，確定是否存在異物。但是，這種方法不易實(shí)現(xiàn)且不易安裝。同時，電路放置在主管中，電子元件也被阻擋。盡管在上述文獻(xiàn)中描述了大量文獻(xiàn)，但實(shí)際上存在不同的缺點(diǎn)，在實(shí)際使用中出現(xiàn)不同的問題，并且實(shí)用價值低。在不影響主電路的負(fù)載功率和性能的情況下進(jìn)行有效檢測是不好的。課題研究目的、意義及主要內(nèi)容課題目的針對電動汽車無線充電系統(tǒng)的異物檢測問題，通過對進(jìn)入磁場區(qū)域的金屬異物和生物體異物進(jìn)行分析研究，找出金屬異物和生物體異物進(jìn)入磁場引起的對檢測裝置某些參數(shù)的變化特性。尋找一種能夠在基本不影響電能傳輸效率的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對進(jìn)入磁場范圍的生物體和金屬進(jìn)行有效檢測的方法，促進(jìn)電動汽車無線充電的推廣。課題意義本文研究的電動汽車無線充電系統(tǒng)異物檢測技術(shù)能夠使電動汽車在非常安全的條件下進(jìn)行無線充電，減少意外的發(fā)生，極大地保證了充電系統(tǒng)的安全性，推動電動汽車無線充電技術(shù)的進(jìn)步，進(jìn)一步推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用。主要研究內(nèi)容本說明書的目的是設(shè)計(jì)一種用于通過基于電動車輛的無線充電系統(tǒng)以及進(jìn)入充電場而不影響系統(tǒng)的功率和性能的金屬和生物來檢測異物的方法。金屬檢測，可以檢測化學(xué)異物，然后測試生物體。本研究在系統(tǒng)配置，濾波方法，特征提取算法，系統(tǒng)強(qiáng)化濾波等方面，研究了異物進(jìn)入管道引起的阻抗變化特征，即幅度和相位變化。研究的主要內(nèi)容分析了無線電動汽車充電系統(tǒng)中現(xiàn)有的幾種異物檢測方法，總結(jié)了它們的特點(diǎn)和不足。在電動汽車的無線充電系統(tǒng)中，提出了一種新的異物檢測方法來傳輸傳輸功率和主電路的效率。分析了該方案提出的檢測方法的原理，包括電磁場產(chǎn)生原理，異物檢測原理，測量距離與靈敏度的關(guān)系，以及生物檢測原理。該方案的可行性是通過在不同的實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行測試來確定的，并且該檢測方法的機(jī)制確認(rèn)了在不同環(huán)境中是否可以檢測到金屬或生物異物。提出了系統(tǒng)和分析系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的重要問題，并對高頻和干擾問題等一些重要問題進(jìn)行了深入的研究和分析。設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)平臺，提出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵問題，并根據(jù)初始電路輸入?yún)?shù)設(shè)計(jì)了整個電路的具體參數(shù)。描述并設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的軟件算法，分析了系統(tǒng)提取的特征。最后，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的實(shí)際功能。本章小結(jié)本章闡述了無線電能傳輸技術(shù)的本質(zhì)、意義以及發(fā)展前景，提出充電過程中會遇到的異物檢測問題。介紹了電動汽車無線充電系統(tǒng)異物檢測國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，分析總結(jié)了目前無線電能傳輸異物檢測方法的缺陷和不足。最終，引出金屬異物和生物體異物檢測的重要性、價值及意義。第二章基于阻抗特性的異物檢測原理為了更好地理解無線電動車輛充電系統(tǒng)對異物的檢測，本發(fā)明基于以下理論：變化的電場產(chǎn)生可變磁場，改變磁場和改變電場是相互依賴的。在本說明書中，基于阻抗特性，電磁管的磁場分布，異物檢測原理，異物類型和異物檢測原理的異物檢測方法，提出了基于阻抗特性的異物檢測。我們解釋了鐵磁金屬等支持技術(shù)。幅度和相位特性：為了驗(yàn)證阻抗檢測機(jī)制的精度，測量管的阻抗變化由橋測量。我們?yōu)楸疚奶岢龅南到y(tǒng)提供理論支持。2.1電磁線圈磁場分布特性根據(jù)麥克斯韋的位移電流假說和漩渦電場假說，通電的線圈必然會在線圈周圍激發(fā)一個磁場，在這個磁場中如果進(jìn)入了金屬異物或者生物體異物，將會引起線圈磁場的變化。所以，在給一個矩形線圈輸入一個交變電流以后，會在矩形線圈周圍的空間內(nèi)產(chǎn)生一個交變的磁場。假設(shè)有一段載流直導(dǎo)線在空間點(diǎn)的磁場分布如圖所示坐標(biāo)為（x,q,0）的電流單元Idx在點(diǎn)Q產(chǎn)生磁場dHy，dHz。同理可得dHy,dHz的表達(dá)式如下：這些方程是微分方程，在正常過程中解決起來比較復(fù)雜，因此您可以使用適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)支持軟件來解決它們。對于矩形像素的一個計(jì)算點(diǎn)，首先，將矩形像素分成若干段，并且使用通過計(jì)算計(jì)算點(diǎn)處的分段電流來計(jì)算每個磁場的計(jì)算的磁場力的方法。計(jì)算三個x，y，z軸上計(jì)算的總磁場濃度，收集z和z坐標(biāo)軸上的等效x分量，最后計(jì)算所有計(jì)算的磁場分量，計(jì)算出的磁場和點(diǎn)的方向獲得力量所有計(jì)算點(diǎn)都按照固定的規(guī)則排列，并且可以按排列順序移動，以獲得矩形管的磁場分布的所有圖。麥克斯韋方形線圈的磁場模擬如下所示。矩形線圈磁力線分布圖矩形線圈磁場分布圖2.2金屬異物檢測原理在交變的磁場中，金屬進(jìn)入磁場會引起磁效應(yīng)或者渦流效應(yīng)，磁效應(yīng)或者渦流效應(yīng)將會產(chǎn)生一個附加磁場，而這個附加磁場會破壞交變磁場的磁力線分布，所以也可以把這個產(chǎn)生的附加磁場稱為二次場。其中渦流效應(yīng)原理如圖所示。渦流效應(yīng)原理圖測量管相位的矢量表示和感應(yīng)電位的大小等于測量管，反映了上述金屬導(dǎo)體和測量管之間的關(guān)系。當(dāng)可變正弦電流I1被引入測量管時，在測量管周圍產(chǎn)生可變磁場H1。感應(yīng)I2在內(nèi)部產(chǎn)生并且電流在導(dǎo)體處閉合并且具有稱為渦電流的螺旋形狀。該旋轉(zhuǎn)電流在與測量管的磁場H1的方向相反的方向上產(chǎn)生可變磁場H2，并且可變磁場H2的反應(yīng)改變有效測量管的阻抗。測量線圈阻抗的變化不僅和電渦流效應(yīng)有關(guān)系，還和進(jìn)入磁場的金屬導(dǎo)體的幾何形狀、磁導(dǎo)率μ、電導(dǎo)率ρ、測量線圈的幾何參數(shù)、激勵電流、金屬導(dǎo)體和線圈之間的距離等參數(shù)有關(guān)系。假定金屬導(dǎo)體內(nèi)部是均勻的，它的性能是線性的、各向同性的，那么金屬導(dǎo)體和測量線圈的物理性質(zhì)基本就能夠由下邊幾個參數(shù)來進(jìn)行描述：尺寸因子r、電導(dǎo)率ρ、距離d、磁導(dǎo)率μ、頻率f、激勵電流強(qiáng)度I。那么測量線圈的阻抗Z就可以使用下邊的函數(shù)來進(jìn)行表示：如果在某些特定條件下，控制式中的某些參數(shù)為一個不變的定值，只去改變所有參數(shù)中間的某個參數(shù)，那么測量線圈的阻抗就成為了這個變化參數(shù)的單值函數(shù)。2.3阻抗檢測法機(jī)理實(shí)驗(yàn)測試根據(jù)前文的分析，設(shè)計(jì)一個阻抗特性的檢測方案，對前文提出的阻抗特性檢測機(jī)理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證。檢測方案如圖所示。根據(jù)如上所述構(gòu)造的矩形線圈的磁場布置和模擬，可以觀察到圓線圈和方線圈在相同參數(shù)下的磁場分布和強(qiáng)度差異很小。在該圖中，實(shí)驗(yàn)平臺的側(cè)線圈的主要形狀是方形的。為了更好地檢測原始線圈的所有角，選擇方形線圈作為該方法的測量線圈的設(shè)計(jì)。在下面的圖中，并聯(lián)的一部分是檢測線圈。不同的情況會增加線圈的數(shù)量和足跡的密度，線圈跡密度越高，檢測小異物的靈敏度越高。在本設(shè)計(jì)中仔細(xì)考慮后，測量線圈為20cm×20cm方線圈，跡線密度為6mm。通過橋測量測量線圈的阻抗變化。橋的原理如下圖所示。電橋測量示意圖圖中，R1、R2、R3、R4為四個電阻，即四個橋臂，b、c端輸入一個不同頻率的激勵信號源，a、d端接外部要測試的電路。正常情況下，四個橋臂處于平衡狀態(tài)，a、d兩端的電壓為0。進(jìn)行測量時，Uad發(fā)生變化，為了使電路重新達(dá)到平衡，就會調(diào)節(jié)電阻參數(shù)，通過公式R1R4=R2R3就能得到未知參數(shù)量，再通過內(nèi)部計(jì)算就能得到電感、電容、阻抗等的參數(shù)值。本節(jié)通過電橋的此種特性對測量線圈的電感、電容和阻抗進(jìn)行測量。因?yàn)閷y量線圈施加了一個激勵信號，所以測量線圈表面產(chǎn)生了交變磁場，異物進(jìn)入以后能夠引起線圈阻抗的變化。在實(shí)際測試中發(fā)現(xiàn)，不論是金屬異物還是生物體異物在進(jìn)入測量線圈的測量范圍后，都能夠引起線圈相位和幅值的變化，即阻抗的變化。由前面對阻抗測量原理的描述，異物進(jìn)入感應(yīng)線圈板時對線圈阻抗的影響主要是其虛部感抗X1=2πfL和容抗Xc=1/2πfC。第三章系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)在本章中，根據(jù)前一章的分析，為了及時，有效地檢測外來金屬物體和異物進(jìn)入磁耦合區(qū)域，而不影響主電路的功率和效率設(shè)計(jì)硬件電路和軟件算法。根據(jù)前一章的重要研究問題和第二章的結(jié)構(gòu)，提出了一種適用于設(shè)計(jì)高頻感應(yīng)電路，運(yùn)算濾波電路等參數(shù)的方法，并提出了具體的檢測電路。提出了一種設(shè)計(jì)軟件流程和值提取算法，在到達(dá)磁場耦合區(qū)域后提取自身值。3.1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時，阻抗檢測方法用于檢測系統(tǒng)中的異物，如上所述，但阻抗的變化在高頻時更明顯，10MHz信號是高頻喚醒它被選為信號。我們設(shè)計(jì)了一個高頻喚醒電路，可以產(chǎn)生10,7MHz的正弦波信號。由于阻抗測量管放置在磁場中并與無線充電系統(tǒng)的發(fā)射管緊密連接，因此高感應(yīng)電壓和頻繁切換的主電路開關(guān)會干擾高頻探測器系統(tǒng)的小信號對存在的陌生人。為了獲得更清潔的檢測信號，過濾傳感器信號并設(shè)計(jì)上路徑放大電路。最后，阻抗檢測電路設(shè)計(jì)用于獲得阻抗相關(guān)參數(shù)。選擇這些電路中的一些用于項(xiàng)目分析。3.1.1功放電路設(shè)計(jì)本文的第三章涉及過去信號負(fù)載的能力。傳統(tǒng)的功率放大電路對輸出信號有影響，因?yàn)樗鼈兙哂薪徊媸д?。選擇消除交叉失真的OLC電路。為了消除功率放大器電路的交叉失真，必須設(shè)置適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)，以使兩個放大器工作在臨界導(dǎo)通狀態(tài)或小導(dǎo)通狀態(tài)。電路圖如下。如圖電路中，在靜態(tài)時，電流從+Vcc流出，經(jīng)過電阻R1和R2、二極管D1和D2、電阻R3流入到-Vcc，它在晶體管Q1和Q2兩個管的基極之間產(chǎn)生的電壓為，讓B1B2U比Q1管和Q2管兩個管的發(fā)射結(jié)開啟電壓之和稍微大一點(diǎn)，從而讓兩個管子都處在一個微導(dǎo)通的狀態(tài)，也即都有一個微小的基極電流。因?yàn)樾盘杺鬏數(shù)墓β屎艿停戳鬟^電路的電流不大。所以在具體應(yīng)用中，只需要選擇小功率的晶體管就能夠滿足要求。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中選擇了2N5551晶體管（Q1，NPN）與2N5401晶體管（Q2，PNP）組成了功率放大電路。3.1.2運(yùn)放濾波電路設(shè)計(jì)即使檢測電路用于去除信號，從功率諧振器收集的信號仍然是由兩個頻率組成的信號。所以你需要稍后過濾掉額外的信號。為此，設(shè)計(jì)了二次上通濾波器電路。由于提取的高頻信號較小，周圍環(huán)境特別受到干擾，設(shè)計(jì)了多級濾波，并采用濾波晶體進(jìn)行濾波，盡可能消除干擾，保證系統(tǒng)檢測的準(zhǔn)確性。3.2系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)軟件必須執(zhí)行整個異物檢測系統(tǒng)的功能是將模擬信號分離為由阻抗測量模塊執(zhí)行的相位差和振幅比，并提取特征以提取活體的金屬物體或它是為了區(qū)分異物進(jìn)入管子和測量時的特征，最后是它發(fā)射物體。與信號客人做正確的事情。其中，程序的主要功能是初始化各個功能模塊并連續(xù)調(diào)用子程序以便根據(jù)需要執(zhí)行功能。根據(jù)功能的不同，系統(tǒng)軟件分為以下子模塊：初始化模塊，相位差數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)字濾波模塊，特征分離模塊。3.2.1主程序流程設(shè)計(jì)根據(jù)前面對系統(tǒng)功能的總體規(guī)劃，系統(tǒng)的主要的功能是主程序通過調(diào)用模塊的子程序來實(shí)現(xiàn)的。主程序流圖如圖所示，在上電之后，系統(tǒng)自動進(jìn)入main函數(shù)。首先是對各個模塊進(jìn)行初始化，然后進(jìn)行相位差信號和幅值比信號的數(shù)據(jù)采集和數(shù)字濾波，最后進(jìn)行特征提取，從波形數(shù)據(jù)中判斷異物的存在同時判斷異物的種類和屬性，并進(jìn)行相應(yīng)的開關(guān)控制。3.2.2數(shù)字濾波方法選取下邊給出了示波器采集到的幅值比和相位差波形圖，如圖1所示，圖2為CPU采集到的未經(jīng)數(shù)字濾波的波形圖圖1阻抗測量模塊輸出波形圖2CPU采集波形圖由圖1的阻抗測量模塊收集的數(shù)據(jù)流的原始模式略微波動。圖2顯示CPU實(shí)現(xiàn)的進(jìn)度也是上下變化，沒有變化。最終阻抗測量模塊通過平均輸出信號電壓測量進(jìn)入測量區(qū)域的異物的存在或不存在，以便可以對收集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波以稍微改變它們。在結(jié)合前面提出的不同濾波算法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)之后，選擇對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行濾波的方法來過濾算術(shù)平均值。由于阻抗信號獲取模塊產(chǎn)生具有幅度和相位差的比率的平均電壓信號，因此確定在平均電壓信號入射之后是否存在相位差的幅度比和幅度的平均電壓信號。到。在輸入異物后，兩個信號的平均電壓整體上升或降低以達(dá)到新的平衡，因此平均是最合適的方法。另外，可以通過改變數(shù)量N的值來調(diào)整濾波器的靈敏度和平滑度來調(diào)整算術(shù)平均值的濾波。3.2.3特征提取算法為了能夠使用特征提取算法對進(jìn)入磁場耦合區(qū)域異物的種類和大小進(jìn)行辨別，首先需要判別是否進(jìn)入了異物。先需要采集到異物進(jìn)入測量線圈以后引起的波形變化。下圖分別是提取到的不同異物進(jìn)入測量線圈表面時采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字濾波后的變化圖（a）手距離感應(yīng)板5cm；（b）手距離感應(yīng)板2cm（a）鋼尺距離感應(yīng)版3cm；（b）鋼尺距離感應(yīng)版1cm一毛硬幣作為異物異物測量管的輸入是增加或減小阻抗測量模塊的相位差或振幅比輸出電壓以確定是否包含異物的特性，這意味著異物已進(jìn)入。在實(shí)驗(yàn)過程中，管的位置或?qū)Ь€的振動會影響其輸出功率，這是很難的，以至于每個電源開關(guān)后阻抗模塊的穩(wěn)定輸出值不固定好的，系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。您可以隨時更改閾值的大小，因此評估外來?xiàng)l目的能力不是“更改”，而是它是否超過某個限制。寫入過去的樣本值并將它們與當(dāng)前值進(jìn)行比較，以查看是否要輸入外來對象。特征提取流程圖當(dāng)檢測到波形有變化，延時一段時間，再次確認(rèn)波形是否變化，判斷到進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，看歷史平均值與當(dāng)前的差值是否超過閾值，如果超過閾值，表明有異物。判斷到有異物以后，使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特征提取算法對異物進(jìn)行辨識。通過采集到的幅值信號對異物的大小和遠(yuǎn)近進(jìn)行辨識，通過采集到的相位信號對異物的屬性進(jìn)行辨識。因?yàn)橛?xùn)練參數(shù)采集難度很大，本文只做了理論上的分析，沒有辨識出金屬異物和生物體異物的種類和大小，留待后續(xù)研究。第四章實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可操作性和可實(shí)現(xiàn)性，搭建如下圖所示的硬件實(shí)驗(yàn)平臺。為了測量的準(zhǔn)確性，使用繪制的PCB測量線圈板，以免手工纏繞線圈引起測量偏差。系統(tǒng)硬件電路平臺實(shí)驗(yàn)平臺主要由供電部分、高頻激勵部分、原邊線圈耦合部分、諧振部分、功放電路部分、運(yùn)放濾波部分、阻抗測量等部分組成，如圖所示。原邊線圈耦合部分使用的是兩塊相同的線圈板疊在一起，在下邊線圈板輸入頻率為60KHz的信號，這樣測量線圈板就能夠感應(yīng)到這個對阻抗測量來說是干擾的信號。主電路是把測量信號處理部分和信號的產(chǎn)生、濾波等部分分開的硬件電路示意圖根據(jù)第二章的分析，在實(shí)際應(yīng)用中，很多電動汽車無線充電系統(tǒng)原邊線圈都是加有磁芯的，磁芯會很大程度的影響到測量線圈的阻抗變化。所以實(shí)驗(yàn)也分別對測量線圈加磁芯的情況和不加磁芯的情況進(jìn)行驗(yàn)證。4.1測量線圈不加電芯下邊的實(shí)驗(yàn)記錄是在原邊線圈沒有加磁芯的情況下得出的。將直接分析討論異物進(jìn)入以后引起的波形參數(shù)的變化。由于阻抗測量模塊芯片的測量范圍是-60dbm至0dbm，也即有效值0-225mv，所以在輸入測量模塊之前需要對測量信號進(jìn)行分壓處理，避免信號幅值過大損壞測量芯片。分壓后的兩路信號波形如圖所示。阻抗測量模塊的輸入波形兩路信號的有效值分別為104mv和163mv，都是在測量范圍內(nèi)?？梢暂斎氲綔y量模塊。將兩路信號同時輸入到阻抗測量模塊后，就可以直接輸出該模塊的兩個信號：幅值比信號和相位差信號。在沒有任何異物進(jìn)入阻抗測量線圈的時候，阻抗測量模塊輸出的幅值比和相位差波形如圖所示。無異物時系統(tǒng)輸出波形因?yàn)樽杩箿y量模塊輸出的是直流信號，所以是看它的平均值。從圖中可以看出，在沒有任何異物進(jìn)入測量線圈的時候，相位差信號即CH1的電壓平均值為915mV，幅值比信號即CH2的電壓平均值為995mV。當(dāng)有生物體（手）伸入到測量線圈測量區(qū)域時，系統(tǒng)輸出波形如圖所示金屬進(jìn)入磁場時系統(tǒng)的輸出波形從圖可以看出，當(dāng)有金屬異物（8.5cmx1.5cm銅片）進(jìn)入測量線圈測量范圍時，相位差信號的電壓平均值增大到938mV，而幅值比信號的電壓平均值減小為876mV。相位差信號電壓平均值變化了23mv，幅值比信號電壓平均值變化了119mv。因此，可以看出系統(tǒng)也能檢測到金屬異物帶來的變化，也能對金屬異物起到檢測的作用。證明了系統(tǒng)的可操作性和可實(shí)現(xiàn)性。綜上可以看出，本文所提出的基于阻抗特性的異物檢測法在測量線圈下方?jīng)]有磁芯影響的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)電動汽車無線充電系統(tǒng)中的異物檢測，檢測效果好，能及時有效地檢測出進(jìn)入磁場的金屬異物和生物體異物，提高了無線充電安全性。最后對模塊輸出的兩路信號進(jìn)行特征提取，通過上文的程序流程，最終判斷出系統(tǒng)到底有沒有異物進(jìn)入測量線圈范圍。4.2測量線圈加磁芯很多情況下，為了增加系統(tǒng)的效率和減少輻射，會在原邊線圈下方放置磁芯，為了驗(yàn)證這種情況下異物檢測方案的可行性和實(shí)用性。對加了磁芯的測量線圈進(jìn)行了異物檢測的測試驗(yàn)證。加入磁芯以后測量線圈平面圖如圖所示加入磁芯線圈圖下文為加入磁芯以后對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行重新測試分析得到的波形圖。當(dāng)兩路信號經(jīng)過濾波放大后，輸入阻抗測量芯片，就可以得到幅值比Vm和相位差Vp信號，這次只采集一路變化比較大的信號作為結(jié)果進(jìn)行對比。選取的是幅值比Vm信號。在正常情況下即沒有異物進(jìn)入測量線圈測量范圍的時候Vm信號的幅值電壓平均值如圖所示。無異物幅值比波形從圖可以看出，在沒有異物進(jìn)入的時候，幅值比的電壓平均值為711mv。當(dāng)把長寬為13cm×8.5cm的銅片放入到測量線圈表面，得到的幅值比信號電壓平均值波形變?yōu)槿鐖D所示。放入銅片幅值比波形根據(jù)上述兩圖的平均值可以看出，幅值比信號電壓平均值從711mv變化為了660mv，變化了51mv，證明系統(tǒng)在這種條件下也可以檢測金屬異物，驗(yàn)證了在線圈下方加磁芯情況下，系統(tǒng)對金屬異物的檢測性能。當(dāng)把手伸入到檢測區(qū)域，也即生物體（手）進(jìn)入到測量線圈測量區(qū)域的時候幅值比信號電壓平均值波形變化為如下圖所示。放入生物體幅值比波形檢測到生物體的進(jìn)入，驗(yàn)證了系統(tǒng)方案在測量線圈加磁芯的情況下對生物體異物檢測的可操作性和可實(shí)現(xiàn)性。而且這種情況下的變化比不加磁芯情況下的變化明顯很多，能夠更加準(zhǔn)確的檢測到生物體的進(jìn)入。綜上可以看出，本文設(shè)計(jì)的方案不管是在測量線圈加磁芯的情況下還是不加磁芯的情況下都能夠檢測出金屬異物和生物體異物，并且都能達(dá)到很好的檢測效果。該方式不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且成本低。同時因?yàn)闇y量線圈是封裝在盒子中，和原邊線圈安裝在一起，所以也能夠很好的實(shí)現(xiàn)室外電動汽車無線充電系統(tǒng)中的異物檢測，增加了室外電動汽車無線充電系統(tǒng)的可靠性。第五章總結(jié)和展望5.1全文工作總結(jié)本文從電動汽車無線電能傳輸技術(shù)的工程背景出發(fā)，結(jié)合工程應(yīng)用的需求，在現(xiàn)在已經(jīng)有的電動汽車無線充電系統(tǒng)異物檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于阻抗特性的異物檢測方法。通過檢測放入磁場線圈的阻抗變化，主要是通過檢測幅值和相位角的變化對異物進(jìn)行檢測。同時根據(jù)實(shí)際中可能遇到的情況對特征提取算法進(jìn)行優(yōu)化，避免系統(tǒng)的誤報。并搭建了系統(tǒng)的硬件試驗(yàn)平臺，在理論和工程上都實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證了方法的可行性，從而為電動汽車無線充電系統(tǒng)異物檢測提供了一種新的方法。本文提出的方法可以在一個檢測線圈下，同時實(shí)現(xiàn)金屬異物檢測和生物體異物檢測，成本低，效果好，而且對主電路效率基本沒有影響，能夠很好的適應(yīng)各種磁場中的異物檢測。本文圍繞實(shí)現(xiàn)電動汽車無線充電系統(tǒng)異物檢測問題，主要進(jìn)行了以下的工作：①從電動汽車無線充電系統(tǒng)技術(shù)出發(fā)，分析了異物檢測技術(shù)的目的和意義，并且對國內(nèi)外的無線充電系統(tǒng)異物檢測方法和技術(shù)進(jìn)行了整理和總結(jié)，介紹了它們的原理以及國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。②對本文提出的基于阻抗特性的異物檢測方法的原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，包括線圈電磁場分布、金屬異物的檢測原理、生物體異物的檢測原理。其中金屬異物包含了非鐵磁性金屬和鐵磁性金屬。給出了測量靈敏度同測量距離之間的關(guān)系。給出了異物包括金屬和生物體在不同的頻率下和不同的環(huán)境下阻抗變化的測試結(jié)果，對本文提出的的基于阻抗特性的異物檢測方法進(jìn)行了機(jī)理的驗(yàn)證。③根據(jù)系統(tǒng)的初步方案提出基于阻抗特性的異物檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)和關(guān)鍵問題，同時對系統(tǒng)架構(gòu)和其中的一些關(guān)鍵問題進(jìn)行了具體的分析，提出了針對關(guān)鍵問題的解決辦法。④分析了電路的組成，對參數(shù)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的硬件電路。提出了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程，提出了對輸出的信號的具體處理方式，根據(jù)特征提取算法對輸出的信號進(jìn)行特征提取，提取出變化的特征值，判斷是否有異物進(jìn)入。⑤搭建了系統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)平臺，針對線圈下不加磁芯和線圈下加磁芯的兩種不同情況，分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，都能夠很好的檢測到金屬異物和生物體異物，驗(yàn)證了方案的實(shí)際可操作性，同時系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同環(huán)境下的異物檢測，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性。5.2后續(xù)工作展望本文以校企合作項(xiàng)目作為背景，在其應(yīng)用對象——電動汽車無線充電系統(tǒng)異物檢測上，實(shí)現(xiàn)了在不影響主電路傳輸效率的情況下，對金屬異物和生物體異物的檢測。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的性能達(dá)到了預(yù)期的效果，但是，仍然還存在著一些可以更加完善的地方。①本文只是實(shí)現(xiàn)了金屬和生物體的檢測，提出了一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特征值提取算法，但是因?yàn)閰?shù)不好提取等原因，沒有能夠最終區(qū)分出進(jìn)入測量線圈的到底是金屬還是生物體。下一步可以根據(jù)不同的幅值比和相位差特性區(qū)分判斷出進(jìn)入的到底是金屬異物還是生物體異物。更進(jìn)一步根據(jù)幅值比和相位差的變化大小判斷出金屬和生物體的大小，還可以嘗試進(jìn)一步判斷出金屬的不同材質(zhì)。②電路還有一些可以優(yōu)化的地方，可以把高頻激勵信號的幅值變得更大，讓后續(xù)的測量更加準(zhǔn)確，可以減少放大電路增加濾波電路。找到更好的濾除干擾信號的辦法，使信號更加純正。③尋找測量線圈的自然諧振點(diǎn)，也即阻抗的最大值點(diǎn)，這樣能夠把阻抗的反應(yīng)最大化，使檢測更加準(zhǔn)確。致謝時光荏苒，歲月如梭，我馬上就畢業(yè)了，就要離開我親愛的學(xué)校以及我敬愛的老師們和情愛的同學(xué)們。當(dāng)我停止這篇論文的時候，我知道我的校園生活在此刻就要畫上句號，這是我不得不承認(rèn)的?；仡欉@三年的時間，我認(rèn)識了很多人，也得到了很多人的關(guān)心與幫助。首先誠摯的感謝我的論文指導(dǎo)老師。感謝老師在忙碌的教學(xué)工作中擠出時間來審查、修改我的論文。還有教過我的