黑龙江省大学生电子设计竞赛电能无线传输装置论文.docx
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黑龙江省大学生电子设计竞赛电能无线传输装置论文
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学校编号:
HLJ-F-160
学校名称:
哈尔滨工程大学大学
队长姓名:
张希希
队员姓名:
史瑶朱明
指导教师姓名:
卢守平
2014年8月16日
摘要
本作品为采用无稳态多谐振荡激励LC谐振回路为核心的磁耦合谐振式无线电能传输装置,整体设计分为振荡电路模块、发射模块、接收模块、整流滤波模块、扩展功能(稳压稳流)模块六部分。
本设计电路简单,采用MOS管无稳态多谐振荡电路,在发射线圈上产生振荡波形,通过磁耦合谐振,接收线圈接收振荡波形,经整流滤波输出直流电压驱动LED灯。
经测试,本作品基本达到设计指标,并且能使LED灯在较远距离不熄灭。
除了完成题目要求,本作品还增加了稳压稳流模块,可以为手机、手电筒等设备进行无线充电,方便简单;也可以用MSP430对输出电压进行ADC采样,并在液晶屏上显示。
关键词:
无线电能传输磁耦合谐振无稳态多谐振荡
一、设计任务
1、背景
电能无线传输一直是人类的梦想,多年来国外一些科学家执着地开展着这项研究,但进展甚微。
2007年MIT的科学家在电能无线传输原理上有了突破性进展,他们利用电磁谐振原理实现了中距离的电能无线传输,在2m多距离内将一个60W的灯泡点亮,且传输效率达到40%左右。
谐振耦合电能无线传输与以往提出的电能无线传输技术相比,具有以下本质性的不同:
1)与利用电磁感应原理的电能无线传输技术相比,传输距离大大提高,突破了电磁感应原理的无线传输距离仅在1cm以内的限制,且理论表明若不考虑空间其它物体影响,传输距离将进一步提高;2)与利用微波原理的电能无线传输技术相比,具有传输功率大的特点,将微波电能无线传输几毫瓦至100mW的数量级提高到几十瓦至几百瓦的数量级。
目前,非接触能量无线传输发展已比较成熟,主要应用于磁悬浮列车,医学上用于体内微摄像机供电等。
与此比较而言,基于谐振原理的电能无线传输将是一种应用范围更宽的新型技术,并且低电磁辐射,可满足电磁兼容的要求。
然而,现阶段谐振耦合无线传输技术仍处于起步阶段,相关理论和实验研究还比较欠缺,尤其传输效率的分析还不够全面。
2、任务
设计并制作一个磁耦合谐振式无线电能传输装置,其结构框图如图1所示。
图1电能无线传输装置结构框图
3、要求
(1)保持发射线圈与接收线圈间距离x=10cm、输入直流电压U1=15V时,调整负载使接收端输出直流电流I2=,输出直流电压U2≥8V,尽可能提高该无线电能传输装置的效率η。
(45分)
(2)输入直流电压U1=15V,输入直流电流不大于1A,接收端负载为2只串联LED灯(白色、1W)。
在保持LED灯不灭的条件下,尽可能延长发射线圈与接收线圈间距离x。
(45分)
(3)其他自主发挥(10分)
4、说明
(1)发射与接收线圈为空心线圈,线圈外径均20±2cm;发射与接收线圈间介质为空气。
(2)I2=因为连续电流。
(3)测试时,除15V直流电源外,不得使用其他电源。
(4)在要求
(1)效率测试时,负载采用可变电阻器;效率
。
(5)制作时须考虑测试需要,合理设置测试点,以方便测量相关电压、电流。
2、方案论证
现有无线电能传输方案
电磁感应式
电磁感应式电能传输系统主要由三大部分组成,即能量发送部分(Transmitter)、分离式变压器(Transformer)和能量接收部分(Receiver)。
系统的工作原理,输入的交流电经过整流、滤波、稳压变为直流电,之后通过高频逆变器进行逆变,逆变所产生的高频交变电流输入分离式变压器的初级线圈,与次级线圈耦合,从而产生感应电动势,再通过高频整流滤波后为负载供电。
图2电磁感应方式示意图
磁耦合谐振式
磁耦合谐振式由美国麻省理工学院于2007年研制成功,主要是利用物理学的“谐振”原理,两个振动频率相同的物体能高效传输能量。
当电源发送端的振荡磁场频率和接收端的固有频率相同时,接收端产生共振,实现能量的无线传输。
在这项技术中,发送端和接收端的线圈被调校成了一个磁共振系统,通电后能够以固定的频率振动。
能量传输不受空间障碍物影响,与电磁感应方式比较传输距离远,传输效率较高。
由此可以知道传输效率与发送、接收能量单元的直径相关,传送面积越大,传输效率越高;传输效果与振动频率有关。
图3磁耦合谐振方式示意图
磁辐射式
该方式主要采用微波进行电能传输。
微波的波长介于无线电波和红外线之间的电磁波。
由于频率较高,能顺利通过电离层而不反射。
微波输电利用电磁辐射原理,由电源送出电力,通过微波转换器将交流电变换成微波,再通过发射站的微波发射天线送到空间,然后传输到地面微波接收站,接收到的微波通过转换器将微波变换成交流电,供用户使用。
其有效传输距离为几千米,属于远程传输。
电磁辐射方式电能传输主要有无线电波、微波、激光和超声波等方式。
图4磁辐射方式示意图
三种方式比较
谐振耦合电能无线传输与以往提出的电能无线传输技术相比,具有以下本质性的不同:
1)与利用电磁感应原理的电能无线传输技术相比,传输距离大大提高,突破了电磁感应原理的无线传输距离仅在1cm以内的限制,且理论表明若不考虑空间其它物体影响,传输距离将进一步提高;2)与利用微波原理的电能无线传输技术相比,具有传输功率大的特点,将微波电能无线传输几毫瓦至100mW的数量级提高到几十瓦至几百瓦的数量级。
目前,非接触能量无线传输发展已比较成熟,主要应用于磁悬浮列车,医学上用于体内微摄像机供电等。
与此比较而言,基于谐振原理的电能无线传输将是一种应用范围更宽的新型技术,并且低电磁辐射,可满足电磁兼容的要求。
然而,现阶段谐振耦合无线传输技术仍处于起步阶段,相关理论和实验研究还比较欠缺,尤其传输效率的分析还不够全面[18-19]。
本文从线圈等效耦合模型出发,分析电能无线传输机理及传输效率与距离、频率、线圈本身等因素之间的关系,提出最大效率条件及无线传输系统的优化设计方法,并设计制作多组谐振耦合线圈进行能量无线传输,以验证所提方法的有效性,为进一步谐振耦合无线能量传输的闭环控制研究奠定理论和实验基础。
方案的具体设计与论证
本设计整体设计框图如下:
图5整体设计示意图
振荡电路方案对比
采用NE555构成振荡器
在振荡信号电路设计部分,采用NE555构成频率可调的多谐振荡器。
555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件,它性能优良,适用范围很广,外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成谐振荡器,以及不需外接元件就可组成施密特触发器。
因此集成555定时被广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。
NE555可稳定输出1MHz以下的方波,并且占空比可调,电路调试容易,成本较低。
电路图如下:
图6NE555构成频率可调的多谐振荡器
但是NE555555电路比较简单,不能做到很高的频率,1M以下还可以,再高就做不了。
采用晶振构成振荡器
选用晶振振荡电路,频率稳定度高,一般可以频率稳定度为30PPM。
可以做到1M-100M都没有问题,但电路比较复杂,常用电路如下图所示:
图7晶体振荡器
采用无稳态多谐振荡器
无稳态多谐振荡器是一种简单的振荡电路。
它不需要外加激励信号就便能连续地、周期性地自行产生矩形脉冲,该脉冲是由基波和多次谐波构成,因此称为多谐振荡器电路。
多谐振荡器可以由三极管构成,也可以用555或者通用门电路等来构成。
用两只三极管组成的多谐振荡器,通常叫做三极管无稳态多谐振荡器。
常用的无稳态多谐振荡器电路如下所示:
图8无稳态多谐振荡器
由以上分析可见,若采用NE555,仅仅以NE555输出的方波驱动后级功放电路会由于驱动能力不足使场管不导通,所以需要加一级驱动电路,相应加大了电路的复杂程度;若采用晶体振荡器,则由于频率单一,发射端和接收端的频率耦合调整很麻烦;因此,本设计采用无稳态多谐振荡器,电路简单,不需要专门的驱动电路,频率方便可调。
单元电路设计
振荡电路模块的设计
振荡电路如图所示:
图9振荡电路
振荡电路采用无稳态多谐振荡电路,电路采用两个MOS管,开始三脚开关出于断开状态,当把开关打开,MOS管G极电压达到导通电压而导通,由于两个MOS管参数不完全相同,总会有一个先导通,假设MOS管Q1先导通,则由于二极管的钳位作用使MOS管Q2的G极电压限制在二极管的导通电压(左右),此时Q2不会导通,同时电路对电容充电,当Q1达到饱和,D极电压近似为0或为负电压,此时电感和电容对地放电,G极电压变为负电压,Q1截止,同时解除对Q2的钳位,Q2开始导通,然后经历相同的过程,这样Q1和Q2分别导通,产生振荡信号,然后经发射线圈发射出去。
发射和接收模块的设计
发射和接收模块均采用LC并联谐振回路,L使用自己绕制的线圈,采用无氧铜漆包线绕制,直径为2mm,并调节电容和电感使发射和接收端达到匹配,以获得最大传输效率。
演示图如下:
图10发射和接收模型
整流滤波模块的设计
经接受端接收到的信号是交流信号,要想得到直流输出需经过整流滤波,由于本设计频率较高,采用集成的整流桥速度跟不上,故采用分立的高速开关二极管做整流电路,输出端采用滤波电容滤除不需要的分量,电路图如下:
图11桥式整流电路
其中滤波电容滤波的计算比较麻烦,因为决定输出电压的因素较多。
工程上有详细的曲线可供查阅。
一般常采用以下近似估算法:
一种是在RLC=(3~5)T/2的条件下,近似认为VL=VO=。
(或者,电容滤波要获得较好的效果,工程上也通常应满足wRLC≥6~10。
)桥式整流的电容量一般在几十至几百微法,这里我们采用FR304做整流二极管,滤波电容采用两个47uf并联。
扩展模块的设计
考虑到本题目可以做到电能无线传输,为方便实际应用,我们可以设计一个恒压输出模块作为充电电源,可以为手机、手电筒等充电,简单方便。
电路图如下:
我们采用LM317稳压芯片,接收线圈收到的信号经整流滤波直接接在LM317的输入端,调整滑动变阻器可以调节稳压的电压值。
图12LM317构成的稳压模块
软件的设计
本产品使用MSP430里的ADC12对输出电压进行采样,并在液晶显示屏上显示,软件流程图如下:
三、理论分析与计算
磁耦合谐振式无线能量传输技术的原理如图:
图11磁耦合谐振式无线能量传输技术的原理
源线圈S,与一个振荡电路电感A耦合,接收端设备线圈D与电阻负载电
感B耦合。
自谐振线圈S和D依赖于内部的分布电感和分布电容而达到谐振。
能量通过电源振荡电路A耦合到源线圈S,源线圈S与接收线圈D由于具有相同的谐振频率,在磁场的作用下产生谐振,接收线圈D与负载线圈B通过耦合实现能量传递,在此结构中,距离KS与KD都是近距离耦合,K是远距离的耦合谐振。
在本作品中,需要考虑接收端功率大小,以及传输距离,影响因素主要有发射线圈与接收线圈的耦合强度、线圈的品质因数、谐振频率以及趋肤效应,相应的计算公式如下:
1、耦合强度
设L1和L2的电压和电流分别为u1、i1和u2、i2,且都取关联参考方向,互感为M,则两耦合电感的电压电流关系为:
工程上为了定量描述两个耦合线圈的耦合紧疏程度,定义了耦合因数,用
k表示,有
k的大小与两个线圈的结构和相互位置以及周围磁介质有关。
改变或调整
他们的相互位置有可能改变耦合因数的大小;当L1和L2一定时,也就是相应地
改变了互感M的大小。
2、谐振频率
只有当发射线圈与接收线圈振荡频率一致,即达到谐振时,接收端才能最大功率的接收信号,因此谐振频率很重要,并且要想达到比较远的传输距离,频率不能太低,同时频率太高又会对设备及元件要求高,所以合理的选择谐振频率对于整个设计指标很重要。
谐振频率的计算公式为:
其中,L为发射或接收线圈的电感,C为发射端或接收端的电容总值。
在调试过程中不断调节频率使发射端与接收端达到谐振,此时接收端接收的电压幅值达到最大。
3、趋肤效应
如前所述,谐振频率是该技术一个非常重要的指标,谐振频率的提高直接影响着能量传输距离的远近,而为了提高线圈品质因数,减小线圈的绕阻,就要选用线径较粗的导线制作线圈,但是当线圈固有频率较高时,粗导线线圈会受到趋肤效应的影响,而使导线的利用率降低,因此,我们必须要考虑趋肤效应对传输距离的影响。
趋肤效应使导线的有效截面积减小,从而使它的等效电阻增加。
在高频下,为了提高导线横截面的利用率,常把彼此绝缘的多股导线绞在一起使用。
在频率较高时,还把导线做成带状、管状,表面还要镀银,以减小表面层的电阻。
四、测试结果与误差分析
测试仪器
米尺,15V直流稳压电源,数字万用表,电流表,模拟示波器。
测试方法
将直流15V加入电路,在发射线圈和接收线圈距离10cm时测量输出端直流电压和电流的大小,并计算功率;
将两个1W的白色LED灯作为负载加入电路,改变发射线圈和接收线圈的距离,测量LED等保持不灭的最远距离。
测试结果及分析
1、测试无线电能传输装置所完成的任务情况如表1所示:
测
试
次
数
项
目
1
2
3
4
保持发射线圈与接收线圈间距离x=10cm、输入直流电压U1=15V时,调整负载使接收端输出直流电流I2=,输出直流电压U2≥8V,尽可能提高该无线电能传输装置的效率η
R=
U1=15V
U2=
I1=
η=%
R=
U1=15V
U2=
I1=
η=%
R=
U1=15V
U2=
I1=
η=%
R=
U1=15V
U2=
I1=
η=%
输入直流电压U1=15V,输入直流电流不大于1A,接收端负载为2只串联LED灯(白色、1W)。
在保持LED灯不灭的条件下,尽可能延长发射线圈与接收线圈间距离x
35cm
36cm
发挥
稳压模块:
输入一定范围内电压,输出稳定在5V
稳流模块:
输出电流稳在150mA
表1无线电能传输装置完成任务情况表
2、当初级谐振电容为8个电容,次级为5个电容,负载为10
时,电源输入电流和负载直流电压的关系曲线:
3、当负载为
时,初级谐振电容和次级电容变化时,电源输入电流和负载直流电压的关
系曲线:
五、结论和心得体会
经过6天的努力,在指导老师的引导鼓励下,我们克服了诸多困难,发现问题解决问题,辛苦并快乐着,最终达到了我们团队所期望的结果。
这里向指导老师表示深深地感谢。
在认真比赛的过程中,我们设计出了符合要求的作品,并且本设计结构紧凑而合理,在同类中系统简单而功能不减,能适应于所要求的场地各种复杂情况,各模块均经过严格测试,性能稳定。
本作品适应当前技术发展趋势,设计方法前沿,采用简单的电路,功耗小,代价小,可方便变化频率以适应不同场合,虽然本无线电能传输装置能将电能传输到相对较远距离,但仍有可改进的空间。
本次参赛过程不仅是对我们平时所学知识的检验,更重要的是培养了大家的团队合作精神,了解到了相互合作、及时交流、商讨方案、定制目标、树立自信的重要性。
而且领悟到了从发现问题到解决问题过程经历解决方法。
附件一
元器件清单
表1元件清单表
元件
数量
元件
数量
元件
数量
MSP430f149
1片
功率电阻
2个
电感
2个
IRF640
2片
1k电阻
1个
滑动变阻器
1个
线圈
若干米
杜邦线
若干
LM317
1
电阻
若干
自锁开关
1个
MBR10100
4个
附件二
发射端电路图
接收端电路图
附件三
作品照片
实物图:
次级输出:
正弦波
负载输出:
直流
附件四
程序:
/********************************************************************
//MSP430单片机内部12位ADC,采用内部基准,单通道单次转换,中断模式
//最大显示量,12864显示结果,单位为V
//调试环境:
EW430
********************************************************************/
#include<>
#include""
staticucharFlag;//标志变量
uinttemp1;//ADC值暂存变量
floattemp;
unsignedcharbank[10]={0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x36,0x37,0x38,0x39};//十个数字的ASCII码
//***********************************************************************
//LCD端口初始化
//***********************************************************************
voidLCD_Port_Init(void)
{P4SEL=0x00;//普通IO口
P4DIR=0xFF;//输出方向
P5SEL=0x00;//普通IO口
P5DIR|=0xE3;//,,,,为输出方向
P5OUT|=BIT0;//PSB置1,液晶并口方式
P5OUT|=BIT1;//复位脚RST置高
}
//***********************************************************************
//显示屏命令写入函数
//***********************************************************************
voidLCD_write_com(unsignedcharcom)
{RS_CLR;//P5OUT&=~BIT5RS置低
RW_CLR;//P5OUT&=~BIT6RW置低
EN_SET;//P5OUT|=BIT7E置高
DataPort=com;//P4OUTP4口为数据口
delay_ms(5);
EN_CLR;}//P5OUT&=~BIT7E置低
//***********************************************************************
//显示屏数据写入函数
//***********************************************************************
voidLCD_write_data(unsignedchardata)
{RS_SET;//P5OUT|=BIT5RS置高
RW_CLR;//P5OUT&=~BIT6RW置低
EN_SET;//P5OUT|=BIT7E置高
DataPort=data;
delay_ms(5);
EN_CLR;}//P5OUT&=~BIT7E置低
//***********************************************************************
//显示屏初始化函数
//***********************************************************************
voidLCD_Screan_Init(void)
{LCD_write_com(FUN_MODE);//显示模式设置(0x30)工作模式:
8位基本指令集
delay_ms(5);
LCD_write_com(FUN_MODE);//显示模式设置
delay_ms(5);
LCD_write_com(DISPLAY_ON);//显示开(0x0c)显示游标,且游标位置反白
delay_ms(5);
LCD_write_com(CLEAR_SCREEN);//清屏(0x01)清屏指令:
清屏且AC值为00H
delay_ms(5);}
//***********************************************************************
//显示屏清空显示
//***********************************************************************
voidLCD_clear(void)
{LCD_write_com(0x01);
delay_ms(5);}
//***********************************************************************
//显示CGROM里的汉字
//***********************************************************************
voidDisplayCgrom(ucharaddr,uchar*hz)
{LCD_write_com(addr);
delay_ms(5);
while(*hz!
='\0')
{LCD_write_data(*hz);
hz++;
delay_ms(5);}
}
//****************************************************************
//函数名称:
Display()显示汉字
//****************************************************************
voidDisplay(void)
{DisplayCgrom(0x80,"通道0:
");
DisplayCgrom(0x88,"通道1:
");}
//***********************************************************************
//显示电压值值
//***********************************************************************
staticvoidLcd_Show(charadress,floatdata)
{intidata;
floatfdata;//将浮点数分拆成整数部分和小数部分
idata=(int)data;//整数部分
fdata=data-idata;//小数部分
LCD_write_com(adress);//设定显示地址
LCD_write_data(bank[idata%10]);
delay_ms(5);//不加延时的时候,小数点前一位一直闪
LCD_write_data
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