无线充电电动小车（C题）

Tory

本系统以TI公司的 MSP430F5529 单片机为控制芯片，以无线充电装置为核心，协调其余模块。系统分为发射模块、接收模块、储能模块、电机驱动模块和采样模块。发射模块采用电压型单相半桥逆变电路，并在输出端利用法拉第电磁感应定律，将能量转移到次级线圈，通过调节PWM波频率，发生串联谐振；次级线圈产生的感应电流通过整流电路变为直流电实现给超级电容充电，电容连接TPS63020稳压模块给电机供电；通过MSP430F5529单片机进行电压采样，以决定是否控制小车开始运动。

1、方案论证

1.1 MOS管驱动的论证与选择

方案一：EG2104是一款高性价比的带SD功能的MOS管栅极驱动专用芯片，内部集成了多种电路。适应 5V、3.3V 输入电压，输出电流能力为 IO+/- 1A/1.5A。适用于电池场合。其应用于移动电源、高压快充开关电源、无线充电驱动器。

方案二：IR2104是一种半桥驱动电路，产生PWM信号，参考电压-3-25V，峰值输出电流0.36A,最大下降时间90ns。

方案三：使用三极管构成 MOS 管驱动电路，但三极管在使用过程中易发生饱和，三极管的饱和深度与极间电容会影响延迟时间和开关速度；此外，三极管的驱动电流不容易控制。故不适合本设计。

经过对比与分析，故选择了方案一。

1.2 逆变电路的论证与选择

逆变器是一种把直流信号变成交流信号的电路结构设备，全桥和半桥是内部驱动电路的结构形式。

方案一：半桥逆变电路

半桥是2个驱动管轮流工作于正弦波的各个波段，结构简单，使用器件少，用于小功率逆变电源。

方案二：全桥逆变电路

全桥是由4个驱动管轮流工作于正弦波的各个波段，与半桥逆变器相比，同负载情况下，输出电流和电压的幅值为半桥的两倍，因而在大功率场合得到了广泛应用。

无线充电小车功率较低，故采取半桥逆变电路。

1.3 无线充电方案的论证与选择

方案一：电磁感应方式

将发射端的线圈和接收端的线圈放在两个分离的设备中，对发射端的线圈输入交流电，就会产生一个磁场，则在接收端产生感应电流。电磁感应方式的特点是传输距离短、使用位置相对固定，但是能量效率较高、技术简单。

方案二：电磁共振方式

与电磁感应方式相比，电磁共振方式在距离上有了一定的宽容度，可以在发射端与输出端距离数厘米甚至数米完成充电，在距离上更有优势。具体原理为使用两个规格完全匹配的线圈，一个线圈通电后产生磁场，另一个线圈共振产生的电流给设备充电；但在传输效率方面较低，为40%左右。

经过实验，对比了在现有条件下的传输效果，我们选择方案一。   

2、理论分析与计算

2.1 逆变电路的分析

（1）根据题设要求与方案论证，发射器以电压型单相半桥逆变电路为核心，辅以PWM逆变桥驱动方式达到初级线圈电压的实现。

设开关周期为T，直流输入电压为U，输出电压有效值为：

由傅里叶分析，输出电压瞬时值为：

其中 为输出电压角频率。当n=1时，其基波分量的有效值为：

逆变电路基本结构如图1所示:

图1逆变电路

（2）对于逆变电路，如图1，在直流侧需要两个足够大的电容C1与C2，并且满足C1=C2；在具体实现上，我们采用了如图7多个电容并联来达到某个大电容的策略。

（3）逆变电路的直流输入一般有纹波存在，C1与C2可以起到滤波的作用，但为了将谐波分量衰减程度控制在一定范围内，需要并联电阻；在逆变电路输出端加电容优化波形，使波形更接近正弦波。

2.2 整流电路的分析计算

图2为桥型整流电路的拓扑结构

图2桥型整流电路

当交流电的正半周到来时，二极管DA和DC导通，DB和DD截止，如图3 所示。当交流电的负半周到来时，二极管DB和DD导通，DA和DC截止，如图4所示。不论是DA和DC导通，还是DB和DD导通，流过负载的电流方向都是一致的，在负载上产生的电压方向都是上正下负。输出电压为：

若周期为2π，则Uo=0.9U

3、电路与程序设计

3.1 系统总体框图

如图3所示为系统总体框图

图3 系统总体框图

3.2 逆变电路的设计

如图4所示为电压型单相逆变电路

图4 电压型单相逆变电路

在一个周期内，场效应管SS1和SS2的栅极信号各有半周正偏，半周反偏，且互补；记输入电压为Ui；L1L2间线圈电压为Uo，L1极性为正，L2极性为负，L1L2间线圈电流为Io，取Io方向与Uo方向为关联参考方向。

t1时刻前，SS1导通，SS2截止，Uo=Ui/2。

t1时刻，给SS2发出导通信号；由于电感中电流不能突变，于是SS2中二极管导通续流，Uo=-Ui/2。

t1,2时刻，Io降为0，SS2中二极管截止，SS2导通，Io开始反向增大，此时仍然有Uo=-Ui/2。

t3时刻以后原理与之前时刻类似。

Uo和Io波形如图5所示下：

图5 电压电流波形

由MSP430F5529产生特定频率的PWM信号，经EG2104升压，控制场效应管的通断。通过改变频率，令初级线圈和电容C3发生串联谐振，以使初级线圈产生较高电压。更好更快充电，计算谐振频率公式如下:

3.3 整流电路的设计

如图6所示，因电磁感应L1产生感应电流，在正半周期D1和D4导通，负半周期D2和D3导通，使电流保持同一方向，实现整流，然后给超级电容充电。

3.4 控制驱动电路的设计

图6 驱动电路

单片机对次级线圈所在电路的电压采样，控制开关CSD18542的通断；当没有检测到电压时，开关闭合，小车运动。

4、测试方案与测试结果

4.1 电容储能的测试

电容储能公式： ，稳压电源供电为5V

表1 电容充电电压测试表      充电时间1分钟、C=10F

4.2 最大爬升高度的测试

H为爬升高度，L为斜坡最大行驶距离。

表2 爬升高度测试表 。线圈间隔为1mm、C=10F

4.3 测试结果与分析

（1）经过改装，小车外形尺寸控制在30cmfile:///C:\Users\**I~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps1370.tmp.jpg26cm以内，符合题目要求。

（2）直流稳压电源供电电压为5V，供电电流小于1A，无线充电装置最大充电效率可达约70%，符合题目要求。

（3）除电容外，车上未使用电池等其它储能供电器件，给超级电容充电一分钟后，小车水平直线行驶距离大约为19m，大于1m；小车可在大约倾斜角度为45°的路面行驶0.84m，爬升高度为0.60m，实现了题目要求。

mschj

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