[A-电动小车动态无线充电系统] A题_陕西赛区_西北大学——电动小车动态无线充电系统系统设计报告

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学校:西北大学作者:余昊 李承志 惠玉皎
指导教师:邓周虎
摘  要
  本作品是通过单片机MSP432P401R实现无线充电发射管理,由其输出的四路PWM信号控制无线充电模块,实现了恒流、限时无线充电功能。同时采用光敏电阻检测小车位置,以单片机MSP430F5529控制电动小车,实现了充电状态显示、循迹、电机驱动等功能。小车采用15F超级电容器作为储能元件,采用UCC24612驱动 MOSFET构成同步整流电路,通过TPS63020自动升降压电路实现小车的稳压供电,有效提高了电能的利用率。经测试,小车在5V、1A条件下充电1min后可在规定跑道持续行驶135米,可通过发光二极管显示充电状态,运行效率可达到15946.8cm/wh。本作品实现了基本部分及发挥部分的全部要求。

关键词:无线充电 红外循迹 PWM驱动 超级电容

一.方案的选择
1.1DC-DC电路方案选择
  超级电容放电时两端的电压不断变化,通过DC-DC电路使电压稳定并控制在单片机可承受电压范围内。TPS63020转换器基于一个使用同步整流的固定频率脉宽调制控制器来获得最高效率,输出电压可通过外部电阻分压器进行编程,在输入电压为1.8-5.5V的宽电压范围内实现自动升降压功能。芯片可选择省电模式,在轻负载时实现更低的功耗,从而达到更高的效率。相比于大多数只具备升压或降压功能的电路,TPS63020转换器构成的电路既具备良好的升降压功能,且能适应更多的工作环境,而且它的转换效率很高,因此选择该方案。
1.2无线充电模块
  通过MSP432P401R控制UCC27511栅极驱动器驱动场效应管实现无线输电。由MSP432P401R输出频率与占空比可变的方波信号,同时进行输入电压、电流检测,通过电流负反馈与PID恒流算法实时调整,输出最优的驱动方波信号。该电路简单、性能优异且便于单片机调节,故选择该方案。
1.3电流检测模块
  INA180电流检测放大器可在-0.2V至26 V的共模电压范围内,在独立于电源电压的条件下检测电流检测电阻器上的压降,集成了匹配的电阻器增益网络,最大程度的降低了增益误差,并减少了温度漂移。使用该方案电路简单稳定可靠。
1.4 小车自启动模块
单片机IO接口与充电检测电路连接,充电时电路输出低电平,充电结束输出高电平,单片机通过IO口检测充电状态,控制小车运动状态,实现自动启动等功能。
充电检测.png
1.1 充电检测电路
1.5 动态充电管理
在无线充电线圈附近安装光敏电阻传感器,当小车驶近线圈时,光敏电阻阻值增大,对应通道的电压上升,单片机通过ADC采集各传感器通道的电压,实现小车位置检测与判断。当小车行驶近无线充电线圈,单片机控制输出PWM波,使充电线圈工作,小车开始充电,当小车驶离线圈时,光敏模块断开,线圈停止工作,小车充电结束。该方案电路简单,消耗能量较少,稳定性高。
光敏电阻检测电路.png
1.2 光敏电阻构成的传感电路
1.6直流电机驱动模块选择
由于该题不需要对小车的电机进行正反转控制,因此,我们使用单片机MSP430F5529直接通过控制场效应管AO3400驱动电机,并根据接收传感器信号判断小车运动轨迹,改变PWM信号占空比实现速度调整。AO3400具有很低的导通电阻及阈值电压,可以使用单片机IO口直接驱动,能耗较小,效率较高,电路简单。

二.电路设计
2.1稳压电路
TPS56528是一款同步降压转换器,工作输入电压于4.5V至18V之间且输出电压可在0.6V与7V之间可通过电阻网络编程。该方案可提供快速瞬态响应,在较轻负载下仍能保持高效率。关断时耗流不超过10uA。
2.2无线充电控制电路
无线充电电路.png
图2.1 UCC27511充电发射端电路
(1)工作原理:该电路由单片机输出频率和占空比可调的方波通过场效应管驱动器控制场效应管Q1的通断实现对线圈工作状态的转换,同时检测输入电压电流信号,通过电流负反馈与PID算法实时调整,计算输出最优的方波信号完成高效率充电,同时UCC27511具有较宽的工作电压范围:4.5-18V,满足本题的供电要求。
(2)在本电路中选择100nF的电容滤除电源的高频成分,并联两个470uF的电解电容提高滤波效率,为系统提供良好的瞬态响应。
2.3储能及整流电路
同步整流电路.png
图2.2 UCC24612充电检测电路
(1)充电检测电路:充电时三极管Q2导通,单片机IO口接收低电平信号;充电结束后,三极管截止,IO端口接收高电平信号。
(2)半波整流电路:选用UCC24612芯片驱动MOSFET,该芯片是高性能同步整流器控制器和驱动器,达到接近理想的二极管效果,减少输出整流器的导通损耗,并通过自适应最短关闭时间可提高效率和抗噪能。
(3)充电指示电路:由于接收端交流电正半周电流随时间上升,到达二极管导通压降需要一定时间,导致充电刚开始的一段时间内充电指示电路不工作,无法正确显示充电状态,故采用负半周作为充电指示电路的供电。
(4)超级电容的取值:经实验测试无线输电传输效率可达60%左右,计划充电完成后电容电压为5V则电容储存能量为180焦耳,由公式 file:///C:/Users/14792/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image008.gif 可得电容容量C等于14.4F,因此实际选择接近的电容15F。
(5)充电显示器件的选择:由于蜂鸣器功耗较大且会在一定能程度上产生噪声污染,故选择发光二极管作为充电显示器件。
2.4底座走线及线圈布局
底板布局.png 图例.png
图2.3 底座走线及线圈布局

布局思路:将单片机放置在圆内比在圆外所使用的导线更短且每个线圈模块与单片机的距离也最小化,单片机与输入接线柱的导线在底板正面程放射性分布,尽可能减少损耗。同时,由于作品在A点充电时间最长,故需使充电模块尽可能贴近A线圈以使损耗最低。

三.系统总框图及程序设计
3.1电路总体结构
底板框图.png 小车框图.png
图3.1 总体电路结构
整个电路系统分为两个子系统:
发射端:无线充电发射部分使用的是单管驱动LC谐振回路的方法,使用单片机直接产生PWM波通过场效应管驱动电路驱动场效应管。这个方案相对于半桥、全桥等无线输电方式具有更简单的电路、更便捷的控制和更高的无线充电效率。我们通过检测电源的输出电压和电流,计算出最大功率点,再通过PID调节输出的PWM频率与占空比,实现了最大功率点跟踪。
小车端:接收端经由接收线圈进行同步整流对超级电容充电,我们创新性地将电源中常用的同步整流技术应用在无线输电的半波整流电路中。我们使用UCC24612同步整流控制器和场效应管替代传统的整流二极管,可以消除二极管正向导通电压降带来的损耗,使无线充电的效率最高可达70%以上,使用了同步整流技术可以将无线充电效率提高10%左右。超级电容经过自动升降压芯片对单片机供电。同时单片机进行充电检测,待到60S或者电源断开后接收光电管的电压反馈并控制电机进行循迹。
3.2充电器程序流程
底板程序流程图.png
图3.2充电器流程图
3.3小车端程序流程
小车程序流程图.png
图3.3小车端流程图

四.测试数据
1.基本信息:
  
小车尺寸/cm
  
小车重量/g
发射线圈外径/cm
黑色引导线线宽/cm
14.7×10.5
259
8.5
0.18
2.基本要求
  
行驶圈数
  
行驶距离L1/cm
行驶时间/s
充电指示灯是否显示充电状态
是否在B点自动停车
62.3
1350
373.8
3. 发挥部分:
  
行驶时间/s
  
行驶圈数
行驶距离L2/cm
自动出发时间/s
L=L2-L1/cm
输出电能W/wh
K=L2/W/cm/wh
484
69.2
1499
60.45
149
0.094
15946.80851

五.系统特点
5.1.提高效率的方法:
(1)单片机通过测试多组实验数据,根据图表,得出拟合经验公式,输出最优占空比方波信号。
(2)采用TPS56528芯片实现降压稳压,该芯片还含有同步整流功能减小功耗,辅助电源采用开关电源可以提高电路效率。
(3)使用TPS63020自动升降压芯片构成DC-DC,完成低功耗、高效率稳压输出。
(4)使用UCC24612驱动外部 MOSFET 以模拟理想二极管构成半波整流电路,提高整流效率,减小损耗。
5.2.超级电容充放电:
超级电容通过反激式电路进行无线充电,通过毫欧电阻实现放电。
5.3.动态充电控制:

在板子上安装光敏电阻,当小车驶近线圈时,光敏电阻传递电信号给单片机,单片机通过控制输出PWM波,使充电线圈工作,小车开始充电,当小车驶离线圈时,线圈停止工作,小车充电结束。


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发表于 2019-10-17 09:01:14   只看该作者
哇 谢谢分享

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发表于 2019-10-17 14:35:23   只看该作者

我们通过检测电源的输出电压和电流,计算出最大功率点,再通过PID调节输出的PWM频率与占空比,实现了最大功率点跟踪。 这部分不太懂

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一粒轻沙

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发表于 2019-10-20 21:29:09   只看该作者
哇,谢谢大佬,很有用

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发表于 2020-1-15 16:38:05   只看该作者
本帖最后由 HXL912032137 于 2020-1-15 17:06 编辑

谢谢分享   

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发表于 2020-4-1 18:13:54   只看该作者

谢谢楼主分享

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发表于 2020-4-12 17:52:27   只看该作者

有word版本的吗?

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发表于 2020-7-23 03:15:53   只看该作者
电赛19 发表于 2019-10-17 14:35
我们通过检测电源的输出电压和电流,计算出最大功率点,再通过PID调节输出的PWM频率与占空比,实现了最大 ...

简单一点的可以直接通过PID算法把输入电恒流在0.98A(略小于1A即可,留一点余量避免超出电源的限制电流),这样就可以很接近100%地利用电源提供的功率,若要最大程度利用电源的功率,你可以参考网络上关于最大功率点跟踪相关的资料。

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一粒轻沙

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发表于 2020-10-4 21:05:34   只看该作者
想要大佬代码参考一下

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一粒轻沙

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发表于 2021-4-13 14:30:15   只看该作者
哇塞 这个分享太棒了!

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发表于 2021-4-17 16:32:07   只看该作者
想要大佬代码参考一下

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一粒轻沙

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发表于 2021-4-25 20:51:27   只看该作者
其实比较好奇你们的赛道加了传感器长什么样,哈哈

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一粒轻沙

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发表于 2021-6-14 11:43:59   只看该作者
两年了,今天突然来官网发现的,分享一下,我们的方案,1.四线圈不是并联,而是串联,这样发挥部分可以根据车的位置,自动匹配不同点输出的功率密度(四线圈串联,电流相等,通过互感改变谐振网络阻抗进而改变四线圈电压分布,实现串联回路不同的地方有不同的功率密度)。2.输入功率控制,采用全桥控制输入到LC负载上的电源的频率,工作在非完全谐振状态(类似通过变频实现lc阻抗为5欧,实现硬件一安控制,适当降频给互感作用留出合适的电感余量)实现硬件反馈,不采用软件控制。3.不足,初试充电时位置很关键,得找准!!!为了这个位置,电赛通了唯一一个宵,效果还不错

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一粒轻沙

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发表于 2021-6-19 21:12:28   只看该作者
感谢大佬的分享,能不能有源程序啊

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一粒轻沙

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发表于 2021-7-5 21:00:54   只看该作者
感谢分享,很棒

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一粒轻沙

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发表于 2021-7-10 23:36:15   只看该作者
大佬能给一下代码吗?

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一粒轻沙

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发表于 2 小时前   只看该作者
请问一下你们的设计小车都需要购买那些原材料呀
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