学科基础课设之非接触供电系统

1、武汉理工大学学科基础课群课设设计报告书课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 通信XXXX班 指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目:非接触供电系统 初始条件：1、利用PROTEL等软件进行硬件设计;2、利用EWB、MULTISIM、MATLAB等软件进行仿真设计要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）在不采用专用器件（芯片）的前提下，设计一个非接触供电系统的电路，使其实现对小型电器供电或充电等功能。用仿真软件对电路进行验证，使其满足以下功能：（1）供电部分输入36V以下的直流电压，有向多台电器设备非接触供电的功能。（2）在输出功率1W的条件下，转

2、换效率15%（3）最大输出功率5W。参考书1 谢自美.电子线路设计·实验·测试(第三版).武汉：华中科技大学出版社2 康华光. 电子技术基础模拟部分.高等教育出版社，20053 康华光. 电子技术基础 数字部分.高等教育出版社，2005时间安排：1、理论讲解，老师布置课程设计题目，学生根据选题开始查找资料；2、课程设计时间为2周。 （1）确定技术方案、电路，并进行分析计算， 时间2天； （2）选择元器件、安装与调试，或仿真设计与分析，时间6天； （3）总结结果，写出课程设计报告，时间2天。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目 录 摘 要I Ab

3、stractII 1 绪论11.1课程设计的目的11.2 课程设计的内容11.3 课程设计的基本要求1 2 相关理论知识 32.1非接触供电系统设计背景3 2.2 非接触供电系统的应用3 2.2.1 微波输电3 2.2.2 无线电力传输3 2.2.3 医疗诊治4 2.3非接触供电系统的原理说明4 2.3.1能量传输系统的构成4 2.3.2 能量传输系统的工作原理4 2.3.3 能量传输过程及其遵循的准则与方程4 3 非接触供电系统方案设计63.1高频振荡电路方案63.2功率放大器方案73.3 AC/DC电路方案73.4 耦合线圈93.4.1线圈电感93.4.2线圈互感93.4.3传输系统的最佳

4、频率范围103.5 系统总设计10 4 方案实现与测试124.1高频晶振振荡电路124.2高频功率放大器12 4.3桥式整流电路13 4.4总电路设计134.5实验结果及说明145 总结15 参考文献16 摘 要非接触供电是一种能以电气非接触方式，将功率从功率输送机提供到功率接收机的供电系统，其中功率输送组件连接到功率输送机以及功率接收组件连接到功率接收机。功率输送组件具有用于输送功率的多个输送侧线圈以及用于接通/断开输送侧线圈的操作的多个输送侧开关。功率接收组件具有用于接收功率的多个接收侧线圈、用于接通/断开接收侧线圈的操作的多个接收侧开关，另外，具有用于执行控制以便操作在实现最高功率输送效

5、率的组合中的输送侧线圈的任何一个和接收侧线圈的任何一个的判定电路。非接触供电系统是一种通过非机械接触的方式进行电力和信号输送的技术，主要应用于agv、起重机和ems单轨输送系统中。非接触供电系统的工作原理类似于变压器的初级/次级线圈的变压原理。在变压器中，初级和次级线圈缠绕在一个封闭的磁铁上，cps系统将初级线圈“延伸”为一个很长的回路，而次级线圈则缠绕在一个开放的磁铁上并且围绕着初级线圈，因此可以允许两个线圈互相之间进行移动，并且通过20khz的高频传输频率，使传输性能达到最优化。关键词：非接触供电 功率放大器 频率振荡器 AbstractNon-contact electrical pow

6、er supply is a non-contact method can, will provide power from the power transmission unit to the power supply system receiver, which is connected to the power transmission power conveyor components and power components connected to the power receiver receives . Power transmission components for the

7、 transmission power of a transmission side of the coil as well as for multiple on / off operation of the transmission side of the coil multiple transmission-side switch. Power component has received more than one receiver for receiving the power side of the coil, used for on / off operation of the r

8、eceiver side of multiple receiver coil side switch, the other has used to perform control operations in order to achieve maximum power transfer efficiency combination of any of the delivery side of the coil and the receiving side of a coil to determine any circuit.Non-contact power supply system is

9、a non-mechanical contact by way of power and signal transmission technology, mainly used agv, cranes and monorail transportation system ems. Non-contact power supply system works similar to the transformer primary / secondary coil of the transformer principle. In the transformer, primary and seconda

10、ry windings wound on the magnet in a closed, cps primary coil system "extension" for a very long loop, and the secondary coil is wound in an open magnet and around the primary coil, it can allow moving between the two coils to each other, and high-frequency transmission frequency by 20khz,

11、 so that transmission to optimize performance.Keywords: non-contact power supply frequency oscillator power amplifierI1 绪论1.1课程设计的目的1.在实践中对通信原理、微机原理、模拟电子技术基础、数字电子技术基础、电磁场与电磁波等学科基础课的课堂理论知识做进一步巩固；2.锻炼对学科基础课的综合运用能力。1.2 课程设计的内容在不采用专用器件（芯片）的前提下，设计一个非接触供电系统的电路如下图所示，使其实现对小型电器供电或充电等功能。 图1.1设计总原理图 用仿真软件对电路进行

12、验证，使其满足以下功能：1.供电部分输入36V以下的直流电压，具有向多台电器设备非接触供电的 功能。2.在输出功率1W的条件下，转换效率15%3.最大输出功率5W。1.3 课程设计的基本要求 1.利用PROTEL等软件进行硬件设计。2.利用EWB、MULTISIM、MATLAB等软件进行仿真设计。3.对电路进行调试。4.课程设计题目由指导教师提供，按学号每人做一题（学号见题目）。5.要求每个学生单独完成课程设计内容。6.写出课程设计说明书，设计说明书主要包括以下内容：课程设计任务书、目录、摘要、关键词、基本原理、方案论证、硬件设计、软件设计(带流程图、程序清单)、仿真结果及分析、结论、参考文献

13、等。7.设计完成后通过课程设计答辩。8.答辩时交电子文档，通过答辩后根据修改意见修改并打印、装订成册。2 相关理论知识2 相关理论知识2.1 非接触供电系统设计背景非接触供电系统CPS（Con-tackless Power Support），是指能量通过无线传输，实现从能量源传输到电负载的一个过程。这个过程不是传统的用有线来完成，而是通过无线传输来实现。 电线充斥在我们的生活当中，错综复杂的连接方式，给我们带来很大的不便。长距离的输电线路需要大量的空间和金属。科学家们在寻求一种解决方法，可否利用电磁感应原理，通过非接触式的能量传输以达到供电的目的呢？早在了19世纪30年代迈克尔·法拉

14、第就发现，磁场变化后将在电线周围产生电流，这就为非接触式传输电能提供了理论可能。2.2 非接触供电系统的应用2.2.1 微波输电早在1968年，针对人类社会面临的能源危机，彼得·格拉泽(Peter Glaser)提出了卫星太阳能电站(SatelIite Solar Power Station，简称SSPS)的设想。微波输能是社会发展对微波技术提出的新课题。 从目前的发展水平与趋势来看，微波输能必将是下个世纪的主要输能方式。国外成立了国际空间大学，其主要科学活动是研究如何利用空间太阳能。我国1990年发电量达138 000兆瓦，2000年计划达到182 000兆瓦(核能占3 )。国外1

15、991年曾提议从月球上的电站向地球送2O 000 000兆瓦的电能。可见，微波输能在解决人类资源危机中将扮演重要角色。2.2.2 无线电力传输无线电力系统研发成功，那它将可为手提电脑、移动电话以及其他设备进行无线充电。一旦实现这种无线电力传输，就意味着一些小装置可以永久地摆脱电池的束缚，从而杜绝因废弃电池带来的环境污染。 对于今后无线电力传输的应用，电磁谐振具有无可比拟的优势。方便性：彻底摆脱电池、充电器、插座、电源线。 安全性：与生物体相互作用很小，不太可能产生严重的副作用。2.2.3 医疗诊治 体内的诊疗装置主要是用于体内疾病的诊断与治疗。传统采用采用微型电池供能有多方面局限性：体积大、漏

16、电、毒性。随着CPS技术的发展，体内诊疗系统的功能不断增强，从有线走向无线，从被动走向主动，传统的采用电池供能已不能满足大功耗微系统的要求。2.3 非接触供电系统原理说明2.3.1能量传输系统的构成能量传输系统包括电源端与负载端两部分。电源端包含导线绕制并与电容并联的线圈(源线圈)，以及为线圈提供电能的高频电源；相隔一段距离的接收端包含另一个导线绕制并与电容并联的线圈(接收线圈)，以及消耗线圈电磁能的负载。2.3.2 能量传输系统的工作原理导线绕制的线圈可视为电感与电容相连构成谐振体，谐振体包含的能量在电场与磁场之间以其自谐振频率在空间自由振荡，产生以线圈为中心以空气为传输媒质的时变磁场；与该

17、谐振体相隔一定距离的具有相同谐振频率的谐振体感应磁场，所感应的磁场能同样在电场与磁场之间以其自谐振频率在空间自由振荡，同时两个谐振体之间不断地有磁场能交换，因此产生以两个线圈为中心以空气为媒质的时变磁场。两谐振体内电场能与磁场能振荡交换的同时谐振体之间也存在着以相同频率振荡的能量交换，即两谐振体组成耦合谐振系统。2.3.3 能量传输过程及其遵循的准则与方程源线圈通正弦电流，线圈电感周围产生时变磁场，同时向电容充电；接收线圈感应磁场，线圈电感产生电动势，同时向其电容充电。当正弦电流的频率与线圈的谐振频率相等时，源线圈电流方向改变的同时，交变磁场方向改变，接收线圈感生电动势，接收线圈的电容放电。若

18、系统没有负载(包括线圈的寄生电阻)消耗能量，源线圈与接收线圈两侧所包含的能量交替达到最大值(各时刻两线圈包含的能量之和)；若系统有负载消耗能量，源线圈将源源不断的向负载线圈传递能量，实现无线能量传输。根据全电流定律，源线圈周围产生磁场应遵循方程： ×H= J+ 式2-1式中 J 源线圈的传导电流密度； 源线圈的位移电流密度； H 源线圈周围产生磁场。根据电磁感应定律，接收线圈感生电动势应遵循方程： ×E= 式2-2 式中 E 接收线圈感应电场强度； 源线圈与接收线圈铰链的磁场； 真空磁导率。同时，接收线圈需满足各向同性介质的本征方程： J = E 式2-3公式(2-3)表示

19、接收线圈中，电场 E与电流密度 J的关系。若系统没有负载消耗能量，应用矢量磁位计算源线圈与负载线圈铰链的电磁能为： W = dV 式2-4式中 W 源线圈与接收线圈振荡交替的磁场能/电场能； A 源线圈在接收线圈位置产生的矢量磁位。由式(2-4)得到源线圈与接收线圈之间交替的无功功率为： 式2-5式中 Q 接收线圈包含的无功功率； 12 源线圈与接收线圈的耦合磁链。磁场为单一频率激励源时，功率表达式(2-5)简化为集中参数形式： 式2-6式中 源线圈激励的磁场变化角频率。线圈的磁场作用可看作是两线圈之间的互感抗。构成耦合谐振系统的各部分参数包括：线圈自感、互感、谐振电容、线圈电阻，以及消耗电能

20、的负载电阻。3 非接触供电系统方案设计3.1 高频振荡电路方案 振荡电流是一种交变电流，是一种频率很高的交变电流，它无法用线圈在磁场中转动产生，只能是由振荡电路产生。振荡电路有以下两个个过程：充电过程：电场能在增加，磁场能在减小，回路中电流在减小，电容器上电量在增加。从能量看：磁场能在向电场能转化。 放电过程：电场能在减少，磁场能在增加，回路中电流在增加，电容器上的电量在减少。从能量看：电场能在向磁场能转化。 在正弦波振荡器中，主要有LC振荡电路、石英晶体振荡电路和RC振荡电路等几种。RC振荡电路由于工作频率较低，频率稳定度不高，故不予考虑。下面着重比较LC振荡电路、石英晶体振荡电路两种方案。

21、方案一：采用LC谐振回路产生所需的频率。优点是可以产生任意所需载波，缺点是频率稳定度比较低，如图1所示。方案二：采用有源晶振。有源晶振只要加上电源就可以产生频率稳定的载波。优点是电路简单，频率稳定。缺点就是不能产生任意频率的载波，如图2所示。 图1 LC谐振震荡回路 图2 有源晶振震荡电路方案论证：本设计对频率没有具体要求，而且无需产生多个频率，所以采用方案二。而且具有电路简单，频率稳定的优点。3.2 功率放大器方案功率放大器，简称“功放”。很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统的任务，这时就要在主机和负载之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个系统中起到了“组

22、织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的输出。 方案一，采用集成芯片。现有许多高频大功率的集成放大器(如AD815)可以用来设计高频功放。集成功放具有稳定度高，需要调整的参数少的特点，缺点是效率较低（集成功放一般采用线性放大），不满足系统对功耗及传输距离的要求。方案二，采用分立元件的功率放大器。采用分立元件的高频电路受分布参数影响大，而且不易调整，但其电路结构比较灵活，对应于不同要求的信号，可以设计不同结构的放大器以获得最大的效率，而且输出功率可以设计的较大，价格也相对低廉。采用功放管，前级的缓冲级，一是控制能量发射模块的增益，二是给提供足够的驱动功率。方案论证：本题目要

23、求不能采用专用芯片和模块。能量发射模块功率上限为5W，需要较大功率的功放管，故选用方案二。 图3 采用分立元件的功率放大器3.3 AC/DC电路方案 AC/DC（Alternating Current/Direct Current）其作用是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电，这就是交流电的整流过程，整流电路主要由整流二极管组成。其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。整流电路有半波整流、全波整流、桥式整流。半波整流电路最为简单，但是性能较全波整流和桥式整流不好。桥式整流电路与全波整流电路相比，前者电源变压器五中

24、心抽头，结构简单，且伏安容量小。由此可大致得到以下三种滤波整流电路方案。方案一：采用半波整流滤波电路。半波整流电路是一种最简单的整流电路。它由电源变压器B 、整流二极管D 和负载电阻RL ，组成。变压器把市电电压（多为220伏）变换为所需要的交变电压e2，D 再把交流电变换为脉动直流电。如图4所示。方案二：采用全波整流电路。全波整流电路，可以看作是由两个半波整流电路组合成的。变压器次级线圈中间需要引出一个抽头，把次组线圈分成两个对称的绕组，从而引出大小相等但极性相反的两个电压e2a 、e2b ，构成e2a 、D1、RL与e2b 、D2、RL ，两个通电回路。如图5所示。 图4 半波整流滤波电路

25、 图5 全波整流滤波电路方案三：桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。这种电路，只要增加两只二极管口连接成“桥”式结构，便具有全波整流电路的优点，而同时在一定程度上克服了它的缺点。如图6所示。桥式整流电路的工作原理如下：e2为正半周时，对D1、D3和方向电压，D1，D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。电路中构成e2、D1、RL 、D3通电回路，在RL ，上形成上正下负的半波整洗电压，e2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。电路中构成e2、D2Rfz 、D4通电回路，同样在RL 上形成上正下负的另外半波的整流电压。 图6 桥式

26、整流电路方案论证：半波整流电路最为简单，但是性能较全波整流和桥式整流不好。桥式整流电路与全波整流电路相比，前者电源变压器五中心抽头，结构简单，且伏安容量小。综此比较，整流电路选择桥式整流电路。3.4 耦合线圈磁耦合谐振式无线能量传输是以时变磁场为媒介，当外加激励源的频率与系统的谐振频率相等时，谐振体耦合谐振实现能量传递达到最好状态。因此，两谐振体谐振频率相同，是实现系统耦合谐振的前提。耦合模理论，不计损耗情况下，具有相同谐振频率的谐振体之间可实现能量的完全交换；当 >> 时，即耦合能力远大于自身损耗的情况下，具有相同谐振频率的谐振体之间“强耦合”作用，可实现无线能量传输。耦合系数体

27、现了谐振体之间的耦合能力，对实现无线能量传输起到至关重要的作用。损耗系数在能量传输系统中的作用丝毫不逊于耦合系数，二者共同决定了系统的耦合程度。系统中损耗功率增加，则通过磁场从一端耦合到另一端的功率所占比重减小，因此，损耗系数的减小与耦合系数的增加均可以增大系统的耦合程度。3.4.1 线圈电感从几何形状看，线圈的种类繁多，如圆形线圈、方形线圈、环形线圈等。相对于其他几何形状的线圈，圆柱线圈具有的最大优势在于：每单位体积绕线所产生的磁场最大。对于采用密绕的圆柱单层螺旋线圈，导线采用电导率较大的铜芯漆包线，以减小线圈自身电阻。根据传输距离、功率的不同要求，采用不同尺寸的线圈。 密绕环形电感线圈的电

28、感可由下式计算：3.4.2 线圈互感磁耦合谐振式无线能量传输是多方位的能量传输，谐振体(谐振线圈)之间没有严格的方向对应关系，又线圈互感与线圈的尺寸、方位有关。 同轴平行的线圈之间的互感 图7中线圈模型的互感计算： 式中 N1,2 分别为线圈 1,2 的匝数；r1,2 分别为线圈1,2的半径；d 两线圈两轴线中心距离。图7 同轴平行的线圈模型3.4.3 传输系统的最佳频率范围两个谐振线圈的尺寸完全相同，谐振电容相等，且谐振线圈在同轴线上“强耦合”关系式：式中 真空磁导率，； 取铜导线的电导率 5.998×107S/m。中距离的无线能量传输，线圈半径 r 与传输距离 d 是同一数量级的

29、，线圈导线线径 D 为是 10-3m 数量级。因此，若要“强耦合”(>>)关系式成立，则系统的谐振频率 f 至少为 106Hz 上下。另一方面，磁耦合谐振无线能量传输系统是以时变磁场为传输媒介，不向外辐射电磁能，所以电磁波长远大于传输距离(>>d)。中距离无线能量传输的距离传输范围大体为几十厘米到几米，因此能量传输系统典型频率 f 范围为0.525MHz 最好。3.5 系统总设计无线供电系统由电源电路、高频振荡电路、高频功率放大电路、发射、接收线圈和高频整流滤波电路五部分组成。非接触供电系统框架如下图8和图9所示，最后给可充电电池充电。从无线电路传输的原理上看，电能、磁

30、能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播，要产生电磁波首先要有电磁振荡，电磁波的频率越高其向空间辐射能力的强度就越大，电磁振荡的频率至少要高于100KHZ，才有足够的电磁辐射。 图8 非接触供电系统框图 图9 非接触供电系统总原理图 说明：电源电路由5V的VDD（单级电器电源电压）和15V的VCC（双级电器电源电压）组成，充电电路为简单起见用两个普通发光二级管组成，此处不再赘述。4 方案实现与测试4.1 高频晶振振荡电路 图10 晶振震荡波形图由示波器可看出，振荡器输出频率为2.82MHz左右的方波信号。满足要求。4.2 高频功率放大器 图11 功率放大器波形图由示波器可看出输入信号

31、幅度为2.65V,输出信号幅度为7.564V，功率放大器设计符合要求。4.3 桥式整流电路 图12 次级电路、整流电路波形图4.4 总电路仿真 图13 次级电路、输出电路波形图电路中，电能经功率放大器放大，由变压器传送，经整流电路进行整流，最终到达发光二级管，Vo=2.192V>0.7V,使二极管发光，实现非接触式供电。4.5 实验结果及说明1.供电部分输入12v的直流电压，实现让两个接收部分的发光二极管发光，说明具有向多台电器设备非接触供电的功能，符合预期目标。2.如图4.6所示，初级：P1=7.546*4.42=33.353w 次级：P2=3.514*4.42=15.531w 转换效率：P1/P2=15.531/33.353=46.5