课程设计论文电子技术课程设计磁耦合谐振式无线电能传输装置

1、目录一、设计任务1二、方案论证1三、理论分析与计算23.1系统整体模块23.2 发射端谐振驱动电路23.3 接收端谐振电路23.3.1电路如下图所示23.4主要元器件参数计算23.5稳压部分原理23.6 控制与显示部分原理2四、测试结果与误差分析：24.1 硬件测试24.2测试数据24.3实物照片24.3软件测试24.4误差分析2五、结论2六、参考文献21 / 17一、设计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1-1电能无线传输装置结构框图要求：（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=0.

2、5A，输出直流电压U28 V，尽可能提高该无线电能传输装置的效率。（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。二、方案论证2.1驱动发射线圈电路方案一：采用集成发射芯片XKT408和T5336搭建发射驱动电路。无线充电/供电主控制芯片XKT-408A，采用CMOS制程工艺，具有精度高稳定性好等特点，其专门用于无线感应智能充电、供电管理系统中，可靠性能高。XKT-408A芯片负责处理该系统中的无线电能传输功能，采用电磁能量转换原理并配合接收部分做能量转换与电路的实时监控；负责

3、各项电池的快速充电智能控制，XKT-408A只需配合极少的外部元件就可以做成高可靠的无线快速充电器、无线电源供电。其主要特点为： 1.自动适应供电电压调节功能使之能够在较宽的电压下均能工作 2.自动频率锁定 3. 自动负检测负载 4. 自动功率控制 5.高速能量输电传送 6.高效电磁能量转换 7.智能检测系统，免调试 8.工作电压：DC 315V 9.工作频率：05MHZ 10.高度集成化，仅需几只普通外围元件由于题目要求为15V DC供电，而芯片的工作电压为315V，所有稍有操作不当很有可能损坏芯片。方案二：采用MOS管无稳态多谐振荡器，由两路MOS管，高频扼流圈和二极管组成对称的振荡器电路

4、，原理图如下所示：图2-1 MOS管无稳态多谐振荡电路图该方案电路简单明了，元器件少，并且操作起来简单。2.2 磁耦合谐振传输和接收电路方案一：电磁感应式传输方式电能传输电路的基本特征是原边与副边电路分离，通过磁场耦合感应联系。该电路的优点包括存在较大气隙，使得原副边无电接触，可实现无线传输，较大的气隙的存在使得系统构成的耦合关系属于松耦合，使得漏磁与激磁相当，甚至比激磁高。缺点包括传输距离短，实际上多在mm级。电磁感应方式传输控制不好，在其围的金属都会产生电磁感应消耗电源能量，另外还会使设备的线路感应发热，严重时会损坏设备。方案二：谐振耦合方式该方案是由麻省理工学院物理系，电子工程，计算机科

5、学系，以与军事纳米技术研究所得研究人员提出的。系统采用两个一样频率的谐振物体产生很强的相互耦合，能量在两物题间交互，利用线圈与放置两端的平板电容器共同组成谐振电路，实现能量的无线传输。该方式的优点包括。利用磁场通过近场传输，辐射小，具有方向性。中等距离传输，传输效率高。能量传输不受空间障碍物的影响。传输效果与频率与天线尺寸密切。缺点包括谐振耦合方式安全实现问题比较严重，要想更好的实现谐振耦合，需要传输频率在几兆到几百兆赫兹之间，而这一段频率又是产生谐振最困难的波段。其原理图如下所示：图2-2 谐振耦合式电能传输原理图方案三：无线电波式（辐射式）该方案类似于早期使用的矿石收音机，主要由微波发射装

6、置和微波接收装置组成，接收电路可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量，在随负载做出调整的同时保持稳定的直流电压。但其缺点有微波无线能量传输技术目前尚处于研发阶段，其技术优点是成本较低，技术瓶颈是效率太低，而且容易发热，损坏设备。2.3 整流滤波电路模块方案一：半波整流电路半波整流是指利用二极管的单向导电性进行整流，在输入为标准正弦波的情况下，输出获得正弦波的正半部分，负半部分则损失掉。其电路图如下所示图2-3 半波整流电路图半波整流电路虽然达到了整流的目的，但是负载电压与负载电流的大小随时间变化，并且半波整流是以牺牲一般交流为代价而换取整流效果的，电流利用率很低。方案二：桥式整流电路桥式整流是对二

7、极管半波整流的一种改进，桥式整流利用四个二极管两两对接，输入正弦波的正版部分得出正的输出；输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。桥式整流器对输入正弦波的利用效率比半波整流高了一倍。所以我们采用的是桥式整流。其电路图如下所示图2-4：桥式整流电路图2.4整流稳压模块由于在接受过程中，会受到周围环境的影响，所以如果直接利用单片机的AD 采集模块进行数据采集，由于单片机采集数据速度较快，会使得显示的数据不稳定，有很很大的漂移。所以我们在接收端添加了整流稳压电路，本次比赛我们采用线性可调稳压器LM317进行稳压，使得输出电压得以稳定，便于显示。2

8、.5显示控制模块方案一：选用AT89C51控制12864显示输出电压和电流，该方案的有利之处该单片机的使用相对成熟，网上有丰富的关于该单片机的资源，并且IO口操作简单，价格便宜等。但是如果这样控制模块就会显得很庞大，并且IO口不多，功耗大。方案二：选用TI公司的开发板msp430，该控制板执行速度和效率相对较高，并且功耗低，处理能力强，系统工作稳定，但是控制起来相对复杂。三、理论分析与计算3.1系统整体模块本系统整体采用磁耦合谐振式无线电能传输，主要方案选取了两个MOS管轮流导通，LC并联谐振，将直流电能转化成高频电磁波发射出去，接受端与发射端谐振匹配，最大限度接受高频电磁波，在经过后期的整流

9、稳压处理，通过单片机的控制可以在12864液晶上显示出来。整流稳压模块接收谐振模块发射谐振模块发射驱动模块无线传输通道显示控制模块显示模块图3-1系统整体方案图3.2 发射端谐振驱动电路图3-2发射部分整体电路原理分析：图中左半部分电位器R1实际是一个拨码开关，当开关合上时两个MOS管都被上拉电阻驱动，但此时的工作状态是暂稳态，并且在接通电源的瞬间，两个MOS并不是同时导通的，总会有一个接通的更快，另一个MOS管关闭。当导通的MOS管的栅极电压通过二极管驱动到零之后另一个MOS管被切断，谐振回路的电压会上升，当电压上升到某点后促使导通二极管的g极电压突变为0，然后MOS管由导通变为截止，同时另

10、一路MOS管开始工作。如此反复就形成交变电压。此时高频厄流电感充当电流源，一旦通过它的电压变成了交流，从而使电路中产生狡辩磁场。此时，电路的电流将被限制到一个恒定值。右半部分由电容和发射线圈组成LC谐振电路，所谓磁耦合谐振式无限能量传输就是利用两个具有一样谐振频率的线圈在相距一定的距离时，由于磁场耦合产生谐振，进行能量传输。耦合的效率决定了的代数和，并且与施感电流呈线性关系，是各施感电流独立产生的磁通链叠加的结果。设发射线圈和接收线圈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与周围

11、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。3.3 接收端谐振电路3.3.1电路如下图所示图3-3 接收端谐振回路由上述分析可知发射与接收电路的谐振频率是关键，其次就是发射与接收线圈的品质因数，品质因数越高，能量的损耗越小。需要注意的是要考虑趋肤效应，趋肤效应本质上是衰减电磁波向导体传播引起的效应，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，因此必须考虑趋肤效应对传输距离的影响。3.4主要元器件参数计算根据题目要求输入电压为15V，电流为1A左右，所以输入功率会大于15W，在综合考虑MOS管的工作电压和电流，此处我们采用的是IRF640，根据电路

12、参数整流二极管选用1N4148即可满足，其他类似的高速二极管也可满足。高频厄流电感采用的是470uH,此处可根据电路做适当调整。发射线圈选用高品质因数的铜线绕成的，这部分电路我们是采用改变电容值来改变谐振频率从而达到发射功率最大。同样，接收端也是通过改变电容值来调整谐振频率，从而与前级达到匹配。线圈的电感值大小可通过下面公式来计算：式中：N线圈匝数u0=（H/m）真空磁导率； R线圈半径（m）; a线圈导线半径（m）;谐振电路的固有频率计算公式为：为取得最大的接收功率，接收端选用同样参数的线圈和电容。在整个的实验过程中，发射端与接收端的电感与电容值的选取是最重要的，它们共同决定了传输电磁波的频

13、率，要想达到能量（功率）传输，我们应该选取电磁波频率较低的部分进行传输，但是要想令电磁波传输一定的距离，则需要电磁波的频率达到较高的部分进行传输，所以此次试验就需要我们自己根据题目要求来选取合适的电磁波频率即可。3.5稳压部分原理由于本实验采用线性可变稳压器集成片LM317，lm317可调稳压电路图:LM317是普通的可调集成稳压器，最大输出电流为2.2A，输出电压围为1.2537V。其稳压电路原理图如下：图3-4 稳压模块原理图1，2脚之间为1.25V电压基准。为保证稳压器的输出性能，R1应小于240欧姆。改变R2阻值即可调整稳压电压值。D1，D2用于保护LM317。计算公式为：Uo=(1+

14、R2/R1)*1.253.6 控制与显示部分原理因为控制电路仅仅用来显示输出电压和电流，所以可以直接用msp430的IO口驱动12864，再通过编程实现电压的采集和显示。这一模块基本没有外围电路。四、测试结果与误差分析4.1 硬件测试经过上述的理论分析与计算，按照设计出的原理图进行硬件焊接，并对电路进行一系列的调试。上电测试，利用直流稳压电源输出15V，加到发送端上，刚上电时，由于我们没有意识到，要想让自激式振荡电路起振，必须让电源同时瞬时加到电路中，才能让电路正常工作，害怕电路一瞬间加太大的的电压会引起瞬间大电流脉冲，烧坏MOS管，加电时直接接上电源较低电压，再慢慢往上升，可是，MOS管总会

15、出现一个管子很热，另一个不工作的状态。后来经过测试，总结，我们决定在MOS管前加一个拨码开关，来控制这个自激振荡电路可以起振，正常工作。在经过这个改正后我们将输出接在示波器上观察振荡波形。并通过LC谐振网络估计其振荡频率与实际输出波形的振荡频率相比较，发现两者基本相近。但是要想达到题目所给的要求，必须满足传输效率要较高，所以要达到发射与接受的匹配，在本次比赛中，我们为了要达到匹配，我们令发射部分与接受部分采用一样材质的漆包线绕制的20cm直径的发射接受线圈，为了达到题目对接受端电压，电流，功率的要求，我们经过多次绕制，按照一定的顺序，改善这电感值和品质因数，用1mm漆包线绕制10圈，,用1mm

16、漆包线绕制5圈，用1mm漆包线两匝并饶绕制2圈等多种线圈。最后，我们发现用无氧铜2mm漆包线绕制的20cm直径的发射接受线圈，且用两股并绕两圈的方式（此时其电感量经测量大约在2uH3uH之间，品质因数在3左右），可以达到较好的效果。但是在之前的分析中我们知道，要想让振荡电路发射端发射的功率达到最大，我们需要将谐振频率，调谐在电路固有频率上，经过多次改变与线圈并联的电容值，我们最后得到了发射端谐振频率与自激振荡固有频率，与接收端谐振频率基本谐振在同一个谐振频率上，使得接收端接受得到较平滑的正弦波，幅度也较大，满足题目要求，经过整流后，在滑动变阻器做负载的情况下，可得到超过8V的电压，电流基本可达

17、到0.5V，满足题目（1）的要求。同时当负载换成两个串联的1W LED灯的时候，距离可达到35cm左右的距离，满足题目（2）的要求。4.2测试数据表一、不同绕制方法测出的电感值电感绕制1mm1匝10圈1mm1匝4圈1mm1匝2圈1mm2匝2圈2mm2匝2圈电感值（uH）27.616.98.34.82.5线圈选定（选用2mm2匝2圈线圈）时电容值对输出的影响如下表：由于实际条件限制，我们采用多个一样参数并联的方式改变电容值。表二、固定电感，改变点容参数测量电容个数电容值（nF）10cm接收端输出电压值（V）10cm接收端输出电流值(A)直流稳压电源电流（A）直流稳压电源电压(V）5个682串联1

18、.361.320.0770.47152个682串联3.42.020.1190.54153个682并联20.44.870.2860.65155个682并联345.820.3420.70158个682并联54.46.150.3620.751510个682并联686.760.3970.78158个682和2个103并联74.47.230.4250.83156个682和4个103并联80.87.960.4680.87155个682和5个103并联848.540.5020.93154个682和6个103并联87.28.080.4750.8915表二中数据对应的折线图由图表中可以看出不论是输出电压还是输出

19、电流隋电容的变化都有一个尖峰时刻，而我们在实验当中的就是要寻找这个尖峰时刻对应的电容值。4.3实物照片整体电路实物图：直流稳压模块：降压模块：整流模块：接收端得到波形：4.3软件测试本实验通过MSP430单片机的AD模块采集输出电压，并送入12864液晶显示。初始，调节是，由于输出电压波动较大，不稳定，而单片机采样速度很大，所以将实时电压值均采集出来并显示，导致12864显示电压值始终在变化，为力解决这个问题，我们加入了稳压模块，采用LM317线性稳压芯片搭建了一个简单地稳压模块，再加以显示。显示部分的软件流程图：在发挥部分，我们可以做到用单片机控制，在12864液晶上简易显示输出电压和电流。4.4误差分析由于本实验过程中涉与频率较高，属于中高频信号，所以，受分布参数影响很大，绕电感线圈的方式，紧密程度，PCB布线等都会对信号的传输产生影响。所以计算出的数值与实际有较大的差距，这时有规律的调试就更加重要。五、结论本文对磁耦合谐振式无线能量传输进行了理论研究，主要工作如下：1) 研究了系统的构成与工作原理，利用耦合模公式和等效电路简历无线能量传输系统的理论模型；通过实验得到不同距离下传输功率、效率，验证了能量传输