无线电能传输设计

自动化专业综合实践报告姓名：朱成成学号：1262510134班级：自动化一班指导老师：黄国铭完成时间：2014年12月9日河海大学物联网工程学院5287摘要 178981.绪论 2241771.1设计背景 396741.1.1无线电能传输简介 469941.1.2国内外发展现状及分析 6323031.2任务要求内容 660692系统总体设计 5102622.1系统结构定义 5111522.2模块设计与分析 7253062.2.1驱动模块 7213382.2.2信号发生模块 8294222.2.3降压模块 10294222.2.4电感线圈制作模块 10257092.2.5整流滤波模块设计 112.2.6负载模块设计25709 13203073.硬件设计 16276943.1发射部分 1821073.2接收部分 2021073.3整体电路的调试 22203074.整体连接实物图 2419908结束语 2530841参考文献 27无线电能传输设计摘要电能给人类带来巨大的发展，然而错综复杂的输电线分布在生活的各个角落，给人们带来极大的不便，因此人类一直有摆脱电线的束缚实现电能无线传输的梦想。无线电能传输是通过电磁波进行电力传输，从而省去电源线和插座的一种新型电源。本设计的无线电能传输系统采用电磁感应方式，充分结合了磁耦合技术和开关电源技术。系统分为无线发射部分和接收部分，在15V电源供电下，9cm距离耦合时效率达到了67%，输出功率1.16W。整个电路结构简单，工作稳定，经过检验在18cm范围内能够点亮发光二极管，达到了实际应用水平。【关键词】无线电能；电磁感应；耦合效率；开关电源ThedesignofawirelesspowertransmissionsystemAbstractEnormouspowertothehumandevelopment,howevercomplextransmissionlinelocatedineverycorneroflife,causegreatinconveniencetopeople,sohumanshavehadtogetridoftheshacklesofwirestorealizethedreamofwirelesspowertransmission.Thewirelesspowerisakindofpowersupplythatuseselectromagneticwavetotransmitenergy,whichcaneconomizetheuseofpowercordandplugheads.Thispaperintroducesanelectromagneticinductionwirelesscharger.It’scombinedwithmagneticcouplingandswitchingpowertechnology.Thesystemcandivideintowirelesstransmitpartandreceivepart.Systemefficiencyreaches67percentwith1.16Woutputpowerwhensupplyvoltageis12Vandtransmissiondistanceis9cm.Testshowsthatthecircuitstructureissimpleandcanworkstable.Andthe4light-emittingdiodescanbelightedintherangeof18cm.KeyWords:WirelessPower,ElectromagneticInduction,Magneticcoupling,SwitchingPowerSupply1.绪论1.1设计背景无线电波对信息的传输开创了人类通信的新纪元。而一切无线电技术都基于能源供给，因此电能的无线传输技术将开辟人类能源的另一个新时代，也将会孕育出众多只出现在科幻小说中的新事物新应用，其给大众带来的意义与影响也非同凡响。无线电能传输简介“无线电能传输”是利用一种特殊设备将电源的电能转变为可无线传播的能量，在接受端又将此次能量转变回电能，从而达到对用电器的无线供电。现在已经问世的无线供电技术，根据其电能传输原理，大致上可以分为三类：第一类是非接触式充电技术所采用的电磁感应原理，这种非接触式充电技术在许多便携式终端里应用日益广泛。这种类型中，将两个线圈放置于邻近位置上，当电流在一个线圈中流动时，所产生的磁通量成为媒介，导致另一个线圈中也产生电动势。第二类是最接近实际应用的一种技术，它直接应用了电磁波能量可以通过天线发送和接收的原理。这和100年前的收音机原理基本相同：直接在整流电路中将电波的交流波形变换成直流后加以利用，但不使用放大电路等。同以前相比，这种技术的效率得到提高，并正在推动厂商将其投入实际应用。第三类是利用电磁场的谐振方法。谐振技术在电子领域应用广泛，但是，在供电技术中应用的不是电磁波或者电流，而只是利用电场或者磁场。2006年11月，美国麻省理工学院(MIT)物理系助理教授MarinSoljacic的研究小组全球首次宣布了将电场或者磁场应用于供电技术的可能性。国内外发展现状及分析上世纪90年代，麻省理工学院首先制作出了第一个无线电能传输装置，该装置距离2米勉强能点亮60瓦的灯泡，2008年12月7日，无线充电联盟成立，标志着无线电能传输进入一个实质性的应用环节。在我国国内，海尔率先推出了“无尾电视”，利用了无线电能传输技术。在笔记本电脑领域，戴尔LATITUDEZ系列电脑第一个利用了无线充电技术。之后，我国深圳高倚盛生产出了无线充电的手机，雪铁龙研发出了无线电能传输充电的汽车等等，领域之多，范围之广，是超出人们的预期的1.2任务要求内容（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，接收端输出直流电流I2=0.5A，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。（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1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。（3）其他自主发挥2.系统设计2.1系统总体设计本次设计是运用特斯拉线圈，利用谐振原理，耦合原理，设计一个简单的无线电能传输装置，尽可能利用单片机产生方波，调整电路，使之达到最优化，效果最好。2.1.1系统结构定义系统结构图该装置包括两大部分，发射部分和接收部分。在发射部分中，又分为信号发生电路模块，驱动电路模块，发射线圈，有必要的还需要功放模块。接收部分分为接收线圈，整流滤波电路模块，负载。发射模块中信号发生电路产生占空比可调的方波，经驱动电路提高其驱动能力后，再通过发射线圈把能量发射出去。2.2无线电能传输装置的设计与分析2.2.1电路驱动模块驱动电路原理图如果仅仅以信号发生电路输出的方波驱动后面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。本系统采用专用高低端驱动芯片IR2110构成后级功放驱动电路。如上图所示。IR2110的结构特点R2110采用HVIC和闩锁抗干扰CMOS工艺制造，DIP14脚封装。该器件具有独立的低端和高端输入通道。其悬浮电源采用自举电路，高端工作电压可达500V，dV／dt=±50Wns，15V下的静态功耗仅116mW。IR2110的输出端f脚3，即功率器件的栅极驱动电压)电压范围为10～20V，逻辑电源电压范围(脚9)为5～15V，可方便地与TTL、CMOS电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地之间允许有±5V的偏移量。此外，该器件的工作频率可达500kHz，而且开通、关断延迟小(分别为120ns和94ns)，图腾柱输出峰值电流为2A。IR2110的内部功能框图如图1所示。由图可见，它由逻辑输入、电平平移及输出保护三个部分组成。IR2110可以为装置的设计带来许多方便，尤其是高端悬浮自举电源的成功设计，可以大大减少驱动电源的数目。自举元器件的选择图2所示是基于IR2110的半桥驱动电路。其中的自举二极管VD1和电容C1是IR2110在大功率脉宽调制放大器应用时需要严格挑的元器件，应根据一定的规则进行计算分析。在电路实验时，还要进行一些调整，以使电路工作在最佳状态。自举电容的设计IGBT和PM(POWERMOSFET)具有相似的门极特性，它们在开通时都需要在极短的时间内向门极提供足够的栅电荷。假定在器件开通后，自举电容两端的电压比器件充分导通所需要的电压(10V，高压侧锁定电压为8.7／8.3V)要高，而且在自举电容充电路径上有1.5V的压降(包括VD1的正向压降)，同时假定有1／2的栅电压(栅极门槛电压VTH通常3～5V)因泄漏电流引起电压降。那么，此时对应的自举电容可用下式表示：例如IRF2807充分导通时所需要的栅电荷Qg为160nC(可由IRF2807电特性表查得)，Vcc为15V，那么有：这样C1约为0.1μF，设计中即可选取C1为0.22μF或更大，且耐压大于35V的CBB电容。2.2.2信号发生模块方案1：运用51单片机产生PWM纹波编程如下：#include<reg51.h>//51内核的单片机的头文件#defineucharunsignedchar#defineCLOCKP1.0voiddelay_ms(ucharms)//延时函数{uchari,j;for(i=ms;ms>0;i--)for(j=0;j<110;j++)}voidmain()//主函数{while(1){CLOCK=0;//P1.0输出低电平delay_ms(50);//延时CLOCK=1;//P1.0输出高电平delay_ms(50);//延时}}软件程序烧写：本次设计单片机开发软件利用的是keil软件。烧录软件是PZ-ISPV1.48软件。KeilC51集成开发环境主要由菜单栏、工具栏、源文件编辑窗口、工程窗口和输出窗口五部分组成。工具栏为一组快捷工具图标，主要包括基本文件工具栏、建造工具栏和调试工具栏，基本文件工具栏包括新建、打开、拷贝、粘贴等基本操作。建造工具栏主要包括文件编译、目标文件编译连接、所有目标文件编译连接、目标选项和一个目标选择窗口。调试工具栏位于最后，主要包括一些仿真调试源程序的基本操作，如单步、复位、全速运行等。在工具栏下面，默认有三个窗口。左边的工程窗口包含一个工程的目标（target）、组（group）和项目文件。右边为源文件编辑窗口，编辑窗口实质上就是一个文件编辑器，我们可以在这里对源文件进行编辑、修改、粘贴等。下边的为输出窗口，源文件编译之后的结果显示在输出窗口中，会出现通过或错误（包括错误类型及行号）的提示。如果通过则会生成“HEX”格式的目标文件，用于仿真或烧录芯片。MCS-51单片机软件KeilC51开发过程为：1.建立一个工程项目，选择芯片，确定选项2.建立汇编源文件或C源文件3.用项目管理器生成各种应用文件4.检查并修改源文件中的错误5.编译连接通过后进行软件模拟仿真或硬件在线仿真6.编程操作7.应用下面是程序写入和烧录：方案2：运用NE555产生方波NE555方波发生电路原理图在振荡信号电路设计部分，可以采用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多谐振荡器，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。由555定时器构成的多谐振荡器如图所示，R1，R2和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚）和低电平触发端（2脚）并接后接到R2和C的连接处，将放电端（7脚）接到R1，R2的连接处。由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压为低电平，小于（1/3）Vcc，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出u0为高电平，放电管VT截止。这时，电源经R1，R2对电容C充电，使电压uc按指数规律上升，当uc上升到（2/3）Vcc时，输出u0为低电平，放电管VT导通，把uc从（1/3）Vcc上升到（2/3）Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关。充电时间常数T充=（R1＋R2）C。不难理解，接通电源后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。电路一旦起振后，uc电压总是在（1/3～2/3）Vcc之间变化。555电路要求R1与R2均应不小于1KΩ，但两者之和应不大于3.3MΩ。外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。因此，这种形式的多谐振荡器应用很广。(1)暂稳态I(O~tl):电容C充电,充电回路为VDD→R1→R2→C→地,充电时间常数为为τ1=(R1+R2)C,电容C上的电压uc随时间t按指数规律上升,此阶段内输出电压uo稳定在高电平.(2)自动翻转I(t=tl):当电容上的电压uc上升到了VDD时,由于555定时器内S=0,R=1,使触发器状态Q由1变为0,由0变成1,输出电压uo由高电平跳变为低电平,电容C中止充电.(3)暂稳态Ⅱ(t1~t2):由于此刻==1,因此放电管V饱和导通,电容C放电,放电回路为C→R2→放电管V→地,放电时间常数τ2=R2C(忽略V管的饱和电阻),电容电压uc按指数规律下降,同时使输出维持在低电平上。(4)自动翻转Ⅱ(t=t2):当电容上的电压uc下降到了VDD时,由于555定时器内S=1,R=0,使触发器状态Q由0变为1,由1变成0,输出电压uo由低电平跳变到高电平,电容C中止放电.由于=0,放电管截止,电容C又开始充电,进入暂稳态I.以后,电路重复上述过程,电路没有稳态,只有两个暂稳态,它们交替变化,输出连续的矩形波脉冲信号。2.2.3降压模块本次设计中共有两次降压，第一个是220V交流变15V直流，第二个是15V直流变5V直流模块，前者，我们采用了开关电源技术。后者采用了变压模块。开关电源及内部图使用前的注意事项1)确认已按使用说明书的要求正确连接电源输入输出引脚和控制信号的引脚。2)在电源的输入端必须安装额定电流适度、符合安规要求的熔断器保险丝，以确保电源安全工作。3)电源属于元器件，安装和使用必须经专业设计人员进行前期应用设计。4)如果出级供电电源属于危险电压，绝缘与接地必须符合GB4943-2001的相关规定。5)电源输出属于危险能量，确保终端用户不能直接接触。电源部件的温度是影响MTBF的最重要因素，要提高块电源的可靠性，解决电源的散热设计是非常重要的。在电源规定的温度范围内工作，可以保证电源的各项技术指标，如果超出允许的温度范围，可能会引起电源的某些指标不能达到要求。甚至引起电源的寿命缩短乃至损坏。当需要电源在超出规定温度上限工作时，建议采用降额使用法。电源在工作时会消耗一部分功率，并以热量的形式释放出来，所以用户在进行系统设计时（尤其是封闭的系统）应考虑电源散热问题。如果系统能形成良好的自然对流风道，且电源位于风道上，可以考虑选择自然冷却的电源；如果系统通风较差，或系统内部温度较高，可以考虑风冷的电源。15V直流变5V直流模块IN+

输入正极

IN-输入负极，OUT+输出正极

OUT-输出负极输入电压范围：直流4.5V至60V(输入的电压必须比要输出的电压高1.5V以上。不能升压)输出电压范围：直流3V至40V电压连续可调，高效率(最大92%)最大输出电流为3A。2.2.4电感线圈绕制模块在本次的实践中，我们采用的并联谐振。并联谐振电路由电感线圈和电容器并联组成。下图为并联谐振电路的模型，其中R和L分别为电感线圈的电阻和电感，C为电容器的电容。并联谐振的条件：由图可得电路的复导纳为：并联谐振时，端口电压与电流同相，此时电路表现为纯阻性，电路的电纳为零，即复导纳的虚部为零，则并联谐振的条件为：即：在实际电路中，由于均满足Q远大于1的条件即ω0L远大于R，上式可化简为：所以Q远大于1时，并联谐振电路发生谐振时的角频率和频率分别为：调节L、C的参数值，或该变电源频率，均可发生谐振。2.2.5整流滤波模块1：整流为了提高整流效率，使交流电的正负半周信号都被利用，则应采用全波整流，现以全波桥式整流为例，其电路和相应的波形如图所示。若输入交流电为则经桥式整流后的输出电压u0(t)为（一个周期）其相应直流平均值为由此可见，桥式整流后的直流电压脉动大大减少，平均电压比半波整流提高了一倍（忽略整流内阻时）。2：滤波经过整流后的电压（电流）仍然是有“脉动”的直流电，为了减少被波动，通常要加滤波器，本次设计采用电容滤波。电容滤波器是利用电容充电和放电来使脉动的直流电变成平稳的直流电。我们已经知道电容器的充、放电原理。图所示为电容滤波器在带负载电阻后的工作情况。设在t0时刻接通电源，整流元件的正向电阻很小，可略去不计，在t=t1时，UC达到峰值为。此后Ui以正弦规律下降直到t2时刻，二极管D不再导电，电容开始放电，UC缓慢下降，一直到下一个周期。电压Ui上升到和UC相等时，即t3以后，二极管D又开始导通，电容充电，直到t4。在这以后，二极管D又截止，UC又按上述规律下降，如此周而复始，形成了周期性的电容器充电放电过程。在这个过程中，二极管D并不是在整个半周内都导通的，从图上可以看到二极管D只在t3到t4段内导通并向电容器充电。由于电容器的电压不能突变，故在这一小段时间内，它可以被看成是一个反电动势（类似蓄电池）。由电容两端的电压不能突变的特点，达到输出波形趋于平滑的目的。经过滤波，如下图所示：忽略内阻时的输出波形2.2.4负载模块在本次设计中，按照任务要求，我们选用了1只功率为1w的LED灯。3.硬件设计3.1发射部分硬件制作发射部分整体电路原理图发射部分整体电路的PCB版图发射部分完整实物图3.2接收部分硬件制作接收部分整体电路原理图接收部分整体电路PCB版图接收部分完整实物图3.3整体电路的调试当发射线圈与接收线圈之间的距离发生变化时,磁场强