一種基于單片機(jī)控制的諧振式能量無線傳輸系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種諧振式能量無線傳輸系統(tǒng)，尤其涉及的是一種基于單片機(jī)控制的 諧振式能量無線傳輸系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 所謂能量無線傳輸技術(shù)也稱無線充電技術(shù)，即不借助實(shí)物連線即可實(shí)現(xiàn)電能的無 線輸送。其優(yōu)點(diǎn)在于：方便、快捷、減少在苛刻條件下使用電纜帶來的危險(xiǎn)性等。對能量無 線傳輸技術(shù)的研究開始較早，早在1900年，尼古拉·特拉斯就開始無線電能傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)，經(jīng) 過一百多年的發(fā)展，關(guān)于能量無線傳輸?shù)姆椒ǘ喾N多樣，但基本原理大概可以分為以下三 種：電磁感應(yīng)式、無線電波式、諧振耦合式。
[0003] 諧振耦合式能量無線傳輸技術(shù)的非輻射性、高效率等優(yōu)點(diǎn)是其它能量無線充電技 術(shù)無法相比的。所謂諧振耦合式就是利用接收線圈的電感和并聯(lián)的電容形成共振回路，在 接收端也組成同樣共振頻率的接收回路，利用諧振形成的強(qiáng)磁耦合來實(shí)現(xiàn)高效率的無線電 能傳輸。該技術(shù)的出現(xiàn)引起了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的巨大興趣，被公認(rèn)為目前最具發(fā)展 前景的一種無線能量傳輸技術(shù)方案"。
[0004] 但目前基于諧振耦合式的能量無線傳輸技術(shù)的研究偏向理論化，缺乏對實(shí)際應(yīng)用 有定量指導(dǎo)意義的研究成果，同時(shí)此技術(shù)傳輸功率較小遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能完成大功率能量傳輸，也 存在著能量損失較高等缺陷。但毋庸置疑，諧振耦合式能量無線傳輸技術(shù)對充電設(shè)備位置 的靈活性及充電設(shè)備的高效匹配性具有重要的實(shí)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服現(xiàn)有的諧振式能量無線傳輸系統(tǒng)功能分工不明確、缺乏人性化和離線編 程功能、適應(yīng)性差的不足，本發(fā)明提供一種模塊化和人性化設(shè)計(jì)、功能完備、適應(yīng)性強(qiáng)的基 于單片機(jī)控制的諧振式能量無線傳輸系統(tǒng)。
[0006] 為了解決上述技術(shù)問題提供的技術(shù)方案為：
[0007] -種基于單片機(jī)控制的諧振式能量無線傳輸系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括輸入LC濾波模 塊、橋式串聯(lián)諧振模塊、LC并聯(lián)諧振模塊、不可控橋式整流模塊、輸出LC濾波模塊和控制器 模塊，所述輸入LC濾波模塊、橋式串聯(lián)諧振模塊和LC并聯(lián)諧振模塊依次連接形成無線能 量發(fā)射端，不可控橋式整流模塊與輸出LC濾波模塊連接形成無線能量接收端，所述LC并 聯(lián)諧振模塊的感應(yīng)線圈與不可控橋式整流模塊的感應(yīng)線圈配合，所述輸入LC濾波模塊與 所述控制器模塊的電流采集端連接，所述控制器模塊的控制端與所述橋式串聯(lián)諧振模塊連 接；所述控制器模塊包括用于通過調(diào)節(jié)橋式串聯(lián)諧振模塊的諧振頻率保證采集到的輸入電 流穩(wěn)定在設(shè)定范圍的能量傳輸控制單元。
[0008] 進(jìn)一步，所述系統(tǒng)還包括輔助電源模塊，所述控制器模塊與所述輔助電源模塊連 接。
[0009] 再進(jìn)一步，所述系統(tǒng)還包括人機(jī)交互模塊，所述人機(jī)交互模塊與所述控制模塊連 接。所述人機(jī)交互模塊也同時(shí)與所述輔助電源模塊連接。
[0010] 所述人機(jī)交互模塊包括按鍵離線設(shè)定模塊和液晶實(shí)時(shí)顯示模塊兩部分，該模塊可 以實(shí)現(xiàn)離線編程功能。
[0011] 本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：模塊化和人性化設(shè)計(jì)，功能完備，適應(yīng)性強(qiáng)。
【附圖說明】
[0012] 圖1為基于單片機(jī)控制的諧振式能量無線傳輸系統(tǒng)的系統(tǒng)組成框圖。
[0013] 圖2為基于單片機(jī)控制的諧振式能量無線傳輸系統(tǒng)的電路連線示意圖。
[0014] 圖3為基于單片機(jī)控制的諧振式能量無線傳輸系統(tǒng)的控制器框圖。
[0015] 圖4為基于單片機(jī)控制的諧振式能量無線傳輸系統(tǒng)的控制模塊流程圖，其中，（a) 為控制主程序的流程，（b)所示為定時(shí)器中斷服務(wù)程序的流程。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0017] 參照圖1~圖4, 一種基于單片機(jī)控制的諧振式能量無線傳輸系統(tǒng)，包括輸入LC濾 波模塊1、橋式串聯(lián)諧振模塊2、LC并聯(lián)諧振模塊3、不可控橋式整流模塊4、輸出LC濾波模 塊5、負(fù)載模塊6、控制器模塊7、人機(jī)交互模塊8和輔助電源模塊9。
[0018] 所述輔助電源模塊9為控制器模塊和人機(jī)交互模塊提供穩(wěn)定的電壓供應(yīng)；所述輸 入LC濾波模塊、橋式串聯(lián)諧振模塊、LC并聯(lián)諧振模塊屬于能量無線發(fā)送端的模塊；所述不 可控橋式整流模塊、輸出LC濾波模塊、負(fù)載模塊屬于能量無線接受端的模塊；所述控制器 模塊7通過保證采集到的輸入電流始終穩(wěn)定在設(shè)定的范圍內(nèi)，來調(diào)整橋式串聯(lián)諧振模塊的 諧振頻率，以此實(shí)現(xiàn)最大效率的能量傳輸；所述人機(jī)交互模塊包括按鍵離線設(shè)定模塊和液 晶實(shí)時(shí)顯示模塊兩部分，該模塊可以實(shí)現(xiàn)離線編程功能。
[0019] 所述輔助電源模塊可以輸出兩路獨(dú)立的3. 3V電源，一路3. 3V電源保證控制器正 常工作；另一路3. 3V電源為人機(jī)交互模塊供電。
[0020] 所述輸入LC濾波模塊的電感L1取值為500 μ H，電容C i取值為2200 μ F。
[0021] 所述橋式串聯(lián)諧振模塊由H全橋電路和LC串聯(lián)電路組成，其諧振頻率的計(jì)算公式 為：
《其中，H全橋電路的MOSFET型號為：IRF3205 ;LC串聯(lián)電路的電感1^ 取值為10 μΗ，電容C1取值為50nF，即諧振頻率為225KHZ。其中，電感L 絲包線繞制而 成，該絲包線規(guī)格為：〇. Immx600股；電容為CBB電容。
[0022] 所述LC并聯(lián)諧振模塊的電感L2取值為10 μ H，電容C 2取值為50nF。其中，電感L i 由絲包線繞制而成，該絲包線規(guī)格為：0.1 mmx600股；電容為CBB電容。
[0023] 所述不可控橋式整流模塊的二極管型號為：SR5100,該二極管耐壓值為100V，可 以保證輸出較大的輸出電壓。
[0024] 所述輸出LC濾波模塊的電感L。取值為500 μ H，電容C。取值為470 μ F。
[0025] 所述控制器模塊的32位單片機(jī)型號為：MK60DN512ZVLQ104N30D。
[0026] 所述人機(jī)交互模塊由按鍵離線設(shè)定模塊和液晶顯示模塊共同組成。在離線環(huán)境 下，按鍵設(shè)定模塊可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整諧振頻率的大小，從而大大提升了系統(tǒng)的適應(yīng)性。
[0027] 圖2為本發(fā)明的電路連線示意圖，圖中給出了各個(gè)模塊的電路連接情況。其中，能 量發(fā)射部分采用橋式串聯(lián)諧振電路，L1為發(fā)射線圈；能量接收部分采用并聯(lián)諧振和不可控 橋式整流電路，L2為接收線圈。能量無線傳輸控制器通過電流檢測單元檢測輸入電流信號 Vseni，經(jīng)處理得到Vgel信號，再由控制器根據(jù)V gel信號生成控制MOSFET的M PM2UP M 4的控 制信號Vgp和V ap，MOS管驅(qū)動(dòng)單元將控制信號Vgp和V ap轉(zhuǎn)換成MOSFET的M η M2、MjP M 4的 驅(qū)動(dòng)信號Vgl、Vg2、Vg3和V g4，驅(qū)動(dòng)信號Vgl、Vg2、Vg3和V g4直接控制MOS管V gl、Vg2、Vg3和V g4的 開關(guān)工作狀態(tài)。
[0028] 本發(fā)明的能量無線傳輸控制器通過設(shè)定MOSFET的M1J2J 3和M 4的占空比可實(shí)現(xiàn) 工作效率最大或者維持輸入電流恒定且小于1A，因此具有2大模式控制功能：（1)最大工作 效率；（2)保持輸入電流恒定且小于1A。
[0029] 圖3為本發(fā)明的控制器框圖。根據(jù)該圖所示，我們可以更直觀地了解控制器的工 作過程：首先通過A/D 口檢測輸入電流信號Vsl，接著根據(jù)采集的信號，給出H橋的輸入信號 Vgp和V ap，這兩路PWM信號則作用于H全橋電路的四路M0SFET。因此，通過改變PffM的大小， 即可直接控制諧振頻率的大小。
[0030] 圖4(a)為本發(fā)明的控制主程序的流程。主程序首先進(jìn)行液晶初始化；接著初始 化FTMO的FTM_CH1和FTM_CH2通道，使輸出兩路互補(bǔ)帶死區(qū)的PffM波；其次配置ADC0_ SE15 (PTCl)作為A/D采樣通道；然后進(jìn)行定時(shí)器中斷配置，使能定時(shí)器中斷；最后進(jìn)入循 環(huán)，等待定時(shí)器中斷。
[0031] 圖4(b)所示為定時(shí)器中斷服務(wù)程序的流程。進(jìn)入定時(shí)器PITO中斷服務(wù)程序后， 首先判斷PITO是否進(jìn)入中斷，如果沒有進(jìn)入，則中斷返回；如果進(jìn)入，則清中斷標(biāo)志位，保 存輸入電流IN_I，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算公式如（2-1)所示。接著，判斷second_flag和 gpio_get(PTA8)的值，如果second_flag為1或者gpio_get(PTA8)為0,則對輸入電流進(jìn) 行增量式PID調(diào)節(jié)，使其維持在IA以下；否則，F(xiàn)TMO的FTM_CH1和FTM_CH2通道輸出固定 30%占空比的PffM波。最后，中斷返回。
[0032] 1=111^3.3/(25.6^0.025^255.0) (1-1)
[0033] 式（1-1)中IN_I為輸入電流的采樣值，I1為經(jīng)過折算后的實(shí)際輸入電流，3. 3為 A/D 口輸入允許的最大電壓值（其對應(yīng)的8位A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字量為255. 0)，25. 6是把電流信 號轉(zhuǎn)換成電壓信號后放大的倍數(shù)（為保證A/D 口采集到的電壓小于3. 3V)，0. 0025為把電 流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號的采樣電阻值。
[0034] 定時(shí)器中斷服務(wù)程序中主要的變量如表1所示。
[0036]表1〇
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于單片機(jī)控制的諧振式能量無線傳輸系統(tǒng)，其特征在于：所述系統(tǒng)包括輸入 LC濾波模塊、橋式串聯(lián)諧振模塊、LC并聯(lián)諧振模塊、不可控橋式整流模塊、輸出LC濾波模塊 和控制器模塊，所述輸入LC濾波模塊、橋式串聯(lián)諧振模塊和LC并聯(lián)諧振模塊依次連接形成 無線能量發(fā)射端，不可控橋式整流模塊與輸出LC濾波模塊連接形成無線能量接收端，所述 LC并聯(lián)諧振模塊的感應(yīng)線圈與不可控橋式整流模塊的感應(yīng)線圈配合，所述輸入LC濾波模 塊與所述控制器模塊的電流采集端連接，所述控制器模塊的控制端與所述橋式串聯(lián)諧振模 塊連接；所述控制器模塊包括用于通過調(diào)節(jié)橋式串聯(lián)諧振模塊的諧振頻率保證采集到的輸 入電流穩(wěn)定在設(shè)定范圍的能量傳輸控制單元。2. 如權(quán)利要求1所述的基于單片機(jī)控制的諧振式能量無線傳輸系統(tǒng)，其特征在于：所 述系統(tǒng)還包括輔助電源模塊，所述控制器模塊與所述輔助電源模塊連接。3. 如權(quán)利要求1或2所述的基于單片機(jī)控制的諧振式能量無線傳輸系統(tǒng)，其特征在于： 所述系統(tǒng)還包括人機(jī)交互模塊，所述人機(jī)交互模塊與所述控制模塊連接。4. 如權(quán)利要求3所述的基于單片機(jī)控制的諧振式能量無線傳輸系統(tǒng)，其特征在于：所 述人機(jī)交互模塊包括按鍵離線設(shè)定模塊和液晶實(shí)時(shí)顯示模塊。
【專利摘要】一種基于單片機(jī)控制的諧振式能量無線傳輸系統(tǒng)，包括輸入LC濾波模塊、橋式串聯(lián)諧振模塊、LC并聯(lián)諧振模塊、不可控橋式整流模塊、輸出LC濾波模塊和控制器模塊，輸入LC濾波模塊、橋式串聯(lián)諧振模塊和LC并聯(lián)諧振模塊依次連接形成無線能量發(fā)射端，不可控橋式整流模塊與輸出LC濾波模塊連接形成無線能量接收端，LC并聯(lián)諧振模塊的感應(yīng)線圈與不可控橋式整流模塊的感應(yīng)線圈配合，輸入LC濾波模塊與控制器模塊的電流采集端連接，控制器模塊的控制端與橋式串聯(lián)諧振模塊連接；控制器模塊包括用于通過調(diào)節(jié)橋式串聯(lián)諧振模塊的諧振頻率保證采集到的輸入電流穩(wěn)定在設(shè)定范圍的能量傳輸控制單元。本發(fā)明模塊化和人性化設(shè)計(jì)、功能完備、適應(yīng)性強(qiáng)。
【IPC分類】H02J17/00
【公開號】CN105226838
【申請?zhí)枴緾N201510733882
【發(fā)明人】俞立, 何勝權(quán), 陳先坐, 劉安東, 張文安
【申請人】浙江工業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年1月6日
【申請日】2015年11月2日