基于单片机的简易无线能量传输系统的实现

杨 辉，邬静阳，胡文山

（1.武汉大学 动力与机械学院，武汉 430072；2.总装工程兵装备论证试验研究所，北京 100093）

随着第二次工业革命开启了人类电气化时代，电能的应用无处不在，目前电能主要采用有线方式进行传输，这种传输方式存在诸如滑动磨擦、接触火花和不安全裸露导体等弊端。生活中出现的问题，诸如家中过多的电线插座带来的烦恼，以及如何对植入式医疗设备进行长期供电等，使得电能的无线传输成为迫切需求。

现有无线能量传输技术主要可以分为以下3类[1]：电磁辐射技术、电磁感应耦合技术、电磁耦合共振技术。磁耦合共振式无线能量传输系统，较感应式和辐射式有独特的优势。共振式磁耦合可以在几米的距离内发生，而不需要增强磁场强度，且理论上发射源可同时给多个在有效区域内的接收装置供电，而其它非此特定谐振频率的系统则不易受影响。磁共振式传输将能量从发射端传输到接收端时，就像是一个空间的短路，如同隧道效应，能量从损耗最低的路径传输，可大大提高传输效率。

在国外，2007年MIT研究小组使用2个直径为60 cm的铜线圈，通过调整发射频率使2个线圈在10 MHz产生共振，成功点亮距离电力发射端 2 m以外的一盏60 W灯泡，效率在40%左右[2]。在国内，哈尔滨工业大学团队自2008年开始，对磁耦合共振式无线能量传输技术做了很多基础研究，文献[3]中采用电路理论及电磁场理论对中频谐振系统的电路拓扑进行了分析，得出了接收端电流最大的条件，实验采用集中参数元件构成共振体，能在70 cm传输距离下实现23 W的能量传输。

本文从磁耦合共振式无线能量传输系统工作原理着手，采用STC90C52AD单片机芯片作为主控芯片，对其硬件电路进行设计，并在实验室搭建实际电路以验证此方案设计的可行性。

1 磁耦合共振式无线能量传输系统的工作原理

本文主要采用传统的电路理论对系统进行建模。一个完整的共振耦合系统，除了2个谐振线圈外还必须有发射功率源和接收功率设备。高频信号发生器和高频功率放大电路一起构成了高频功率源，即本文需要设计的高频电源。相隔一定距离的2个空心线圈L1、L2分别为发射线圈和接收线圈，C1和C2分别为大小相同的2个电容，配合2个空心线圈一起构成谐振电路。M表示两线圈间的相互耦合。当两线圈所在电路的谐振频率十分接近时，两线圈的磁场强烈耦合产生共振，从而实现能量的高效传输。磁耦合共振式无线能量传输系统的示意图如图1所示。其电路模型如图2所示。

图1 磁耦合共振式无线能量传输系统示意图Fig.1 System sketch diagram of MCR-WPT

图2 磁耦合共振式无线能量传输电路模型Fig.2 Circuit model of MCR-WPT

根据图2使用相量法，建立系统的频域方程。令发射端线圈电流为Is，接收端线圈电流为Id，则：

据KVL定律得到：

式中：M 为线圈之间的互感。 由式（3）、式（4）联立解出：

令发射端的输入功率为Ps，接收端负载消耗功率为 Pd，则：

因此可以得出传输效率：

2 系统的硬件电路设计

2.1 系统的总体结构设计

整个系统由发射端的高频信号发生电路、控制信号处理电路、功率放大电路、全桥逆变电路，以及接收端整流电路和发射端线圈、接收端线圈组成。采用STC90C52AD芯片作为主控芯片，此芯片为89系列单片机的升级版，抗干扰、低功耗性能更佳，且其内置8路10位高速A/D转换器，降低硬件电路设计复杂度。通过90C52AD单片机控制高频信号发生电路产生所需高频信号，输入到控制信号处理电路，对其进行隔离、整形，再经过功率放大电路，进行全桥逆变把高频直流变成高频交流电能，从而使原边线圈产生高频交变磁场，作用于副边线圈，副边线圈电流再经过整流电路得到所需直流。系统各环节关系图如图3所示。

2.2 高频信号发生电路

无线能量传输系统的高频电源的频率应该稳定、可调、范围广、且简单经济。综合以上要求，选用基于DDS的信号发生器方案。DDS采用全数字的频率合成方法，采用其设计的信号发生器具有极高的频率分辨率和精确度，并具有频率切换速度快、相位噪声低、频率切换时相位连续等优点，能克服传统模拟信号源的缺点和不足。

图3 系统各环节关系图Fig.3 Section relation schema of system

DDS的基本结构如图4所示。相位累加器的输出即为波形存储器的地址，通过改变相位增量即可以改变DDS的输出频率值。

图4 DDS基本原理示意图Fig.4 Basic principle sketch diagram of DDS

系统设计中使用AD9850集成芯片的DDS模块，采用5 V供电，125 MHz的参考晶振源，AD9850拥有32位相位控制字，可以实现0.0291 Hz的步进调频，最高输出频率可达62.5 MHz[4]，满足系统设计要求，且其频率输出相当稳定，将上述正弦波输入AD9850内部集成比较器即可得到实验所需的方波。方波的频率可由90C52AD单片机配合按键进行控制。

2.3 控制信号处理电路

控制信号处理电路主要实现隔离、整形、差分功能，方波信号首先通过光耦合器，以隔离后面的高压逆变电路对前面信号发生电路的冲击和干扰，同时也起到一定的整形作用。由于输入为单路方波信号，而全桥逆变需要2对反相互补的控制信号。因此本设计采用常用于通信中单端信号转差分信号的SN75174芯片进行双路差分处理得到4路输出，输出信号接上拉电阻进行死区控制。考虑到一般的CMOS集成器件普遍表现为低通滤波特性，使得高频信号通过时，上升沿和下降沿变缓，以致波形畸变，因此使用施密特触发器对频率信号进行处理。达到整形目的同时，也增强信号的驱动能力。其流程如图5所示。

图5 控制信号处理电路工作流程框图Fig.5 Control signal process circuit block diagram

2.4 功率放大电路

功率变换电路采用高压驱动器IR2110。IR2110是双通道高压、高速电压型功率开关器件栅极驱动器，具有自举浮动电源。其采用CMOS工艺制作，逻辑电源的电压范围为5～20 V，适应TTL或CMOS逻辑信号输入，具有独立的高端和低端2个输出通道。IR2110工作频率高，开通、关断延迟小，分别为120 ns和94 ns。其输出峰值电流可达2 A，上桥臂通道可承受500 V的电压。自举悬浮驱动电源可同时驱动同一桥臂的上、下2个开关器件，大大简化驱动电源设计[5]。

功率放大部分主要用到的是功率半导体器件。功率MOSFET具有驱动电路简单、驱动耗散功率小、开关速率快、开关损耗低、导通损耗低等重要优良特性[6]。本设计目标在于实现100 V左右的直流输入的1 MHz内的高频逆变，所以需要选用一款开关速度很高的MOSFET。查阅IRF系列的几款MOSFET，本设计采用平均开关时间最小的IRF740作为功率MOSFET。

高频信号通过IR2110后实现功率放大，可以驱动MOSFET。通过全桥则可实现直流电源到高频交流电源的转换。其全桥逆变电路结构图如图6所示，其中 Q1～Q4为 IRF740 MOSFET，L1为原边线圈。

图6 全桥逆变电路结构图Fig.6 Structure diagram of full-bridge inverter circuit

2.5 整流电路

本设计采用桥式整流电路，其作用为将副边线圈交流电整流成直流电，从而为负载提供电源。其示意图如图7所示。二极管D1～D4采用摩托罗拉公司的MBR1545CT型号的肖特基整流二极管，其有正向导通电压小、结电容小、开关速率快、反相恢复时间短的优点。其中D1～D4为MBR1545CT二极管，L2为副边线圈。

图7 整流电路示意图Fig.7 Sketch diagram of rectifying circuit

3 系统平台搭建与实现

根据以上设计，制作出的印刷电路板实物如图8所示，图8（a）为发射端基于DDS的高频信号发生装置，图8（b）为发射端控制信号处理电路和功率放大电路，图8（c）为接收端整流电路。高频信号发生装置可以通过键盘调节频率，并通过数码管实时显示。

图8 印刷电路板实物Fig.8 Real product photo show of printed circuit

为了验证该系统的可行性，在实验室中搭建一个磁耦合共振无线电能传输系统实验装置，发射和接收线圈采用耐超高温耐辐射漆包线紧密缠绕数匝，并用环氧树脂浇灌成型，线圈半径20 cm。电容部分采用2个合适大小的陶瓷电容，分别串接入原副边回路中，接收端回路串接一个灯泡作为负载。

改变线圈间距，记录下供给电源电压、电流大小，两线圈距离，负载灯泡的电压电流大小，计算出不同间距下的传输效率如表1所示。可知，当保持供给电压一定时，线圈间距越大，其传输效率越低。在相隔1 m的情况下，当发射端总耗散功率达到108 W时，可以点亮额定功率为25 W的灯泡，传输效率近20%。实验实物效果如图9所示，验证了上述所设计电路的实际可行性。

表1 不同间距下的传输效率Tab.1 Transfer efficiency of different distance

传输效率为负载的电压电流乘积值比供给电源的电压电流乘积值。

图9 实物实验效果图Fig.9 Experimental result photo show of real product

4 结语

目前的无线电能技术仍存在许多亟待解决的问题，例如其周围空间存在高频电磁场，要求系统本身具有较高的电磁兼容指标，其能量的控制比较困难，无法真正实现能量点对点的传送，造成其整体传输效率不高。且其高能量的能量密度势必会对人身安全带来影响。同时，无线电能传输技术也有着广阔的应用前景，例如建立无线充电站或停车场可以有效解决电动汽车充电站占地多，接线繁杂的问题，建立无线充电的统一平台可为各种电子设备充电。在医疗器械、轨道交通、特种设备等方面应用无线电能供电方式也将带来极大的便利与安全。

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[2]André Kurs，Aristeidis Karalis，Robert Moffatt，et al.Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances[J].Science，2007，317（7）：83-86.

[3]Yu Chunlai，Lu Rengui，Mao Yinhua，et al.Research on the model of magnetic-resonance based wireless energy transfer system[C]//5th IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference，VPPC’09，Harbin，2009.

[4]Zhang Xian Yi，Xu Jian，Guo Xiang Quan，et al.A signal generator based on AD9850[J].Advanced Materials Research，2013（712）：1767-1770.

[5]张明，章国宝.IR2110驱动电路的优化设计[J].电子设计工程，2009，17（12）：66-70.

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