磁耦合谐振式无线电能传输系统研究*

蔡昕晨 李纪娴 胡安正

(湖北文理学院物理与电子工程学院 湖北 襄阳 441053)

传统的以输电线传输电能的方式，不可避免地存在输电线路磨损、接触火花和布线不便等问题．因此，发展无线电能技术是解决传统有线输电限制的重要途径．磁耦合谐振式无线电能传输系统实现了无线电能传输，并具有传输距离较远，传输效率较高等优点，为进一步的应用提供参考．

1 系统模型建立

磁耦合谐振式无线电能传输的原理分析方法可分为两种：耦合模理论(CMT)和等效电路理论．耦合模理论从系统的能量角度进行分析，比较抽象、不易理解；等效电路理论是通过系统电路搭建物理模型，结合等效参数完成原理分析，易于理解．磁耦合谐振式可分为4种等效电路模型：串联-串联、串联-并联、并联-串联、并联-并联．本文对串联-并联理论进行分析．

根据磁耦合谐振系统的传输模型建立如图1所示的等效电路图．US为高频激励源电压；RS为高频激励源内阻；L1，L2为发射和接收线圈的等效电感；R1，R2为发射和接收线圈在高频下的等效电阻；C1为发射线圈串联补偿电容，C2为接收线圈的并联补偿电容，M12为发射和接收线圈的互感耦合系数；RL为负载电阻．

图1 等效电路图

2 系统硬件设计

系统采用STM32作为主控芯片，系统电路主要包括全桥逆变电路，整流滤波电路，采样电路及电源电路．

2.1 全桥逆变电路

全桥逆变电路将直流电转化为交流电为发射端提供高频激励源，电路如图2所示．电路采用两块半桥驱动芯片IR2104组成一个全桥驱动；MOS管采用IRF840，其具有驱动电流大耐压值高、开关频率高等特点．

图2 全桥逆变电路图

2.2 整流滤波电路

全桥整流电路采用MBRF30100CT肖特基二极管，具有耐高压、低导通电压、低阻抗等特性．二极管采用两两并联的方式连接，有效地降低二极管的内阻，减少电路中的损耗，电路如图3所示．

图3 整流滤波电路图

3 系统软件设计

本系统软件的核心是SPWM程序的编写，SPWM是脉冲宽度按正弦规律变化的PWM波形，也称正弦脉宽调制，按调制脉冲极性关系可分为单极性SPWM和双极性SPWM两种．本系统采用双极性SPWM，通过STM32F103C8T6的高级定时器TIMER1产生两组互补PWM，普通定时器TIMER3控制正弦波周期，在每个正弦波周期内，将生成的512个点的正弦表依次赋给TIMx_CCRx寄存器从而产生出双极性SPWM波．

4 结论

本文基于磁耦合和谐振的物理原理，设计出了一种磁耦合谐振式无线电能传输系统的设计，通过

STM32正弦脉宽调制实现逆变，利用发射线圈与接收线圈的电磁耦合作用实现电能的无线传输，系统实物图如图4所示．通过实验测试，在传输距离为10 cm时传输效率达60%；负载为1W LED时，传输距离可达1 m．该设计具有传输距离较远、传输效率较高、易于操作、可靠稳定等特点．

图4 系统实物图

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