馬如偉1，張志禹1，張春美1，張得龍2

　?。?.西安理工大學(xué) 自動化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048； 2.濰坊科技學(xué)院，山東 濰坊 262700）

      摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，汽車制造行業(yè)也逐漸成熟，對于汽車中供電車燈的關(guān)注度正在逐步提高，而非接觸供電車燈的研究是汽車制造業(yè)更為關(guān)注的課題。本文對非接觸供電車燈的原理以及設(shè)計作了較為詳細的闡釋，并用ARM微處理器作為非接觸供電車燈的無線反饋穩(wěn)壓電路的處理單元，利用Protel DXP2004設(shè)計出原邊和副邊的PCB板，采用編程工具Keil uVison4編寫原邊電路的發(fā)射程序。最后對于這種車燈的性能做出了分析，并預(yù)測其將成為汽車行業(yè)發(fā)展的一種前景。

　　關(guān)鍵詞：非接觸供電；汽車燈；無線反饋

0引言

　　圖1非接觸供電車燈電路的原理圖眾所周知，汽車的制造過程是一項很復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要對車身的整體乃至微小部分做到十分精細加工，而在諸如像引擎蓋、后備箱處的加工時，需要增加車燈，而如果在這樣的位置配置了照明燈，電線就會容易發(fā)生損壞，造成事故的發(fā)生。本文采用非接觸供電的電流型全橋DCDC隔離式開關(guān)電源電路，使用原、副邊不接觸的無鐵芯線圈。反饋電路將負載電壓信號無線反饋到非接觸充電電路的原邊電路的控制端，系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)并改變原邊電路全橋變換器的占空比，使輸出功率穩(wěn)定在設(shè)定值。在設(shè)計系統(tǒng)電路時，主要針對非接觸供電和無線信號反饋穩(wěn)壓兩部分進行設(shè)計，這兩部分是非接觸供電車燈中的無線反饋穩(wěn)壓電路的主要組成部分。非接觸供電部分包括原邊子系統(tǒng)、副邊子系統(tǒng)和非接觸變壓器；無線信號反饋穩(wěn)壓電路主要包括發(fā)射電路和接收及反饋控制電路。

1電路原理圖的設(shè)計

　　非接觸供電車燈電路原理圖如圖1所示。

　　無線反饋穩(wěn)壓電路中無論是發(fā)射電路還是接收電路都含有無線模塊nRF24L01、ARM微處理器（STM32F107RTB6）以及外圍電路，ARM自帶A/D轉(zhuǎn)換端口和PWM輸出功能。汽車的蓄電池為24 V，燈光采用10 V/20 W的照明燈。原邊電路由帶鐵心的耦合電感和功率型開關(guān)管構(gòu)成推挽式拓撲電路，通過反饋信息來調(diào)節(jié)ARM微處理器的PWM輸出信號，經(jīng)過光耦隔離，分別控制開關(guān)管V1、V2的柵極，使兩個開關(guān)管交替導(dǎo)通和斷開，在原邊載流線圈L31兩端產(chǎn)生交流電壓［1］，此交流電壓占空比可調(diào)、頻率固定，其中頻率設(shè)定為38 kHz。

　　圖3原邊電路圖（局部）一次繞組L31、二次繞組L32是互不接觸、對立平放的不含鐵芯的疏松耦合線圈，這樣就構(gòu)成了一個非接觸的具有磁耦合性質(zhì)的變壓器。一次繞組L31、原邊子系統(tǒng)、無線接收及反饋控制電路安裝于汽車車體上；二次圖2副邊電路圖（局部）繞組L32、副邊子系統(tǒng)、無線信號發(fā)射電路和負載固定在靈活旋轉(zhuǎn)的汽車部件上。同時原、副邊載流線圈采用平面繞組配合平面磁心的分布式繞組，這樣可以提高非接觸變壓器的耦合系數(shù)K，并保證兩者之間有一定氣隙，互不接觸。

　　C1、C4作為補償電容，用于補償功率因數(shù)，降低電路的無功損耗和開關(guān)損耗［2］。二極管D1、D2和電容C2、C3作為倍壓整流電路， L4、C5作為濾波電路消除整流電路中的紋波。R1、R2電阻用于分壓，通過電壓檢測環(huán)節(jié)，將得到的電壓采樣值送到ARM微處理器的A/D轉(zhuǎn)換端口ADC0。

　　通過對負載電壓和電流取樣，用發(fā)射端的ARM微處理器STM32F107RTB6自帶的A/D轉(zhuǎn)換端口將檢測到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再用一對無線收發(fā)模塊nRF24L01將信號傳遞到接收端的ARM微處理器STM32F107RTB6。通過ARM可以自動調(diào)節(jié)PWM變換器，控制非接觸供電電路中功率開關(guān)管的占空比，改變原邊電路的輸出功率，最終使負載電壓更加穩(wěn)定［3］。

　　非接觸供電電路包括副邊電路和原邊電路兩部分，副邊電路（局部）與原邊電路（局部）分別如圖2和圖3所示。

　　在反饋方面采用雙閉環(huán)控制，即電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)控制，控制方法采用PI調(diào)節(jié)。在電壓控制環(huán)節(jié)中，先將電壓參考值Uref與經(jīng)LC濾波后的電壓值Uo比較，兩者的誤差值經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器所得到的信號作為電流參考值Iref。在電流控制環(huán)節(jié)中，將副邊檢測到的電流值與電流參考值Iref比較，把誤差信號傳遞給PWM變換器，控制原邊電路中功率開關(guān)管的占空比，通過互不接觸的空芯變壓器的磁耦合改變電路的輸出功率，顯著提高了系統(tǒng)的穩(wěn)壓性能［4］。

2整流電路的選擇

　　由于電壓不能滿足要求，所以要升高電壓，可以據(jù)此設(shè)計電路和選擇電路。本文選擇的是倍壓整流電路。

　　在副邊整流電路的選擇上，采用的是二倍壓整流電路。二倍壓整流電路其實是巧妙地應(yīng)用儲能元件和整流元件，將較低的交流電壓“整流”出一個二倍的直流電壓。如圖4所示。

　　圖4所示的電路由變壓器、兩個整流二極管VD1、VD2及兩個電容器C2、C3組成。當變壓器輸出交流電壓VC4位于負半周時，二極管VD1導(dǎo)通，VD2截止，電流經(jīng)過VD1對C2充電，電容C2上的電壓接近C4電壓的峰值2VC4，并基本保持不變。當VC4為正半周時，二極管VD2導(dǎo)通，VD1截止，此時，C3上的電壓為電容C2電壓（值為2VC4）與電源電壓VC4串聯(lián)相加，電流經(jīng)VD2對電容C3充電，充電電壓為：

　　V′c3=2V2+1.2V2≈22V2

　　其中，V2為變壓器輸入電壓。

　　如此反復(fù)充電，C3上的電壓基本等于22V2，它的值是變壓器整流輸入交流電壓的二倍，所以叫做二倍整流電路。

　　電容器C2和C3上的直流電壓分別為:

　　Vc2=2V2

　　Vc3=22V2

3無線反饋穩(wěn)壓部分

　　3.1無線信號發(fā)射模塊

　　無線信號發(fā)射電路由無線模塊nRF24L01、ARM微處理器STM32F107RTB6及外圍電路組成。無線模塊nRF24L01既具有發(fā)射功能也具有接收功能，通過設(shè)定軟件使其處于發(fā)射狀態(tài)，通信頻率選擇2.4 GHz［4］。

　　當負載工作時，發(fā)射電路首先檢測電阻的輸出電壓，此電壓信號通過ARM微處理器自帶的A/D轉(zhuǎn)換端口ADC0將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后通過ARM將數(shù)字信號以串行通信方式寫入無線發(fā)射模塊nRF24L01的數(shù)據(jù)輸入腳MOSI，通過無線發(fā)射模塊傳遞給無線接收模塊。實際上，無線發(fā)射電路作為副邊電路的核心部分，其主要作用就是檢測副邊電路的輸出電壓和電流。

　　3.2無線信號接收模塊

　　副邊電路中的無線模塊nRF24L01接收來自發(fā)射電路的數(shù)字信號，將此數(shù)字信號通過ARM微處理器（STM32F107RTB6）自帶的D/A轉(zhuǎn)換端口讀入，并將其轉(zhuǎn)化為幅值為1 V左右的模擬信號，由STM32F107RTB6的引腳輸出，此模擬量與負載電壓成正比，并采用電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)反饋控制的雙積分算法，自動調(diào)節(jié)PWM輸出占空比［56］，以此控制原邊電路中的功率開關(guān)管，改變原邊電路的輸出功率，從而可以調(diào)節(jié)副邊電路的功率，使電壓能夠達到一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

4非接觸變換器參數(shù)的設(shè)計

　　非接觸變換器原、副邊均為不加磁芯的空心繞組［7］，它們可以等效為變壓器互感模型，互感模型的等效電路圖如圖5所示。

　　即折算到原邊時，變壓器兩側(cè)漏感相同。耦合系數(shù)較高時，通常變壓器采取兩參數(shù)測量法，即分別測量副邊開路和短路時的原邊電感作為變壓器的勵磁電感和漏感［8］。副邊開路時測得的電感實際為：

　　Lopn=Ls1+Lm

　　而副邊短路時測得的電感為：

　　Lsht=Ls1+Lm/Ls2

　　實際上，根據(jù)上式，可以得到：

　　Lsht=(1－K2)L1

　　經(jīng)過計算與測量的比對，并且因為采用了分布式的配合平面磁心的平面繞組，耦合系數(shù)提高，確定為0.20。

5實驗波形及分析

　　非接觸供電車燈的電源為車載蓄電池，電壓為24 V±10%；車燈的負載功率為20 W，圖6為實驗所得的電路波形。圖6（a）為變換器副邊線圈的電壓波形。當輸入電壓以±10%波動時，通過圖6（b）的測試結(jié)果可以看出輸出電壓基本保持在一個穩(wěn)定狀態(tài)。

　　原、副邊載流線圈距離1.7 cm時，感應(yīng)耦合系數(shù)測試值為0.20。如果忽略輔助電源的功耗，電路效率為80%，工作頻率fs=38.5 kHz。

6結(jié)論

　　傳統(tǒng)的車燈供電方式固然有其獨特的優(yōu)越性能，但是在某些特定的場合或位置上難以滿足生產(chǎn)以及制造的要求。因此本文通過非接觸式變換器設(shè)計出了一種非接觸供電車燈，利用ARM微處理器和Keil編程實現(xiàn)其特有的功能，并且通過實驗結(jié)果分析得出輸出電壓是穩(wěn)定的，達到了預(yù)期的設(shè)計目標，而且具有運行可靠、操作簡單、維護便利等優(yōu)點。

參考文獻

　?。?］ HU A P，BOYS J T，COVIC G A．Frequency analysis and computation of a current-fed resonant converter for ICPT power supplies ［J］．IEEE Power System Technology，2000，8(1)：327332.

　?。?］ 孫躍，王智慧，戴欣，等．非接觸電能傳輸系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性研究［J］．電工技術(shù)學(xué)報，2005，20(11)：5659．

　　［3］ 周成虎，甕嘉民.電動汽車無線反饋非接觸充電電路設(shè)計［J］．電力電子技術(shù),2012，46(5)：2021．

　　［4］ 周成虎，甕嘉民.一種用于非接觸供電車燈的無線反饋穩(wěn)壓電路設(shè)計［J］．照明工程學(xué)報,2012，23(4)：103106．

　?。?］ HU A P，HUSSMANN S.Improved power flow control for contactless moving sensor applications［J］． IEEE Power Electronics Letters，2004，12( 4) : 135138．

　?。?］ 梁艷.基于OpenCV的ARM嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)［J］.微型機與應(yīng)用,2013,32(9):2931.

　?。?］ COVIC G A，ELLIOTT G，STIELAU O H，et al． The design of contactless energy transfer system for a people mover system［C］.Proceeding of International Conference on Power System Technology, Perth，Australia，2000: 7984.

　?。?］ 吳衛(wèi)華,唐健,楊瑞景,等.基于無線傳感網(wǎng)的智能電網(wǎng)線路傳感器系統(tǒng)的研制［J］.微型機與應(yīng)用,2013,32(5):5456,59.