馬如偉1，張志禹1，張春美1，張得龍2

　　（1.西安理工大學(xué) 自動(dòng)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(chē)制造行業(yè)也逐漸成熟，對(duì)于汽車(chē)中供電車(chē)燈的關(guān)注度正在逐步提高，而非接觸供電車(chē)燈的研究是汽車(chē)制造業(yè)更為關(guān)注的課題。本文對(duì)非接觸供電車(chē)燈的原理以及設(shè)計(jì)作了較為詳細(xì)的闡釋?zhuān)⒂肁RM微處理器作為非接觸供電車(chē)燈的無(wú)線反饋穩(wěn)壓電路的處理單元，利用Protel DXP2004設(shè)計(jì)出原邊和副邊的PCB板，采用編程工具Keil uVison4編寫(xiě)原邊電路的發(fā)射程序。最后對(duì)于這種車(chē)燈的性能做出了分析，并預(yù)測(cè)其將成為汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的一種前景。

　　關(guān)鍵詞：非接觸供電；汽車(chē)燈；無(wú)線反饋

0引言

　　圖1非接觸供電車(chē)燈電路的原理圖眾所周知，汽車(chē)的制造過(guò)程是一項(xiàng)很復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要對(duì)車(chē)身的整體乃至微小部分做到十分精細(xì)加工，而在諸如像引擎蓋、后備箱處的加工時(shí)，需要增加車(chē)燈，而如果在這樣的位置配置了照明燈，電線就會(huì)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(kāi)關(guān)電源電路，使用原、副邊不接觸的無(wú)鐵芯線圈。反饋電路將負(fù)載電壓信號(hào)無(wú)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(dòng)調(diào)節(jié)并改變?cè)呺娐啡珮蜃儞Q器的占空比，使輸出功率穩(wěn)定在設(shè)定值。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路時(shí)，主要針對(duì)非接觸供電和無(wú)線信號(hào)反饋穩(wěn)壓兩部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，這兩部分是非接觸供電車(chē)燈中的無(wú)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(wú)線信號(hào)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(jì)

　　非接觸供電車(chē)燈電路原理圖如圖1所示。

　　無(wú)線反饋穩(wěn)壓電路中無(wú)論是發(fā)射電路還是接收電路都含有無(wú)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(chē)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(kāi)關(guān)管構(gòu)成推挽式拓?fù)潆娐?，通過(guò)反饋信息來(lái)調(diào)節(jié)ARM微處理器的PWM輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)光耦隔離，分別控制開(kāi)關(guān)管V1、V2的柵極，使兩個(gè)開(kāi)關(guān)管交替導(dǎo)通和斷開(kāi)，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(duì)立平放的不含鐵芯的疏松耦合線圈，這樣就構(gòu)成了一個(gè)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(wú)線接收及反饋控制電路安裝于汽車(chē)車(chē)體上；二次圖2副邊電路圖（局部）繞組L32、副邊子系統(tǒng)、無(wú)線信號(hào)發(fā)射電路和負(fù)載固定在靈活旋轉(zhuǎn)的汽車(chē)部件上。同時(shí)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(bǔ)償電容，用于補(bǔ)償功率因數(shù)，降低電路的無(wú)功損耗和開(kāi)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(guò)電壓檢測(cè)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(guò)對(duì)負(fù)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(cè)到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再用一對(duì)無(wú)線收發(fā)模塊nRF24L01將信號(hào)傳遞到接收端的ARM微處理器STM32F107RTB6。通過(guò)ARM可以自動(dòng)調(diào)節(jié)PWM變換器，控制非接觸供電電路中功率開(kāi)關(guān)管的占空比，改變?cè)呺娐返妮敵龉β?，最終使負(fù)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(guò)電壓調(diào)節(jié)器所得到的信號(hào)作為電流參考值Iref。在電流控制環(huán)節(jié)中，將副邊檢測(cè)到的電流值與電流參考值Iref比較，把誤差信號(hào)傳遞給PWM變換器，控制原邊電路中功率開(kāi)關(guān)管的占空比，通過(guò)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(jì)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(shí)是巧妙地應(yīng)用儲(chǔ)能元件和整流元件，將較低的交流電壓“整流”出一個(gè)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(gè)整流二極管VD1、VD2及兩個(gè)電容器C2、C3組成。當(dāng)變壓器輸出交流電壓VC4位于負(fù)半周時(shí)，二極管VD1導(dǎo)通，VD2截止，電流經(jīng)過(guò)VD1對(duì)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(dāng)VC4為正半周時(shí)，二極管VD2導(dǎo)通，VD1截止，此時(shí)，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(duì)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(wú)線反饋穩(wěn)壓部分

　　3.1無(wú)線信號(hào)發(fā)射模塊

　　無(wú)線信號(hào)發(fā)射電路由無(wú)線模塊nRF24L01、ARM微處理器STM32F107RTB6及外圍電路組成。無(wú)線模塊nRF24L01既具有發(fā)射功能也具有接收功能，通過(guò)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(dāng)負(fù)載工作時(shí)，發(fā)射電路首先檢測(cè)電阻的輸出電壓，此電壓信號(hào)通過(guò)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(hào)，然后通過(guò)ARM將數(shù)字信號(hào)以串行通信方式寫(xiě)入無(wú)線發(fā)射模塊nRF24L01的數(shù)據(jù)輸入腳MOSI，通過(guò)無(wú)線發(fā)射模塊傳遞給無(wú)線接收模塊。實(shí)際上，無(wú)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(cè)副邊電路的輸出電壓和電流。

　　3.2無(wú)線信號(hào)接收模塊

　　副邊電路中的無(wú)線模塊nRF24L01接收來(lái)自發(fā)射電路的數(shù)字信號(hào)，將此數(shù)字信號(hào)通過(guò)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(hào)，由STM32F107RTB6的引腳輸出，此模擬量與負(fù)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(dòng)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(kāi)關(guān)管，改變?cè)呺娐返妮敵龉β?，從而可以調(diào)節(jié)副邊電路的功率，使電壓能夠達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

4非接觸變換器參數(shù)的設(shè)計(jì)

　　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(shí)，變壓器兩側(cè)漏感相同。耦合系數(shù)較高時(shí)，通常變壓器采取兩參數(shù)測(cè)量法，即分別測(cè)量副邊開(kāi)路和短路時(shí)的原邊電感作為變壓器的勵(lì)磁電感和漏感［8］。副邊開(kāi)路時(shí)測(cè)得的電感實(shí)際為：

　　Lopn=Ls1+Lm

　　而副邊短路時(shí)測(cè)得的電感為：

　　Lsht=Ls1+Lm/Ls2

　　實(shí)際上，根據(jù)上式，可以得到：

　　Lsht=(1－K2)L1

　　經(jīng)過(guò)計(jì)算與測(cè)量的比對(duì)，并且因?yàn)椴捎昧朔植际降呐浜掀矫娲判牡钠矫胬@組，耦合系數(shù)提高，確定為0.20。

5實(shí)驗(yàn)波形及分析

　　非接觸供電車(chē)燈的電源為車(chē)載蓄電池，電壓為24 V±10%；車(chē)燈的負(fù)載功率為20 W，圖6為實(shí)驗(yàn)所得的電路波形。圖6（a）為變換器副邊線圈的電壓波形。當(dāng)輸入電壓以±10%波動(dòng)時(shí)，通過(guò)圖6（b）的測(cè)試結(jié)果可以看出輸出電壓基本保持在一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。

　　原、副邊載流線圈距離1.7 cm時(shí)，感應(yīng)耦合系數(shù)測(cè)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(chē)燈供電方式固然有其獨(dú)特的優(yōu)越性能，但是在某些特定的場(chǎng)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(guò)非接觸式變換器設(shè)計(jì)出了一種非接觸供電車(chē)燈，利用ARM微處理器和Keil編程實(shí)現(xiàn)其特有的功能，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出輸出電壓是穩(wěn)定的，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，而且具有運(yùn)行可靠、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)便利等優(yōu)點(diǎn)。

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