一種基于單片機控制的諧振式能量無線傳輸系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種諧振式能量無線傳輸系統，尤其涉及的是一種基于單片機控制的 諧振式能量無線傳輸系統。
【背景技術】
[0002] 所謂能量無線傳輸技術也稱無線充電技術，即不借助實物連線即可實現電能的無 線輸送。其優點在于：方便、快捷、減少在苛刻條件下使用電纜帶來的危險性等。對能量無 線傳輸技術的研究開始較早，早在1900年，尼古拉·特拉斯就開始無線電能傳輸的實驗，經 過一百多年的發展，關于能量無線傳輸的方法多種多樣，但基本原理大概可以分為以下三 種：電磁感應式、無線電波式、諧振耦合式。
[0003] 諧振耦合式能量無線傳輸技術的非輻射性、高效率等優點是其它能量無線充電技 術無法相比的。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，利用諧振形成的強磁耦合來實現高效率的無線電 能傳輸。該技術的出現引起了國內外學術界與工業界的巨大興趣，被公認為目前最具發展 前景的一種無線能量傳輸技術方案"。
[0004] 但目前基于諧振耦合式的能量無線傳輸技術的研究偏向理論化，缺乏對實際應用 有定量指導意義的研究成果，同時此技術傳輸功率較小遠遠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對充電設備位置 的靈活性及充電設備的高效匹配性具有重要的實用價值。

【發明內容】

[0005] 為了克服現有的諧振式能量無線傳輸系統功能分工不明確、缺乏人性化和離線編 程功能、適應性差的不足，本發明提供一種模塊化和人性化設計、功能完備、適應性強的基 于單片機控制的諧振式能量無線傳輸系統。
[0006] 為了解決上述技術問題提供的技術方案為：
[0007] -種基于單片機控制的諧振式能量無線傳輸系統，所述系統包括輸入LC濾波模 塊、橋式串聯諧振模塊、LC并聯諧振模塊、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、橋式串聯諧振模塊和LC并聯諧振模塊依次連接形成無線能 量發射端，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 聯諧振模塊的感應線圈與不可控橋式整流模塊的感應線圈配合，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諧振模塊連 接；所述控制器模塊包括用于通過調節橋式串聯諧振模塊的諧振頻率保證采集到的輸入電 流穩定在設定范圍的能量傳輸控制單元。
[0008] 進一步，所述系統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] 再進一步，所述系統還包括人機交互模塊，所述人機交互模塊與所述控制模塊連 接。所述人機交互模塊也同時與所述輔助電源模塊連接。
[0010] 所述人機交互模塊包括按鍵離線設定模塊和液晶實時顯示模塊兩部分，該模塊可 以實現離線編程功能。
[0011] 本發明的有益效果主要表現在：模塊化和人性化設計，功能完備，適應性強。
【附圖說明】
[0012] 圖1為基于單片機控制的諧振式能量無線傳輸系統的系統組成框圖。
[0013] 圖2為基于單片機控制的諧振式能量無線傳輸系統的電路連線示意圖。
[0014] 圖3為基于單片機控制的諧振式能量無線傳輸系統的控制器框圖。
[0015] 圖4為基于單片機控制的諧振式能量無線傳輸系統的控制模塊流程圖，其中，（a) 為控制主程序的流程，（b)所示為定時器中斷服務程序的流程。
【具體實施方式】
[0016] 下面結合附圖對本發明作進一步描述。
[0017] 參照圖1~圖4, 一種基于單片機控制的諧振式能量無線傳輸系統，包括輸入LC濾 波模塊1、橋式串聯諧振模塊2、LC并聯諧振模塊3、不可控橋式整流模塊4、輸出LC濾波模 塊5、負載模塊6、控制器模塊7、人機交互模塊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交互模塊提供穩定的電壓供應；所述輸 入LC濾波模塊、橋式串聯諧振模塊、LC并聯諧振模塊屬于能量無線發送端的模塊；所述不 可控橋式整流模塊、輸出LC濾波模塊、負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定在設定的范圍內，來調整橋式串聯諧振模塊的 諧振頻率，以此實現最大效率的能量傳輸；所述人機交互模塊包括按鍵離線設定模塊和液 晶實時顯示模塊兩部分，該模塊可以實現離線編程功能。
[0019] 所述輔助電源模塊可以輸出兩路獨立的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] 所述橋式串聯諧振模塊由H全橋電路和LC串聯電路組成，其諧振頻率的計算公式 為：
《其中，H全橋電路的MOSFET型號為：IRF3205 ;LC串聯電路的電感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，該絲包線規格為：〇. Immx600股；電容為CBB電容。
[0022] 所述LC并聯諧振模塊的電感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位單片機型號為：MK60DN512ZVLQ104N30D。
[0026] 所述人機交互模塊由按鍵離線設定模塊和液晶顯示模塊共同組成。在離線環境 下，按鍵設定模塊可以根據實際需要調整諧振頻率的大小，從而大大提升了系統的適應性。
[0027] 圖2為本發明的電路連線示意圖，圖中給出了各個模塊的電路連接情況。其中，能 量發射部分采用橋式串聯諧振電路，L1為發射線圈；能量接收部分采用并聯諧振和不可控 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，經處理得到Vgel信號，再由控制器根據V gel信號生成控制MOSFET的M PM2UP M 4的控 制信號Vgp和V ap，MOS管驅動單元將控制信號Vgp和V ap轉換成MOSFET的M η M2、MjP M 4的 驅動信號Vgl、Vg2、Vg3和V g4，驅動信號Vgl、Vg2、Vg3和V g4直接控制MOS管V gl、Vg2、Vg3和V g4的 開關工作狀態。
[0028] 本發明的能量無線傳輸控制器通過設定MOSFET的M1J2J 3和M 4的占空比可實現 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為本發明的控制器框圖。根據該圖所示，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)為本發明的控制主程序的流程。主程序首先進行液晶初始化；接著初始 化FTMO的FTM_CH1和FTM_CH2通道，使輸出兩路互補帶死區的PffM波；其次配置ADC0_ SE15 (PTCl)作為A/D采樣通道；然后進行定時器中斷配置，使能定時器中斷；最后進入循 環，等待定時器中斷。
[0031] 圖4(b)所示為定時器中斷服務程序的流程。進入定時器PITO中斷服務程序后， 首先判斷PITO是否進入中斷，如果沒有進入，則中斷返回；如果進入，則清中斷標志位，保 存輸入電流IN_I，然后進行數據處理，計算公式如（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 行增量式PID調節，使其維持在IA以下；否則，FTMO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為經過折算后的實際輸入電流，3. 3為 A/D 口輸入允許的最大電壓值（其對應的8位A/D轉換數字量為255. 0)，25. 6是把電流信 號轉換成電壓信號后放大的倍數（為保證A/D 口采集到的電壓小于3. 3V)，0. 0025為把電 流信號轉換成電壓信號的采樣電阻值。
[0034] 定時器中斷服務程序中主要的變量如表1所示。
[0036]表1〇
【主權項】
1. 一種基于單片機控制的諧振式能量無線傳輸系統，其特征在于：所述系統包括輸入 LC濾波模塊、橋式串聯諧振模塊、LC并聯諧振模塊、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、橋式串聯諧振模塊和LC并聯諧振模塊依次連接形成 無線能量發射端，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并聯諧振模塊的感應線圈與不可控橋式整流模塊的感應線圈配合，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諧振模 塊連接；所述控制器模塊包括用于通過調節橋式串聯諧振模塊的諧振頻率保證采集到的輸 入電流穩定在設定范圍的能量傳輸控制單元。2. 如權利要求1所述的基于單片機控制的諧振式能量無線傳輸系統，其特征在于：所 述系統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. 如權利要求1或2所述的基于單片機控制的諧振式能量無線傳輸系統，其特征在于： 所述系統還包括人機交互模塊，所述人機交互模塊與所述控制模塊連接。4. 如權利要求3所述的基于單片機控制的諧振式能量無線傳輸系統，其特征在于：所 述人機交互模塊包括按鍵離線設定模塊和液晶實時顯示模塊。
【專利摘要】一種基于單片機控制的諧振式能量無線傳輸系統，包括輸入LC濾波模塊、橋式串聯諧振模塊、LC并聯諧振模塊、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、橋式串聯諧振模塊和LC并聯諧振模塊依次連接形成無線能量發射端，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并聯諧振模塊的感應線圈與不可控橋式整流模塊的感應線圈配合，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諧振模塊連接；控制器模塊包括用于通過調節橋式串聯諧振模塊的諧振頻率保證采集到的輸入電流穩定在設定范圍的能量傳輸控制單元。本發明模塊化和人性化設計、功能完備、適應性強。
【IPC分類】H02J17/00
【公開號】CN105226838
【申請號】CN201510733882
【發明人】俞立, 何勝權, 陳先坐, 劉安東, 張文安
【申請人】浙江工業大學
【公開日】2016年1月6日
【申請日】2015年11月2日