北京聯(lián)合大學(xué) 蘇秀珍 王夕巖 蘇幼香

基于磁懸浮的無(wú)線充電技術(shù)

北京聯(lián)合大學(xué) 蘇秀珍 王夕巖 蘇幼香

無(wú)線充電是指內(nèi)置電池的設(shè)備或裝置，透過(guò)無(wú)線感應(yīng)的方式取得電力而進(jìn)行充電。無(wú)線充電技術(shù)，源于無(wú)線電力輸送技術(shù)，其工作原理利用的是法拉第電磁感應(yīng)，當(dāng)電流通過(guò)線圈之后，便會(huì)產(chǎn)生出磁場(chǎng)；而產(chǎn)生的磁場(chǎng)又會(huì)行成電壓，有了電壓之后便會(huì)產(chǎn)生電流，有了電流便可以充電。磁懸浮裝置的原理是利用對(duì)電磁鐵電流的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)浮子在空中的來(lái)回反復(fù)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到懸浮的效果。

磁懸浮；無(wú)線充電；電磁感應(yīng)

1.引言

無(wú)線充電及是可實(shí)現(xiàn)在距離充電器幾米遠(yuǎn)的地方進(jìn)行無(wú)線充電。而所謂的無(wú)線充電技術(shù)，即不用通過(guò)電源線和電纜等一切外接設(shè)備，就可給電子設(shè)備充電。其原理是利用磁共振在充電器與設(shè)備之間的空氣中傳輸電荷，線圈和電容器則在充電器與設(shè)備之間形成共振，實(shí)現(xiàn)電能高效傳輸?shù)募夹g(shù)。而目前的懸浮技術(shù)主要包括電磁懸浮、光懸浮、聲懸浮、氣流懸浮、靜電懸浮、粒子束懸浮等，其中電磁懸浮技術(shù)比較成熟。一般通過(guò)線圈的交變電流頻率為104—105Hz。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方案

2.1 系統(tǒng)分析

將直流電轉(zhuǎn)化成高頻交流電，然后通過(guò)沒(méi)有任何有線連接的原/副線圈之間的互感耦合實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線饋送?；痉桨溉鐖D2-1所示。

圖2-1 無(wú)線電能傳輸示意圖

電能的無(wú)線傳送實(shí)際上是通過(guò)送電線圈L1和受電線圈L2的互感作用實(shí)現(xiàn)的，這里L(fēng)1和L2構(gòu)成一個(gè)無(wú)磁芯的變壓器的原/副線圈。為保證足夠的功率和盡可能高的效率，應(yīng)選擇較高的調(diào)制頻率，同時(shí)要考慮到器件的高頻特性，經(jīng)實(shí)驗(yàn)選擇1.6MHz較為合適。

以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)磁懸浮子的控制電路設(shè)計(jì)，對(duì)控制算法進(jìn)行研究，編寫程序，通過(guò)傳感器對(duì)浮子位置的測(cè)量，通過(guò)單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)浮子懸浮的穩(wěn)定控制。采用霍爾元件檢測(cè)浮子，輸位置出電信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換反饋至單片機(jī)，運(yùn)用單片機(jī)數(shù)字PID控制器來(lái)控制磁懸浮子在磁場(chǎng)中的位置。總流程如圖2-2所示。

圖2-2 總流程圖

給定數(shù)字量的作用是手動(dòng)控制浮子在磁場(chǎng)中的位置，根據(jù)給定量不同，浮子的受力大小也隨之改變。單片機(jī)控制器主要是在接到傳感器的反饋后，通過(guò)把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，發(fā)給磁鐵執(zhí)行器，從而控制磁場(chǎng)大小。功率驅(qū)動(dòng)則是改變驅(qū)動(dòng)能力。霍爾元件則是用于測(cè)量浮子位置的傳感器，并將其信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換發(fā)送給單片機(jī)控制器。

通過(guò)將浮子與受電線圈L2的有效結(jié)合，即可實(shí)現(xiàn)懸浮無(wú)線充電。

3.機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 模擬量接近開(kāi)關(guān)

通常，電感式接近開(kāi)關(guān)均有著相同的工作原理及應(yīng)用。然而,本文所要討論的是模擬量接近開(kāi)關(guān)的一些特殊特性。下面所講述的例子均來(lái)源于實(shí)踐，由于篇幅有限，只能選擇部分實(shí)例，但從中可以看出它的應(yīng)用是極其廣泛的。如圖3-1所示，給出模擬量參數(shù)參考。

圖3-1 模擬量參數(shù)

（1）一個(gè)模擬量接近開(kāi)關(guān)控制幾個(gè)開(kāi)關(guān)點(diǎn)

人們常常會(huì)遇到這種情形，在被檢測(cè)目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，某一動(dòng)作需要在不止一個(gè)位置被觸發(fā)。更多的是：不同的位置往往發(fā)生一些相關(guān)的動(dòng)作。因此，一個(gè)程序控制站，可用一張金屬盤片和一個(gè)模擬量接近開(kāi)關(guān)替代幾個(gè)凸輪和同等數(shù)量的接近開(kāi)關(guān)，來(lái)解決此類問(wèn)題。例如通過(guò)一個(gè)帶模擬量輸入的PLC輸入模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能(例如西門子 S5，6ES5 464-8MC11)?，F(xiàn)在以非常合理的價(jià)格便可買到這些模塊。當(dāng)然也可以使用其它供應(yīng)商的信號(hào)處理裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能。

（2）模擬量接近開(kāi)關(guān)線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)

用接近開(kāi)關(guān)將線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)的最直接簡(jiǎn)單的辦法。但是這種情況，必須保證設(shè)備沒(méi)有被物理接觸。然而在實(shí)踐中, 開(kāi)關(guān)的檢測(cè)范圍往往不夠大，造成直接檢測(cè)有困難。但如果使用楔形的物體，便能隨意調(diào)節(jié)檢測(cè)范圍。同時(shí)如果此物體為非平面物時(shí)，可供調(diào)節(jié)的范圍會(huì)更廣。很輕易便能把線型轉(zhuǎn)換成電子信息。

（3）模擬量接近開(kāi)關(guān)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)

通過(guò)一個(gè)偏心金屬盤片，模擬量裝置便可采集到旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)信號(hào)或角度信號(hào)。與上例相似，如果盤片的形狀合適，角度的可調(diào)范圍相應(yīng)比較大，線性度也能做得較好。

（4）模擬量接近開(kāi)關(guān)用一個(gè)接近開(kāi)關(guān)辨認(rèn)旋轉(zhuǎn)方向

通過(guò)適當(dāng)放置齒狀和孔狀盤，模擬量接近開(kāi)關(guān)可以精確辨認(rèn)旋轉(zhuǎn)方向（可參考作為編碼器的模擬量接近開(kāi)關(guān)的應(yīng)用報(bào)道）。在這種情況下，用一只模擬量接近開(kāi)關(guān)便可測(cè)定旋轉(zhuǎn)方向。在二次儀表上， 設(shè)置了3個(gè)開(kāi)關(guān)點(diǎn), 其中2個(gè)位于齒表面，另一個(gè)位于齒外。依他們移動(dòng)的順序，可以得出齒狀和孔狀盤的旋轉(zhuǎn)方向。不用說(shuō)，也可同時(shí)測(cè)出旋轉(zhuǎn)速度。

（5）原理圖及仿真

經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，得出硬件原理圖，見(jiàn)圖3-2所示。

圖3-2 硬件原理圖

4 主要算法及實(shí)現(xiàn)

4.1 軟件流程圖

軟件控制硬件實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。本設(shè)計(jì)軟件流程圖如圖4-1所示。

圖4-1 軟件流程圖

4.2 調(diào)式軟件的介紹及調(diào)試方法

本次使用軟件調(diào)試運(yùn)用了labvew程序，首先先來(lái)介紹一下這個(gè)程序。

與 C 和BASIC 一樣，LabVIEW也是通用的編程系統(tǒng)，有一個(gè)完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫(kù)。LabVIEW的函數(shù)庫(kù)包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析。

LabVIEW標(biāo)志：

顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，等等。LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、以動(dòng)畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序（子VI）的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言。傳統(tǒng)文本編程語(yǔ)言根據(jù)語(yǔ)句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而 LabVIEW 則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器，是 LabVIEW 的程序模塊。

LabVIEW 提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬(wàn)用表）類似的控件，可用來(lái)方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在 Lab-VIEW 中被稱為前面板。使用圖標(biāo)和連線，可以通過(guò)編程對(duì)前面板上的對(duì)象進(jìn)行控制。這就是圖形化源代碼，又稱G代碼。LabVIEW 的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。

調(diào)試方法：

調(diào)試是通過(guò)調(diào)節(jié)PID的幾個(gè)控制參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)對(duì)浮子的控制，PID的參數(shù)包括KP，KI，KD，分別是比例增益，積分增益，微分增益。從減小偏差的角度出發(fā)，我們應(yīng)該增加KP，但另一方面，KP還影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定性，KP增加通常導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，過(guò)大的KP往往使系統(tǒng)產(chǎn)生激烈的震蕩和不穩(wěn)定。而在積分控制器中，調(diào)節(jié)規(guī)律是偏差e經(jīng)過(guò)積分控制器的積分作用得到控制器的輸出信號(hào)u。微分控制器則是針對(duì)被調(diào)量的變化率來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，而不需要等到被調(diào)量已經(jīng)出現(xiàn)較大的偏差后才開(kāi)始動(dòng)作，即微分調(diào)節(jié)器可以對(duì)被調(diào)量的變化趨勢(shì)進(jìn)行調(diào)節(jié)，及時(shí)出現(xiàn)大的偏差。所以要合理的調(diào)節(jié)3個(gè)參數(shù)，使浮子懸浮。

5.結(jié)論

通過(guò)磁懸浮將浮子懸浮在空中，并通過(guò)無(wú)線充電技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電。這次的設(shè)計(jì)是一個(gè)磁懸浮子，它可以在通電的情況下通過(guò)傳感器對(duì)其位置的檢測(cè)再傳給PID控制，使它可以自動(dòng)調(diào)節(jié)電磁磁力大小，從而穩(wěn)定漂浮在空中。然而在設(shè)計(jì)過(guò)程中，它是有一些缺陷的，理想狀態(tài)下它會(huì)漂浮的十分穩(wěn)定，但是實(shí)際與理想還是有一些差距的，影響其不穩(wěn)定的因素可能有：電源的雜波，傳感器的靈敏度以及調(diào)試工具的限制，表現(xiàn)的形式為：上下大幅度抖動(dòng)。并在浮子上添加受電線圈及可實(shí)現(xiàn)提供懸浮和無(wú)線充電的功能。

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鳴謝：該項(xiàng)目的研究成果基于北京聯(lián)合大學(xué)“啟明星”大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)資助，項(xiàng)目編號(hào)201611417SJ100。

指導(dǎo)教師：蘇幼香（通訊作者）。