林淑玲

(漳州城市職業(yè)學(xué)院， 福建 漳州 363000)

0 引言

傳統(tǒng)的電能主要是通過(guò)導(dǎo)線或直接接觸進(jìn)行傳輸?shù)摹Ｔ谶M(jìn)行大功率充電時(shí)，這種充電方式存在高壓觸電的危險(xiǎn)，且容易受到腐蝕以及水、灰塵和污物的影響。由于存在摩擦和磨損，系統(tǒng)的安全性、可靠性及使用壽命較低，特別是在化工、采礦等一些易燃、易爆領(lǐng)域，極易引發(fā)事故。在給運(yùn)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行供電時(shí)，如城市交通中的電車，一般是采用滑動(dòng)接觸的方式，這種方式存在滑動(dòng)磨損、接觸火花、裸露導(dǎo)體和炭積等弊端[1]。這種接觸式充電方式給人們的生產(chǎn)和生活帶來(lái)了不便。目前,使供電系統(tǒng)和電氣設(shè)備之間無(wú)導(dǎo)體接觸已成為電能傳輸?shù)闹匾芯糠较蛑?，而感?yīng)能量傳遞成為首選方法[2]，感應(yīng)能量傳遞技術(shù)比較典型的應(yīng)用是電機(jī)、變壓器等。與電機(jī)相比，變壓器傳輸能量有一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)，就是不受速度的影響。這種傳統(tǒng)的感應(yīng)能量傳遞系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)是子系統(tǒng)之間位置相對(duì)固定。當(dāng)電工設(shè)備與供電電源之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，這種系統(tǒng)的應(yīng)用必然受到限制，同時(shí)大大增加了負(fù)載系統(tǒng)的重量[3]。

為彌補(bǔ)上述系統(tǒng)的不足，可以利用現(xiàn)代電力電子能量變換技術(shù)、電磁感應(yīng)原理與磁場(chǎng)耦合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)接觸傳輸，以進(jìn)一步拓寬電氣設(shè)備的應(yīng)用范圍[5]。本文介紹如何采用簡(jiǎn)易設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量的無(wú)線傳輸，從而達(dá)到安全、遠(yuǎn)程控制的效果。

1 基于互感線圈的能量傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

在一個(gè)電氣系統(tǒng)中，能量的傳輸起著重要的作用。傳統(tǒng)的變壓器是用完整的磁芯連接變壓器的初級(jí)和次級(jí)線圈，兩者處于緊密耦合狀態(tài)[5]。初級(jí)和次級(jí)線圈中產(chǎn)生的磁通在磁芯中形成閉合的磁路，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能量的傳輸。而本系統(tǒng)為非接觸供電系統(tǒng)，初級(jí)和次級(jí)線圈之間沒(méi)有采用磁芯連接，兩者之間是空氣。由于空氣的磁導(dǎo)率很小，初級(jí)和次級(jí)線圈之間處于松耦合狀態(tài)，漏磁大，耦合系數(shù)小[6]。為降低電能傳送時(shí)的電路損耗，可以采用高頻交流電(一般在10～100 kHz)在初級(jí)和次級(jí)之間引起較強(qiáng)的電磁感應(yīng)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律以及楞次定律，次級(jí)可以得到相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)。由于提高了能量密度，從而使非接觸的供電傳輸具有可行性。

本系統(tǒng)基于以上理論，將100 kHz的PWM信號(hào)功率放大后通過(guò)線圈耦合，再經(jīng)整流實(shí)現(xiàn)非接觸供電的LED照明。系統(tǒng)在市電下實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸，將市電轉(zhuǎn)化為DC 12 V和DC 5 V作為系統(tǒng)所需的電源。用STC89C52單片機(jī)產(chǎn)生PWM波控制加載在能量發(fā)送線圈上DC 12 V的通斷，通過(guò)互感線圈實(shí)現(xiàn)能量的無(wú)線傳輸，通過(guò)LED的亮暗來(lái)顯示能量傳輸?shù)某晒εc否。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)由STC89C52單片機(jī)產(chǎn)生PWM波(4種不同占空比分別是1/5、2/5、3/5、4/5)，經(jīng)IRF840使得電路發(fā)送端實(shí)現(xiàn)交替通斷，用作互感器的傳輸交流電。開(kāi)關(guān)狀態(tài)功放對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行開(kāi)關(guān)調(diào)制和功率放大。通過(guò)線圈耦合后，經(jīng)橋式整流轉(zhuǎn)換成直流電壓供給LED照明。系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)需要較高的能量傳輸效率。使用高頻大功率MOS管IRF840自制功放，既能實(shí)現(xiàn)功率放大，也能利用IRF840的導(dǎo)通特性，將信號(hào)通過(guò)后級(jí)LC諧振耦合出去。

系統(tǒng)工作流程：系統(tǒng)通過(guò)發(fā)射不同的PWM信號(hào)，來(lái)調(diào)節(jié)接收端的LED亮度。PWM信號(hào)經(jīng)功放、線圈耦合和整流，最終實(shí)現(xiàn)給LED供電。當(dāng)發(fā)射占空比為1/5的PWM信號(hào)時(shí)，LED亮度較暗，為等級(jí)1；當(dāng)發(fā)射為2/5占空比的PWM信號(hào)時(shí)，LED亮度一般，為等級(jí)2，依此類推，共有4級(jí)亮度，并且可以根據(jù)實(shí)際需要，修改單片機(jī)程序中的PWM信號(hào)的占空比，實(shí)現(xiàn)大于4級(jí)的亮度顯示。

2 基于互感線圈的能量傳輸系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

通過(guò)編程使得P 0.7腳實(shí)現(xiàn)高低電平轉(zhuǎn)換即可產(chǎn)生PWM波。仿真情況下產(chǎn)生的PWM波頻率為100 kHz左右。

互感器傳輸部分的電感[7]

(1)

式中：D為所繞線圈銅線的直徑；N為所繞線圈匝數(shù)；W為線圈寬度；H為線圈高度。

計(jì)算可得，當(dāng)直徑D=0.5 mm，匝數(shù)為50(發(fā)射部分L1)和85(接收部分L2)的電感值分別為135 μH和184 μH。

根據(jù)

(2)

可求得收、發(fā)兩端的電容值分別為196 nF和142 nF。

整流部分包括4個(gè)IN4007二極管和1個(gè)2.2 μF的電解電容，此電容可以使得這部分電流接近直流水平。

LED發(fā)光部分分別用4個(gè)10 Ω電阻與LED并接組成。

系統(tǒng)的硬件部分主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、電源模塊、能量發(fā)送模塊和LED照明模塊。

能量發(fā)送模塊主要包括STC89C52單片機(jī)模塊和高頻功放模塊。由于本系統(tǒng)需要高效率地傳輸電能，從節(jié)省發(fā)射功耗方面考慮，并不需要非常復(fù)雜的調(diào)制方式，故不采用載波。直接將STC89C52單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號(hào)(100 kHz，4種不同占空比)送入處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)的大功率MOS管IRF840的G極,將MOS管的S極接地，將MOS管的D極接至發(fā)送部分的電路。這樣，MOS管導(dǎo)通時(shí)發(fā)送信號(hào)，表示“1”；截止時(shí)不發(fā)送信號(hào)，表示“0”。通過(guò)PWM控制DC 12 V的通斷來(lái)模擬交流電的產(chǎn)生，從而滿足互感線圈對(duì)發(fā)送電源的要求。根據(jù)變壓器理論和系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)的能量發(fā)送電路如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電路圖

能量發(fā)送模塊由電源產(chǎn)生的DC 12 V直接加載于L1，并通過(guò)STC89C52單片機(jī)產(chǎn)生的PWM波來(lái)控制電路的通斷，從而作為互感線圈傳輸需要的交流電，交流電的頻率跟PWM波的頻率相同。

電源部分主要用于將市電穩(wěn)壓成芯片部分和能量發(fā)送所需的直流電。實(shí)現(xiàn)方法：將市電接至變壓器使得輸出為20 V的交流電，經(jīng)過(guò)電橋整流后得到穩(wěn)壓芯片LM7812所需的直流輸入電壓，而LM7812的輸出為DC 12 V，可以作為發(fā)送線圈的電源；再將這12 V電壓接至LM7805CT芯片轉(zhuǎn)換成5 V輸出，這樣便可以給芯片部分供電。

LED照明模塊主要包括橋式整流和LED照明。互感線圈通過(guò)交流耦合作用在副線圈產(chǎn)生一定的電壓，將此電壓經(jīng)整流后可得到直流電用作負(fù)載的電源。

橋式整流部分由D1、D2、D3、D4組成橋式整流電路，將接收到的交流轉(zhuǎn)換為直流給LED供電。LED照明模塊從耦合線圈獲取能量，經(jīng)過(guò)橋式整流變換為直流電，給LED供電。L1、C2和C6組成LC諧振回路，使接收電路最大限度地獲取能量。LED照明部分采用并聯(lián)方式連接5個(gè)LED，并在每個(gè)并聯(lián)支路中加上10 Ω電阻以保護(hù)LED，此過(guò)程中，不需要將所接收到的進(jìn)行解調(diào)，只做整流。為更好獲取能量，橋式整流后，加1個(gè)470 μF的電容作為儲(chǔ)能元件。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分包括初始化程序、不同占空比的PWM信號(hào)產(chǎn)生程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、外部中斷程序、數(shù)字量讀取程序、延時(shí)子程序等。

單片機(jī)程序主要用于產(chǎn)生頻率為100 kHz的4種不同占空比的PWM信號(hào)，分別為1/5、2/5、3/5、4/5，并以中斷的方式進(jìn)行A/D的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換和讀取數(shù)字量。

如圖3，單片機(jī)運(yùn)行時(shí)，首先進(jìn)入產(chǎn)生占空比為1/5的PWM波的循環(huán)中，并在每次循環(huán)末尾對(duì)寄存器R7進(jìn)行判斷，當(dāng)寄存器R7的值發(fā)生改變時(shí)，單片機(jī)產(chǎn)生下一種占空比的PWM波。循環(huán)順序?yàn)椋?/5、2/5、3/5、4/5。

圖3 主程序流程圖

本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)P0口的一個(gè)位置“1”和清零來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM波的產(chǎn)生，而對(duì)占空比的控制則是采用延時(shí)的方式實(shí)現(xiàn)的。不同占空比的PWM波的轉(zhuǎn)換則是通過(guò)外部中斷1實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)外部中斷1產(chǎn)生時(shí)，R7自加1，編程通過(guò)不同R7的值對(duì)應(yīng)不同占空比的PWM波實(shí)現(xiàn)了不同PWM波之間的轉(zhuǎn)換。 但當(dāng)R7的值加到4之時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將R7清零，從而實(shí)現(xiàn)了R7在0、1、2、3這4個(gè)值內(nèi)變化，分別對(duì)應(yīng)單片機(jī)產(chǎn)生占空比為1/5、2/5、3/5、4/5的PWM波。

3 基于互感線圈的能量傳輸系統(tǒng)的調(diào)試

3.1 系統(tǒng)調(diào)試

能量發(fā)送線圈和接收線圈均用直徑為0.5 mm的漆包線在直徑60 mm的易拉罐上繞制而成，繞52圈，接收線圈繞85圈，使用電橋在100 kHz條件下測(cè)得電感值分別為115 μH和162 μH。

系統(tǒng)發(fā)送和接收電路包括控制部分和負(fù)載部分?？刂撇糠职刂菩盘?hào)PWM波的產(chǎn)生，STC89C52單片機(jī)產(chǎn)生PWM波加至IRF840的G極來(lái)控制IRF840 D、S極的通斷；負(fù)載部分包括由4個(gè)IN4007組成的整流橋和5路由電阻和LED燈并接而成。發(fā)送部分在調(diào)試中采用占空比為3/5的波作為測(cè)試，而互感線圈部分的發(fā)送波形用示波器可測(cè)得，如圖4所示。

圖4 發(fā)送和接收調(diào)試的波形圖

由圖4可看出，發(fā)送線圈由于單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力的限制只能得到峰值為5 V左右的交流電，而在接收端能夠明顯地看到其耦合作用，其接收到的波形呈現(xiàn)明顯的周期性。但由于傳輸效率的限制，其峰值只有1.5 V左右。由于LED燈的驅(qū)動(dòng)電壓要在1.8 V以上，故將接收線圈的信號(hào)經(jīng)LC諧振，才能得到符合驅(qū)動(dòng)LED燈亮的信號(hào)。

3.2 功率計(jì)算部分

根據(jù)系統(tǒng)要求，負(fù)載消耗的功率應(yīng)小于5 W，每個(gè)燈的電流應(yīng)不小于5 mA，需在負(fù)載端測(cè)出電壓及電流數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。由表1可以計(jì)算出，負(fù)載消耗功率為0.020 44 W，符合系統(tǒng)要求。

表1 LED照明發(fā)光電流測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)電磁感應(yīng)耦合技術(shù)和單片機(jī)控制技術(shù)設(shè)計(jì)的無(wú)接觸供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳輸功能，具有安全、可靠、靈活的特點(diǎn)。這種供電方式，一方面克服了傳統(tǒng)供電方式的諸多弊端，實(shí)現(xiàn)了沒(méi)有機(jī)械連接的大氣隙感應(yīng)耦合供電；另一方面由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)靈活，供電不受設(shè)備運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的限制，既可為靜止設(shè)備，也可為水平運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的設(shè)備供電。