劉曉文， 郭 雨， 薛 雪

(中國礦業(yè)大學 電氣與動力工程學院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

目前的電子電路和儀器設(shè)備主要依靠直流穩(wěn)壓電源提供電能，電源質(zhì)量的好壞直接影響到電路和設(shè)備的運行情況，從而影響到人們的生產(chǎn)生活。隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，電子設(shè)備的性能逐漸提高，人們對電源的安全性、穩(wěn)定性等要求也越來越高[1]。傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源存在穩(wěn)定性差、性能低和準確度不準等問題[2]，這些問題致使它們已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代供電設(shè)備的需求。此外，傳統(tǒng)的電能傳輸在安全性和可靠性上存在較大的不確定性，極易引發(fā)安全事故。

以單片機為核心設(shè)計出的智能穩(wěn)壓電源系統(tǒng)能夠彌補傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源的不足，其結(jié)構(gòu)緊湊、性能卓越，極大地提高了輸出電壓的安全性和穩(wěn)定性[3-4]。同時，無線電能傳輸技術(shù)的誕生，較好地解決了傳統(tǒng)輸電中存在的問題，它具有安全、高效率和穩(wěn)定可靠等特點[5]。本文將磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)和穩(wěn)壓電源系統(tǒng)進行融合，設(shè)計了一款以高性能單片機為控制核心，連續(xù)可調(diào)且能夠兩路輸出電壓的電源系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)主要分為兩大部分，第1部分是磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩部分組成。發(fā)射部分包含LC并聯(lián)諧振回路和驅(qū)動回路，電能匯聚在發(fā)射線圈上，接收部分把磁耦合傳遞的電能經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓后轉(zhuǎn)化為直流電。第2部分是智能穩(wěn)壓電源系統(tǒng)，其核心技術(shù)是通過單片機控制數(shù)模轉(zhuǎn)換等電路從而調(diào)控整個系統(tǒng)的輸出電壓，主要由升壓控制電路，降壓控制電路，A/DC、D/AC轉(zhuǎn)換，單片機模塊和顯示部分組成。磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)所產(chǎn)生的直流電壓，在智能穩(wěn)壓電源系統(tǒng)中被用作單片機以及各種電路的驅(qū)動電壓，從而恰當?shù)貙刹糠帚暯釉谝黄穑瑯?gòu)成了整個系統(tǒng)。

2 磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)設(shè)計

2.1 磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)

磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)依靠電磁場近場范圍內(nèi)的磁場共振實現(xiàn)能量的無線傳輸。當發(fā)射端激勵源的頻率與磁耦合諧振部分中LC諧振回路的共振頻率相同時，傳輸?shù)郊钤吹哪芰繒噪娔艿男问絻Υ嬖诎l(fā)射端諧振回路的補償電容中，補償電容諧振狀態(tài)下與線圈電感進行電能和磁場能的轉(zhuǎn)換，此時的發(fā)射線圈一方面產(chǎn)生磁場向外輻射，另一方面激勵接收線圈。當感應(yīng)到共振頻率下的磁場變化時，接收線圈會將發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場能全部吸收并在線圈電感中儲存，然后在接收端諧振回路中與諧振補償電容進行磁場能和電能的轉(zhuǎn)換[6-7]。針對磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)墓ぷ鳈C理，目前主要有耦合模理論、磁場有限元理論以及互感耦合理論等分析方法[8-10]。

2.2 無線電能傳輸系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的無線電能傳輸系統(tǒng)由兩部分組成。發(fā)射部分將電源和驅(qū)動電路產(chǎn)生的電能聚集到發(fā)射線圈上，利用磁耦合的方式將電能傳送到接收線圈上，從而使能量被接收部分的負載使用。發(fā)射和接收線圈基本都是由相同固定頻率的LC電路組成的，線圈并聯(lián)的電容值的大小是相同的，目的是使兩個線圈之間的耦合更容易產(chǎn)生。該系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(1) 發(fā)射部分。電源為發(fā)射部分中的各個電路原件提供能夠保證它們正常工作的電能，驅(qū)動電路主要有兩個作用，一方面是提供震蕩信號，從而促使諧振的產(chǎn)生，另一方面是負責放大驅(qū)動，進而驅(qū)動發(fā)射線圈。發(fā)射部分產(chǎn)生的能量最終集結(jié)到發(fā)射線圈中。

圖1 無線電能傳輸系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)

(2) 接收部分。接收部分主要由接收線圈、變換電路和負載組成，接收線圈通過諧振的方式獲得發(fā)射線圈中的電能，然后利用變換電路將轉(zhuǎn)化后的電能供給負載。由于接收線圈獲取的是交流電，而負載需要提供的是直流電，因此必須使交流電源經(jīng)過一系列變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓等變換處理，這樣處理后得到的直流電也會更穩(wěn)定。

3 電源系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

本文設(shè)計的電源系統(tǒng)是將無線電能傳輸系統(tǒng)所產(chǎn)生的直流電作為輸入，實現(xiàn)對兩路輸出穩(wěn)壓且可調(diào)控的功能。兩路輸出就是一路對電壓進行降壓處理，另外一路對電壓進行升壓處理，在單片機中集成有A/DC轉(zhuǎn)換的接口處輸入這兩路電壓，通過單片機來采集處理電壓值，然后利用LCD將單片機所采集到的兩路電壓顯示出來。同時設(shè)置矩陣鍵盤，當有按鍵信息傳送給單片機時，單片機就會將按鍵處理后的電壓的數(shù)字量傳遞到D/AC轉(zhuǎn)換電路，然后由轉(zhuǎn)換電路D/AC將產(chǎn)生的模擬電壓值反饋到降壓或升壓控制電路，降壓或升壓電路則會依據(jù)反饋回來的電壓模擬量來調(diào)控電壓的輸出大小，從而改變電源系統(tǒng)輸出的電壓值大小。

3.1 硬件設(shè)計

整個智能穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

(1) 單片機選型。本文設(shè)計采用STC15F2K60S2單片機作為主要控制中心，該系列單片機兼容8051內(nèi)核，成本低、功耗低、速度高且應(yīng)用廣泛。與傳統(tǒng)8051內(nèi)核單片機不同，STC15F2K60S2自帶兩個全雙工的UART串口，并且在片內(nèi)內(nèi)置了一個8通道的10 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以省去外接的A/D轉(zhuǎn)換芯片，同時還內(nèi)置了3個16 bit的定時器，高精度的晶體振蕩器等供用戶使用[11-12]。符合設(shè)計的需要。

(2) 降壓控制電路的設(shè)計。降壓控制電路主要是對輸入電壓做降壓處理，其原理如圖3所示。

圖3 降壓控制電路圖

本次設(shè)計中選用LM2576集成芯片作為降壓型開關(guān)穩(wěn)壓控制器。這個芯片有一個確定的數(shù)量關(guān)系式：

Uo=(1+R2/R1)UR

(1)

式中:Uo是輸出電壓;R2和R1是反饋端的兩個電阻，在芯片內(nèi)部R2通路，R1開路;UR是基準電壓，大小是1.23 V。

此芯片輸出電壓的大小是根據(jù)反饋端的兩個電阻阻值的比例來調(diào)節(jié)的[13]，為了保證單片機能夠控制反饋的大小從而調(diào)控輸出電壓的大小，斷開反饋引腳和外部分壓電路，使D/AC的輸出電壓引入反饋，將R1端的分壓值和D/AC的輸出電壓值進行一個求差值比較，經(jīng)過比較和計算得出的數(shù)量關(guān)系式：

Uo=(UD/AC-UR)(1+R2/R1)

(2)

式中:UD/AC是D/AC反饋電壓。由式(2)可見，芯片的輸出電壓和D/AC反饋的電壓值是成正比例關(guān)系的。根據(jù)式(2)和要求的輸出范圍來選擇合適的電阻，降壓電路中選用的電阻R2為2 kΩ，R1為10 kΩ。

(3) 升壓控制電路的設(shè)計。為了實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)的升壓效果，本次設(shè)計選用可調(diào)的升壓集成電路，采用LM2577集成芯片，這個芯片的輸出電壓有3種類型，其他功能和LM2576基本相同[14]。把反饋引腳接到D/AC的輸出位置，從而獲取其所輸出的模擬電壓值，就能夠通過反饋的值來調(diào)節(jié)升壓電路的輸出電壓。為了使升壓控制電路的輸出電壓最大能達到30 V，芯片反饋端的兩個分壓電阻的比值需要作出相應(yīng)的調(diào)整，式(2)同樣適用于LM2577芯片，根據(jù)D/AC反饋電壓和芯片輸出電壓的關(guān)系，可以計算出R2和R1的比值要大于7.96，才能保證輸出電壓達到最大值，因此升壓電路中選用的電阻R2為40 kΩ，R1為5 kΩ。由于STC15F2K60S2單片機的工作電壓在5～15 V之間，而升壓控制電路可以達到的最大電壓是30 V，所以要在電壓輸入單片機之前串聯(lián)兩個電阻進行分壓處理。

(4) A/DC、D/AC轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計。本次設(shè)計直接使用了STC15F2K60S2單片機內(nèi)部集成的A/DC模塊，此模塊精度較高，完全滿足設(shè)計需求。由于整個系統(tǒng)是通過反饋來調(diào)整電壓輸出的，而單片機提供的是數(shù)字信號，因此還需要進行D/AC轉(zhuǎn)換，選用DAC0832芯片實現(xiàn)轉(zhuǎn)換[15]。這種芯片輸出的是模擬電流信號，需要經(jīng)過一個運放將電流轉(zhuǎn)化成電壓輸出，具體的輸出轉(zhuǎn)化式：

Uo=-UR×D/256

(3)

式中:Uo是輸出電壓;UR是芯片的基準電壓。這里選用的值為-5 V，D表示單片機提供給DAC0832的數(shù)字量。針對系統(tǒng)要實現(xiàn)兩路輸出，使用兩個D/AC0832芯片，分別采集單片機提供的數(shù)據(jù)，再通過D/AC轉(zhuǎn)換電路將模擬量反饋給升壓控制電路和降壓控制電路。

3.2 軟件設(shè)計

(1) 系統(tǒng)主控部分設(shè)計。針對系統(tǒng)主控部分的軟件設(shè)計，第1步是對系統(tǒng)進行初始化，設(shè)定電壓的范圍，降壓控制電路的初始電壓設(shè)定為3 V，升壓控制電路的初始電壓設(shè)定為15 V，單片機將A/DC傳遞過來的數(shù)據(jù)初始化為設(shè)定值。將電壓值初始化之后，如果有按鍵按下，單片機將按鍵的輸入和當前的數(shù)值進行比較，判斷是增加還是減小電壓，根據(jù)式(2)和式(3)計算出傳遞給D/AC轉(zhuǎn)換電路的反饋電壓值，然后外部控制電路根據(jù)反饋的電壓值對輸出電壓進行調(diào)整，調(diào)整后的電壓再次傳遞給單片機，單片機將此時的電壓顯示出來。當輸出電壓達到了最大值(最小值)時，如果依然有增加(減少)的按鍵被按下，此時單片機會將電壓值重新回歸到初始化的設(shè)定值。本次軟件設(shè)計的系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)流程圖

(2) 按鍵部分設(shè)計。本部分設(shè)計了4個按鍵來控制兩路電壓的輸出，即升壓控制電路的電壓增加鍵和電壓減小鍵，以及降壓控制電路的電壓增加鍵和電壓減小鍵。在接收到按鍵操作命令之后，單片機首先判斷是負責哪一路的電壓按鍵被按下，然后將相應(yīng)電路的電壓值傳遞給相應(yīng)的D/AC轉(zhuǎn)換芯片。針對按鍵抖動這一現(xiàn)象，在程序中進行軟件消抖處理，將按鍵延時10 ms后再操作。

(3) 顯示部分設(shè)計。顯示部分設(shè)定LCD與單片機的接口所采取的訪問方式為間接訪問方式，把這個LCD顯示屏當做一個外設(shè)連接到單片機的并行接口上，然后單片機對這個并行接口進行相應(yīng)的操作。

4 實驗測試

根據(jù)上述設(shè)計，搭建整體電路硬件系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進行測試實驗。實驗中，設(shè)置平行放置的發(fā)射線圈和接收線圈之間的距離為10 cm，電源處輸入15 V的電壓，在500 mA負載條件下采用示波器測試不同時間下系統(tǒng)輸出的波形，測試該系統(tǒng)是否穩(wěn)定輸出。表1和表2分別表示系統(tǒng)在20 ns,5 μs和30 μs下所測的直流5 V輸出和直流25 V輸出的實驗數(shù)據(jù)。

表1 直流5 V輸出實驗數(shù)據(jù)

表2 直流25 V輸出實驗數(shù)據(jù)

由實驗測試可知，該系統(tǒng)輸出電壓的誤差范圍均在±4%以內(nèi), 誤差較小，這表明本文設(shè)計的系統(tǒng)總體輸出比較穩(wěn)定,可靠性較高，滿足設(shè)計要求。

5 結(jié) 語

本文將磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)應(yīng)用到以單片機為控制核心的穩(wěn)壓電源系統(tǒng)中，既用到了無線電能傳輸?shù)南嚓P(guān)理論，又用到了單片機電路的有關(guān)知識，是一個綜合型設(shè)計。實驗表明，設(shè)計的系統(tǒng)在穩(wěn)定性和可靠性等方面有了較大的改善。在今后的工作中將進一步完善設(shè)計，使系統(tǒng)更加符合供電設(shè)備的需求。