一种基于单片机控制的谐振式能量无线传输系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种谐振式能量无线传输系统，尤其涉及的是一种基于单片机控制的 谐振式能量无线传输系统。
【背景技术】
[0002] 所谓能量无线传输技术也称无线充电技术，即不借助实物连线即可实现电能的无 线输送。其优点在于：方便、快捷、减少在苛刻条件下使用电缆带来的危险性等。对能量无 线传输技术的研究开始较早，早在1900年，尼古拉·特拉斯就开始无线电能传输的实验，经 过一百多年的发展，关于能量无线传输的方法多种多样，但基本原理大概可以分为以下三 种：电磁感应式、无线电波式、谐振耦合式。
[0003] 谐振耦合式能量无线传输技术的非辐射性、高效率等优点是其它能量无线充电技 术无法相比的。所谓谐振耦合式就是利用接收线圈的电感和并联的电容形成共振回路，在 接收端也组成同样共振频率的接收回路，利用谐振形成的强磁耦合来实现高效率的无线电 能传输。该技术的出现引起了国内外学术界与工业界的巨大兴趣，被公认为目前最具发展 前景的一种无线能量传输技术方案"。
[0004] 但目前基于谐振耦合式的能量无线传输技术的研究偏向理论化，缺乏对实际应用 有定量指导意义的研究成果，同时此技术传输功率较小远远不能完成大功率能量传输，也 存在着能量损失较高等缺陷。但毋庸置疑，谐振耦合式能量无线传输技术对充电设备位置 的灵活性及充电设备的高效匹配性具有重要的实用价值。
【发明内容】
[0005] 为了克服现有的谐振式能量无线传输系统功能分工不明确、缺乏人性化和离线编 程功能、适应性差的不足，本发明提供一种模块化和人性化设计、功能完备、适应性强的基 于单片机控制的谐振式能量无线传输系统。
[0006] 为了解决上述技术问题提供的技术方案为：
[0007] -种基于单片机控制的谐振式能量无线传输系统，所述系统包括输入LC滤波模 块、桥式串联谐振模块、LC并联谐振模块、不可控桥式整流模块、输出LC滤波模块和控制器 模块，所述输入LC滤波模块、桥式串联谐振模块和LC并联谐振模块依次连接形成无线能 量发射端，不可控桥式整流模块与输出LC滤波模块连接形成无线能量接收端，所述LC并 联谐振模块的感应线圈与不可控桥式整流模块的感应线圈配合，所述输入LC滤波模块与 所述控制器模块的电流采集端连接，所述控制器模块的控制端与所述桥式串联谐振模块连 接；所述控制器模块包括用于通过调节桥式串联谐振模块的谐振频率保证采集到的输入电 流稳定在设定范围的能量传输控制单元。
[0008] 进一步，所述系统还包括辅助电源模块，所述控制器模块与所述辅助电源模块连 接。
[0009] 再进一步，所述系统还包括人机交互模块，所述人机交互模块与所述控制模块连 接。所述人机交互模块也同时与所述辅助电源模块连接。
[0010] 所述人机交互模块包括按键离线设定模块和液晶实时显示模块两部分，该模块可 以实现离线编程功能。
[0011] 本发明的有益效果主要表现在：模块化和人性化设计，功能完备，适应性强。
【附图说明】
[0012] 图1为基于单片机控制的谐振式能量无线传输系统的系统组成框图。
[0013] 图2为基于单片机控制的谐振式能量无线传输系统的电路连线示意图。
[0014] 图3为基于单片机控制的谐振式能量无线传输系统的控制器框图。
[0015] 图4为基于单片机控制的谐振式能量无线传输系统的控制模块流程图，其中，（a) 为控制主程序的流程，（b)所示为定时器中断服务程序的流程。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0017] 参照图1~图4, 一种基于单片机控制的谐振式能量无线传输系统，包括输入LC滤 波模块1、桥式串联谐振模块2、LC并联谐振模块3、不可控桥式整流模块4、输出LC滤波模 块5、负载模块6、控制器模块7、人机交互模块8和辅助电源模块9。
[0018] 所述辅助电源模块9为控制器模块和人机交互模块提供稳定的电压供应；所述输 入LC滤波模块、桥式串联谐振模块、LC并联谐振模块属于能量无线发送端的模块；所述不 可控桥式整流模块、输出LC滤波模块、负载模块属于能量无线接受端的模块；所述控制器 模块7通过保证采集到的输入电流始终稳定在设定的范围内，来调整桥式串联谐振模块的 谐振频率，以此实现最大效率的能量传输；所述人机交互模块包括按键离线设定模块和液 晶实时显示模块两部分，该模块可以实现离线编程功能。
[0019] 所述辅助电源模块可以输出两路独立的3. 3V电源，一路3. 3V电源保证控制器正 常工作；另一路3. 3V电源为人机交互模块供电。
[0020] 所述输入LC滤波模块的电感L1取值为500 μ H，电容C i取值为2200 μ F。
[0021] 所述桥式串联谐振模块由H全桥电路和LC串联电路组成，其谐振频率的计算公式 为：
《其中，H全桥电路的MOSFET型号为：IRF3205 ;LC串联电路的电感1^ 取值为10 μΗ，电容C1取值为50nF，即谐振频率为225KHZ。其中，电感L 丝包线绕制而 成，该丝包线规格为：〇. Immx600股；电容为CBB电容。
[0022] 所述LC并联谐振模块的电感L2取值为10 μ H，电容C 2取值为50nF。其中，电感L i 由丝包线绕制而成，该丝包线规格为：0.1 mmx600股；电容为CBB电容。
[0023] 所述不可控桥式整流模块的二极管型号为：SR5100,该二极管耐压值为100V，可 以保证输出较大的输出电压。
[0024] 所述输出LC滤波模块的电感L。取值为500 μ H，电容C。取值为470 μ F。
[0025] 所述控制器模块的32位单片机型号为：MK60DN512ZVLQ104N30D。
[0026] 所述人机交互模块由按键离线设定模块和液晶显示模块共同组成。在离线环境 下，按键设定模块可以根据实际需要调整谐振频率的大小，从而大大提升了系统的适应性。
[0027] 图2为本发明的电路连线示意图，图中给出了各个模块的电路连接情况。其中，能 量发射部分采用桥式串联谐振电路，L1为发射线圈；能量接收部分采用并联谐振和不可控 桥式整流电路，L2为接收线圈。能量无线传输控制器通过电流检测单元检测输入电流信号 Vseni，经处理得到Vgel信号，再由控制器根据V gel信号生成控制MOSFET的M PM2UP M 4的控 制信号Vgp和V ap，MOS管驱动单元将控制信号Vgp和V ap转换成MOSFET的M η M2、MjP M 4的 驱动信号Vgl、Vg2、Vg3和V g4，驱动信号Vgl、Vg2、Vg3和V g4直接控制MOS管V gl、Vg2、Vg3和V g4的 开关工作状态。
[0028] 本发明的能量无线传输控制器通过设定MOSFET的M1J2J 3和M 4的占空比可实现 工作效率最大或者维持输入电流恒定且小于1A，因此具有2大模式控制功能：（1)最大工作 效率；（2)保持输入电流恒定且小于1A。
[0029] 图3为本发明的控制器框图。根据该图所示，我们可以更直观地了解控制器的工 作过程：首先通过A/D 口检测输入电流信号Vsl，接着根据采集的信号，给出H桥的输入信号 Vgp和V ap，这两路PWM信号则作用于H全桥电路的四路M0SFET。因此，通过改变PffM的大小， 即可直接控制谐振频率的大小。
[0030] 图4(a)为本发明的控制主程序的流程。主程序首先进行液晶初始化；接着初始 化FTMO的FTM_CH1和FTM_CH2通道，使输出两路互补带死区的PffM波；其次配置ADC0_ SE15 (PTCl)作为A/D采样通道；然后进行定时器中断配置，使能定时器中断；最后进入循 环，等待定时器中断。
[0031] 图4(b)所示为定时器中断服务程序的流程。进入定时器PITO中断服务程序后， 首先判断PITO是否进入中断，如果没有进入，则中断返回；如果进入，则清中断标志位，保 存输入电流IN_I，然后进行数据处理，计算公式如（2-1)所示。接着，判断second_flag和 gpio_get(PTA8)的值，如果second_flag为1或者gpio_get(PTA8)为0,则对输入电流进 行增量式PID调节，使其维持在IA以下；否则，FTMO的FTM_CH1和FTM_CH2通道输出固定 30%占空比的PffM波。最后，中断返回。
[0032] 1=111^3.3/(25.6^0.025^255.0) (1-1)
[0033] 式（1-1)中IN_I为输入电流的采样值，I1为经过折算后的实际输入电流，3. 3为 A/D 口输入允许的最大电压值（其对应的8位A/D转换数字量为255. 0)，25. 6是把电流信 号转换成电压信号后放大的倍数（为保证A/D 口采集到的电压小于3. 3V)，0. 0025为把电 流信号转换成电压信号的采样电阻值。
[0034] 定时器中断服务程序中主要的变量如表1所示。
[0036]表1〇
【主权项】
1. 一种基于单片机控制的谐振式能量无线传输系统，其特征在于：所述系统包括输入 LC滤波模块、桥式串联谐振模块、LC并联谐振模块、不可控桥式整流模块、输出LC滤波模块 和控制器模块，所述输入LC滤波模块、桥式串联谐振模块和LC并联谐振模块依次连接形成 无线能量发射端，不可控桥式整流模块与输出LC滤波模块连接形成无线能量接收端，所述 LC并联谐振模块的感应线圈与不可控桥式整流模块的感应线圈配合，所述输入LC滤波模 块与所述控制器模块的电流采集端连接，所述控制器模块的控制端与所述桥式串联谐振模 块连接；所述控制器模块包括用于通过调节桥式串联谐振模块的谐振频率保证采集到的输 入电流稳定在设定范围的能量传输控制单元。2. 如权利要求1所述的基于单片机控制的谐振式能量无线传输系统，其特征在于：所 述系统还包括辅助电源模块，所述控制器模块与所述辅助电源模块连接。3. 如权利要求1或2所述的基于单片机控制的谐振式能量无线传输系统，其特征在于： 所述系统还包括人机交互模块，所述人机交互模块与所述控制模块连接。4. 如权利要求3所述的基于单片机控制的谐振式能量无线传输系统，其特征在于：所 述人机交互模块包括按键离线设定模块和液晶实时显示模块。
【专利摘要】一种基于单片机控制的谐振式能量无线传输系统，包括输入LC滤波模块、桥式串联谐振模块、LC并联谐振模块、不可控桥式整流模块、输出LC滤波模块和控制器模块，输入LC滤波模块、桥式串联谐振模块和LC并联谐振模块依次连接形成无线能量发射端，不可控桥式整流模块与输出LC滤波模块连接形成无线能量接收端，LC并联谐振模块的感应线圈与不可控桥式整流模块的感应线圈配合，输入LC滤波模块与控制器模块的电流采集端连接，控制器模块的控制端与桥式串联谐振模块连接；控制器模块包括用于通过调节桥式串联谐振模块的谐振频率保证采集到的输入电流稳定在设定范围的能量传输控制单元。本发明模块化和人性化设计、功能完备、适应性强。
【IPC分类】H02J17/00
【公开号】CN105226838
【申请号】CN201510733882
【发明人】俞立, 何胜权, 陈先坐, 刘安东, 张文安
【申请人】浙江工业大学
【公开日】2016年1月6日
【申请日】2015年11月2日