基于無線供電的循跡小車設計與制作

摘要：無線供電技術隨著應用領域的不斷擴大，對該技術開展的相應研究也不斷在增強，從電動汽車無線供電的目標出發，建立現代工廠智能物流小車實驗模型，在低功率領域對循跡方式、無線供電系統設計等相關問題進行設計、制作及實證。為后續功率提升提供借鑒和參考，同時也為高校教學中的循跡小車訓練項目的提供擴展參考。

關鍵詞：無線供電 循跡小車 無線充電 磁耦合

中圖分類號： TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（c）-0000-00

無線供電技術隨著氣候變化、能源枯竭和環境保護的日趨嚴峻而不斷發展，而電磁偶爾具有的功率大、輸電效率高的特點，各高校和研究機構先后投入該領域的研究和應用。但目前主要研究成果仍然集中在美國、日本、韓國等國家。我國的研究主要集中在實驗和驗證、應用推廣領域。各高校也將無線供電作為課程設計和畢業設計引入到教學當中，并組件相關的興趣小組。而循跡小車作為典型的機器人技術，應用領域越來越廣泛，將無線輸電技術和循跡結合起來，是實現擴大循跡小車應用功能的一個思路。

1 設計概要

小車的設計與制作共分為四個部分，首先制作實驗模型的框架，尺寸為50CM*50CM，材料為木制框架及PT板臺面，同時進行技術分析，包括線圈排布，變壓器位置等進行初步設計。其次選定循跡方式，在設計過程中初次方案為基于C51單片機平臺的循跡，為降低負載功率，選用基于ATS51平臺的紅外探測比較循跡方式。選定方案后，進行小車的焊接與制作。再次是選定充放電電路，進行比較后制作供電系統模塊。最后對供電系統與循跡小車的配合進行仿真，進行參數修正，并形成成品。

2 循跡模塊設計

2.1小車循跡原理

循跡小車的循跡原理是在制作好的模型框架上，可以用記號筆等進行自由的軌道繪制，由于黑線與白底對光的反射系統不同，傳感器可根據接收到的反射光來進行判斷，并將判斷結果輸送給電機。

2.2檢測電路

在循跡的方式中，利用紅外探測是一種經濟有效的方法，由于設計對精度的要求不高，因此采用紅外探測的方法。即紅外線對不同顏色物體的表面有著不同的反射性質，當遇到白色底板時候，發生漫反射現象，反射光被接收管接收，若為黑線，則接收管無信號。為提高可靠性，采用集成式的ST系列探頭，該系列探頭具有價廉、方便、可靠等優點，其內部結構和外接電路如圖1所示。

圖1 ST168檢測電路

圖2中R1限制發射二極管的電流，發射管的電流和發射功率成正比，但受其極限輸入正向電流影響，用R1=150的電阻作為限流電阻，Vcc=5V作為電源電壓，測試發現發射功率滿足檢測需要；R2限制接收電路電流，保護接收紅外管和檢測電路的靈敏度的調節。在輸出端增加了比較器，先將ST168輸出電壓與2.5V進行比較，再送給單片機處理和控制。

高發射功率紅外光電二極管和高靈敏光電晶體管是ST168的主要組成部分，檢測方式為非接觸式。當然也存在檢測距離小（8～15mm），8mm以下為檢測盲區，大于15mm干擾過大。經過反復比較和測試，距離檢測表面為11mm為最佳檢測距離。安裝的排列方式如圖2所示。在底盤裝設4個紅外探測頭，進行兩級方向糾正控制，提高其循跡的可靠性。

圖2 紅外探頭的分布圖

2.3軟件控制單元

軟件控制是循跡小車制作的核心部分，起著控制小車所有運行狀態的作用，主要表現為循跡程序的設計與編寫。當小車進入循跡模式，程序不間斷讀取與傳感器連接的I/O接口，若檢測到接口有信號變化，則啟動判斷程序，同將輸出的結果輸送給電機，通過電機的動作糾正小車的狀態。其程序控制方框圖如圖3所示。

圖3 系統的程序流程圖

2.4車速的控制

車速控制是設計中比較重要的部分，一般可以通過步進電機代替直流電機，實現車速調節。另外一種做法是在原有直流電機的基礎上，采用PWM調速法進行調速。若采用前一種，則在機械裝置的設計時需要進行預先設計與制作，因此采用后一種方式，利用輸出端高電平的脈寬及占空比的大小來控制電機的轉速度。通過實驗不斷調整相應的參數，使小車能夠較為平穩地進行動作，克服在尋循跡時搖擺的問題。

2.5電機驅動單元

由于單片機接口輸出的信號功率很低，在無多余負載時也無法驅動電機，在實際應用往往加入驅動芯片，用來提高驅動功率，使能夠根據實際需求來控制電機轉動，在設計中根據驅動功率大小的需求選擇L298N驅動芯片。

3 無線供電模塊設計

3.1無線供電概述

無線電能傳輸（Wireless Power Transmission， WPT），就是在無任何物理上的連接或接觸（不用導線）的情況下，通過電磁場、電磁波進行電能傳輸的一種技術。美國麻省理工學院于2007年發表其研究成果后，無線電能傳輸技術作為一種中等距離無線電能傳輸技術，受到了越來越廣泛的關注。該成果中所敘述的磁耦合諧振式無線電能傳輸技術也就成為了研究熱點問題。

3.2 無線供電模塊設計

3.2.1 電磁感應充電原理

其工作原理與變壓器相似，但原邊和副邊是分離的，沒有任何物理上的連接接觸，當發送線圈中通以交變電流，該電流在將在周圍介質中形成一個交變磁場，電能、磁能隨著電場與磁場的周期變化以電磁波的形式向空間傳播，要產生電磁波首先要有電磁振蕩，電磁波的頻率越高其向空間輻射能力的強度就越大，電磁振蕩的頻率至少要高于100KHZ，才有足夠的電磁輻射。接收線圈中產生的感應電動勢可驅動小車模型。

系統通過逆變電路將直流電轉換為高頻等幅交流信號驅動原邊繞組，副邊繞組磁通量的高頻變化使得副邊繞組中產生一定幅值的高頻感應電動勢，經過整流、濾波、穩壓可得到具有一定驅動能力的直流電。

3.2.2電路設計

設計中由于原、副邊線圈存在很大的漏感，所以要提高系統的效率，需要加入適當的補償，減小漏感的能量消耗，使電路工作在諧振的狀態，可以有效降低電源的電壓電流定額，使得原邊電壓電流同相位，輸入具有高功率因數。選用XKT-408A集成PWM方波調制發生器芯片完成高頻振蕩，用T5336集成晶閘管芯片做功率放大電路，綜合考慮電能發射模塊的復雜程度、體積、成本以及小車模型的工作電壓和工作電流需求，設計電能發射的原邊電路如圖4所示。

圖4 電能發射電路

副邊電路用肖特基二極管進行整流后經T3168開關型集成穩壓芯片變壓后輸出5V給小車供電，電路如圖5所示。

圖5 電能接收電路

3.2.3 電路的仿真與實驗

（1）仿真。

利用MULTISIM繪制出仿真實驗電路：按圖設置各元件的參數，打開仿真開關，從示波器上兩個通道觀察輸出波形及其與輸入信號的關系。

（2）實際電路的測試。

為分析各個因素對傳輸效率的影響，參數選擇時，根據實際應用情況，首先確定發射線圈用線徑Φ0.7mm，外徑50mm，電感量30uH，接收線圈線徑Φ0.7mm，直徑為50mm。

4 結語

為可行性探索實驗的樣機，目標功能為驅動小功率汽車模型，如果將該設計推廣到電動汽車上為大容量電池充電，從理論上還需要有相當長的時間，同時存在功率穩定和電磁輻射的問題。通過實驗模型驗證，初步概想作為新型玩具，或者應用到現代工廠中的智能循跡小車，具備一定的應用價值，當然還有如供電功率、線徑、傳輸效率等諸多因素要考慮，在后續的研究中加以深入探討。

參考文獻

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