一種簡單無線供電車燈裝置的設計

馬如偉， 張志禹， 張春美， 張得龍

(1.西安理工大學 自動化與信息工程學院，陜西 西安 710048； 2.濰坊科技學院，山東 濰坊 262700)

一種簡單無線供電車燈裝置的設計

馬如偉1， 張志禹1， 張春美1， 張得龍2

(1.西安理工大學 自動化與信息工程學院，陜西 西安 710048； 2.濰坊科技學院，山東 濰坊 262700)

隨著科學技術的日益發展，汽車制造行業也逐漸成熟，對于汽車中供電車燈的關注度正在逐步提高，而非接觸供電車燈的研究是汽車制造業更為關注的課題。本文對非接觸供電車燈的原理以及設計作了較為詳細的闡釋，并用ARM微處理器作為非接觸供電車燈的無線反饋穩壓電路的處理單元，利用Protel DXP2004設計出原邊和副邊的PCB板，采用編程工具Keil uVison4編寫原邊電路的發射程序。最后對于這種車燈的性能做出了分析，并預測其將成為汽車行業發展的一種前景。

非接觸供電；汽車燈；無線反饋

0 引言

圖1 非接觸供電車燈電路的原理圖

眾所周知，汽車的制造過程是一項很復雜的系統工程，需要對車身的整體乃至微小部分做到十分精細加工，而在諸如像引擎蓋、后備箱處的加工時，需要增加車燈，而如果在這樣的位置配置了照明燈，電線就會容易發生損壞，造成事故的發生。本文采用非接觸供電的電流型全橋DC-DC隔離式開關電源電路，使用原、副邊不接觸的無鐵芯線圈。反饋電路將負載電壓信號無線反饋到非接觸充電電路的原邊電路的控制端，系統自動調節并改變原邊電路全橋變換器的占空比，使輸出功率穩定在設定值。在設計系統電路時，主要針對非接觸供電和無線信號反饋穩壓兩部分進行設計，這兩部分是非接觸供電車燈中的無線反饋穩壓電路的主要組成部分。非接觸供電部分包括原邊子系統、副邊子系統和非接觸變壓器；無線信號反饋穩壓電路主要包括發射電路和接收及反饋控制電路。

1 電路原理圖的設計

非接觸供電車燈電路原理圖如圖1所示。

無線反饋穩壓電路中無論是發射電路還是接收電路都含有無線模塊nRF24L01、ARM微處理器(STM32F107RTB6)以及外圍電路，ARM自帶A/D轉換端口和PWM輸出功能。汽車的蓄電池為24 V，燈光采用10 V/20 W的照明燈。原邊電路由帶鐵心的耦合電感和功率型開關管構成推挽式拓撲電路，通過反饋信息來調節ARM微處理器的PWM輸出信號，經過光耦隔離，分別控制開關管V1、V2的柵極，使兩個開關管交替導通和斷開，在原邊載流線圈L31兩端產生交流電壓[1]，此交流電壓占空比可調、頻率固定，其中頻率設定為38 kHz。

圖3 原邊電路圖(局部)

一次繞組L31、二次繞組L32是互不接觸、對立平放的不含鐵芯的疏松耦合線圈，這樣就構成了一個非接觸的具有磁耦合性質的變壓器。一次繞組L31、原邊子系統、無線接收及反饋控制電路安裝于汽車車體上；二次繞組L32、副邊子系統、無線信號發射電路和負載固定在靈活旋轉的汽車部件上。同時原、副邊載流線圈采用平面繞組配合平面磁心的分布式繞組，這樣可以提高非接觸變壓器的耦合系數K，并保證兩者之間有一定氣隙，互不接觸。

圖2 副邊電路圖(局部)

C1、C4作為補償電容，用于補償功率因數，降低電路的無功損耗和開關損耗[2]。二極管D1、D2和電容C2、C3作為倍壓整流電路，L4、C5作為濾波電路消除整流電路中的紋波。R1、R2電阻用于分壓，通過電壓檢測環節，將得到的電壓采樣值送到ARM微處理器的A/D轉換端口ADC0。

通過對負載電壓和電流取樣，用發射端的ARM微處理器STM32F107-RTB6自帶的A/D轉換端口將檢測到的模擬信號轉換為數字信號，再用一對無線收發模塊nRF24L01將信號傳遞到接收端的ARM微處理器STM32F107RTB6。通過ARM可以自動調節PWM變換器，控制非接觸供電電路中功率開關管的占空比，改變原邊電路的輸出功率，最終使負載電壓更加穩定[3]。

非接觸供電電路包括副邊電路和原邊電路兩部分，副邊電路(局部)與原邊電路(局部)分別如圖2和圖3所示。

在反饋方面采用雙閉環控制，即電壓外環與電流內環控制，控制方法采用PI調節。在電壓控制環節中，先將電壓參考值Uref與經LC濾波后的電壓值Uo比較，兩者的誤差值經過電壓調節器所得到的信號作為電流參考值Iref。在電流控制環節中，將副邊檢測到的電流值與電流參考值Iref比較，把誤差信號傳遞給PWM變換器，控制原邊電路中功率開關管的占空比，通過互不接觸的空芯變壓器的磁耦合改變電路的輸出功率，顯著提高了系統的穩壓性能[4]。

2 整流電路的選擇

由于電壓不能滿足要求，所以要升高電壓，可以據此設計電路和選擇電路。本文選擇的是倍壓整流電路。

在副邊整流電路的選擇上，采用的是二倍壓整流電路。二倍壓整流電路其實是巧妙地應用儲能元件和整流元件，將較低的交流電壓“整流”出一個二倍的直流電壓。如圖4所示。

圖4 二倍壓整流電路

其中，V2為變壓器輸入電壓。

電容器C2和C3上的直流電壓分別為:

3 無線反饋穩壓部分

3.1 無線信號發射模塊

無線信號發射電路由無線模塊nRF24L01、ARM微處理器STM32F107RTB6及外圍電路組成。無線模塊nRF24L01既具有發射功能也具有接收功能，通過設定軟件使其處于發射狀態，通信頻率選擇2.4 GHz[4]。

當負載工作時，發射電路首先檢測電阻的輸出電壓，此電壓信號通過ARM微處理器自帶的A/D轉換端口ADC0將其轉換為數字信號，然后通過ARM將數字信號以串行通信方式寫入無線發射模塊nRF24L01的數據輸入腳MOSI，通過無線發射模塊傳遞給無線接收模塊。實際上，無線發射電路作為副邊電路的核心部分，其主要作用就是檢測副邊電路的輸出電壓和電流。

3.2 無線信號接收模塊

副邊電路中的無線模塊nRF24L01接收來自發射電路的數字信號，將此數字信號通過ARM微處理器(STM32F107RTB6)自帶的D/A轉換端口讀入，并將其轉化為幅值為1 V左右的模擬信號，由STM32F107RTB6的引腳輸出，此模擬量與負載電壓成正比，并采用電壓外環與電流內環反饋控制的雙積分算法，自動調節PWM輸出占空比[5-6]，以此控制原邊電路中的功率開關管，改變原邊電路的輸出功率，從而可以調節副邊電路的功率，使電壓能夠達到一個相對穩定的狀態。

圖5 變壓器互感模型

4 非接觸變換器參數的設計

非接觸變換器原、副邊均為不加磁芯的空心繞組[7]，它們可以等效為變壓器互感模型，互感模型的等效電路圖如圖5所示。

如果都折算到原邊，經過計算：

即折算到原邊時，變壓器兩側漏感相同。耦合系數較高時，通常變壓器采取兩參數測量法，即分別測量副邊開路和短路時的原邊電感作為變壓器的勵磁電感和漏感[8]。副邊開路時測得的電感實際為：

Lopn=Ls1+Lm

而副邊短路時測得的電感為：

Lsht=Ls1+Lm/Ls2

實際上，根據上式，可以得到：

Lsht=(1-K2)L1

經過計算與測量的比對，并且因為采用了分布式的配合平面磁心的平面繞組，耦合系數提高，確定為0.20。

5 實驗波形及分析

非接觸供電車燈的電源為車載蓄電池，電壓為24 V±10%；車燈的負載功率為20 W，圖6為實驗所得的電路波形。圖6(a)為變換器副邊線圈的電壓波形。當輸入電壓以±10%波動時，通過圖6(b)的測試結果可以看出輸出電壓基本保持在一個穩定狀態。

原、副邊載流線圈距離1.7 cm時，感應耦合系數測試值為0.20。如果忽略輔助電源的功耗，電路效率為80%，工作頻率fs=38.5 kHz。

圖6 實驗波形及結果

6 結論

傳統的車燈供電方式固然有其獨特的優越性能，但是在某些特定的場合或位置上難以滿足生產以及制造的要求。因此本文通過非接觸式變換器設計出了一種非接觸供電車燈，利用ARM微處理器和Keil編程實現其特有的功能，并且通過實驗結果分析得出輸出電壓是穩定的，達到了預期的設計目標，而且具有運行可靠、操作簡單、維護便利等優點。

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A simple design of a wireless device powered lights

Ma Ruwei1, Zhang Zhiyu1, Zhang Chunmei1, Zhang Delong2

(1.School of Automation & Information Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048,China;2.Weifang University of Science & Technology, Weifang 262700,China)

With the development of science and technology, automobile manufacturing industry is becoming mature gradually, the attention for power supply car headlights is gradually improving. The researchment of non-contact powered lights is more concerned topics in the automotive industry. In this paper, the principle and designment of non-contact power lights are explaned detailed, and ARM microprocessor is used as the non-contact power lights wireless feedback regulator voltage circuit processing unit. Protel DXP2004 is used to design primary and secondary side PCB planks. Keil uVison4 is used as programming tools to write launch programs of primary circuit. Finally, the performance of the lights is analyzed. It is forecasted that the proposed powered lights will become a development prospect of the automotive industry.

non-contact power supply;car lights;wireless feedback

TM92

A

1674-7720(2016)05-0075-03

馬如偉，張志禹，張春美，等. 一種簡單無線供電車燈裝置的設計[J].微型機與應用，2016,35(5)：75-77,80.

2015-10-08)

馬如偉(1990-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：無線傳輸供電。E-mail:18765126264@163.com。

張志禹(1966-)，男，博士，教授，碩士生導師，主要研究方向：電力系統控制與故障檢測。

張春美(1989-)，女，碩士研究生，主要研究方向：新型電力電子裝置。