移動機器人無線陣列式充電系統(tǒng)

王曉龍 鄧磊 劉恒

【摘 要】本項目設計的是一款基于變磁耦合諧振的M×N陣列式移相控制的中功率無線充電系統(tǒng)，可應用于機器人、無人機等產(chǎn)品，特別是針對移動機器人的無線充電。磁耦合諧振式無線充電具有傳輸距離遠，輻射較低的特性，但此種充電方式效率較低，且發(fā)射功率較低。所以本團隊提出一種變拓撲磁耦合諧振通過移相控制的新型M×N陣列式線圈的結(jié)構(gòu)，以提高磁耦合諧振式無線充電的傳輸效率和傳輸功率，具有很高的實用價值。

【關(guān)鍵詞】無線充電;變磁耦合諧振;移相控制的新型M×N陣列式線圈

引言

近年來無線充電技術(shù)發(fā)展迅速，并廣泛應用于各類電器設備中。其中磁諧振式無線充電兼具安全、傳輸距離較遠等優(yōu)勢，成為了國內(nèi)外研究的焦點。但磁諧振無線充電目前仍存在傳輸效率不高，單對線圈功率不高，磁場分布不均，電流振蕩會對電路產(chǎn)生損害等問題。

對此本項目意在設計一款利用陣列式線圈結(jié)構(gòu)提高磁耦合諧振式無線充電傳輸效率和功率的系統(tǒng)。同時減小系統(tǒng)運行所產(chǎn)生的電流振蕩損耗和系統(tǒng)靜損耗，提高無線充電的能量傳輸效率和安全性。

1.硬件方案

移動機器人無線陣列式充電系統(tǒng)其硬件部分主要由二大部分構(gòu)成：

（1）單對線圈無線充電基本結(jié)構(gòu)。單對線圈無線充電裝置整體結(jié)構(gòu)框圖如下圖1，本項目在傳統(tǒng)PP型諧振電路發(fā)射端拓撲上進行變換，在此基礎上制作新型無線充電裝置，可以提高系統(tǒng)效率。無線充電發(fā)射端由自動升降壓電路、發(fā)射端藍牙模塊、高頻開關(guān)管電路、以及開關(guān)管的驅(qū)動電路組成;接收端由同步整流電路、DC-DC變換器、電流電壓檢測電路[1]、接收端藍牙模塊組成;兩端的藍牙模塊起到連接信息交流的作用。

（2）M×N陣列式線圈無線充電整體結(jié)構(gòu)[2]。M×N陣列式線圈無線充電是在單對線圈的結(jié)構(gòu)之上進行改進，利用陣列線圈的串并聯(lián)提高功率裝置，該無線充電為中功率充電裝置[3]。中功率無線充電裝置結(jié)構(gòu)如圖2，分為發(fā)射端和接收端，通過藍牙模塊傳遞信

2.控制方案

相位控制。M×N發(fā)射端陣列采用單獨的發(fā)射端模塊，對于這M×N個發(fā)射端采用移相控制的方式發(fā)射傳輸能量。其移相角度根據(jù)發(fā)射端模塊的數(shù)量決定。對于M×N個發(fā)射端，其每一個發(fā)射端移相角度為

為敘述方便，以3×3陣列的為例，說明此M×N無線發(fā)射端陣列的控制方式。對于3×3的陣列無線電能發(fā)射端，其移相角度為40度，以中心發(fā)射端E為起始點，A為終點。在一個控制周期內(nèi)，以發(fā)射端E為相位零點，經(jīng)過D、G、H、I、F、C、B、A時PWM相位依次延遲40度，最終到達發(fā)射端A延遲360度。如此循環(huán)反復，發(fā)射能量，通過移相的控制方案，達到減小電源電流峰值、改善電源電流波形，同時減小系統(tǒng)的無功損耗，提高的無線充電效率的目的[4]。其發(fā)射框圖路徑如圖3所示。

在第二個PWM控制周期內(nèi)，以發(fā)射端E為起點，假定此時發(fā)射端E的PWM相位為0度，經(jīng)過H、I、F、C、B、A、D、G時PWM相位依次延遲40度，最終到達發(fā)射端G延遲360度。其發(fā)射框圖路徑如圖4所示。

在第三個PWM控制周期內(nèi)，以發(fā)射端E為起點，假定此時發(fā)射端E的PWM相位為0度，經(jīng)過F、C、B、A、D、G、H、I時PWM相位依次延遲40度，最終到達發(fā)射端I延遲360度。其發(fā)射框圖路徑如圖5所示。

在第四個PWM控制周期內(nèi)，還是以發(fā)射端E為起點，假定此時發(fā)射端E的PWM相位為0度，經(jīng)過B、A、D、G、H、I、F、C時PWM相位依次延遲40度，最終到達發(fā)射端C延遲360度。其發(fā)射端框圖路徑如圖6所示。

3.結(jié)語

基于磁耦合諧振式無線充電方式具有作用距離較遠、安全穩(wěn)定的優(yōu)勢，是近年來研究的焦點，本方案利用M×N陣列式線圈，采用M行N列LC并聯(lián)諧振增大無線充電的功率，通過電源DC/ DC模塊對電能進行變換，通過電路進行整流濾波使電能穩(wěn)定輸入，利用陣列式LC發(fā)射模塊和接收模塊通過磁耦合諧振接收和發(fā)送電能，利用藍牙模塊進行信號控制傳遞，并對電流電壓進行檢測動態(tài)改變電壓確保充電穩(wěn)定高效運行，通過相位控制提高充電效率，最終可實現(xiàn)提高磁諧振式無線充電的效率和功率，清晰嚴密具有可行性。

參考文獻：

[1]張彬，羅全明.全橋LC-LC串并聯(lián)諧振逆變器小信號建模及閉環(huán)設計[J/OL].電源學報：1-22[2021-05-03].

[2]徐寬茂，張釗鋒.一種新型的磁諧振式無線充電陣列發(fā)射機制[J].電子器件，2018，41（01）：172-176.

[3]楊成蒙，孫培德.一種位置自由的低功耗無線充電系統(tǒng)[J].電子設計工程，2014，22（04）：124-126..

[4]張志文，范威，伍莎莎，王雄，劉軍，孫樹波.基于磁共振無線電能傳輸系統(tǒng)中三種結(jié)構(gòu)線圈空間磁場分布研究[J].計算機應用與軟件，2016，33（12）：75-79+135.

基金項目：

重慶理工大學學生科研立項科技發(fā)明制作課題（KLB20011）.

（作者單位：重慶理工大學電氣與電子工程學院）