磁懸浮無線充電技術

劉楚

摘 要：無線充電的關鍵在于通過內置電池傳輸電力，引入無線傳感感應方式。此種技術的原理為法拉第電磁感應，為了獲得磁場，形成電壓，應為線圈充電，之后出現電流，開始為設備充電。而磁懸浮主要保證浮子達到懸浮的效果，利用電磁鐵電流進行控制。

關鍵詞：懸磁浮;無線充電;技術

0 前言

無線充電指的是近距離充電，與充電器保持幾米遠地方，通過電源線、電纜等外接設備，保證充電效果。根據磁共振原理，空氣也可以傳輸電荷，設備與充電器之間可以在電容器與線圈的共同作用下，保證共振效果。因此，無線充電在傳輸電能方面具備高效性與及時性。懸浮技術包括電磁懸浮、聲懸浮、光懸浮、氣流懸浮等方面，其中電磁懸浮技術最為常用，交變電流頻率可以達到104 Hz～105 Hz。

1 無線充電技術類型

1.1 電磁感應方式

電磁感應技術屬于無線充電技術的關鍵，將發射端的線圈與接收端的線圈放置于兩個分離設備中，產生磁場，出現磁感應，在線圈接受磁場后便會產生電流，為電能形成傳輸系統。隨著距離的增加，磁感應系統中的磁場也會不斷減弱，數毫米至10 cm范圍內可以發揮作用，但感應電流較小。對近距離設備充電時，充電觸點不會被暴露，可以達到預期效果，且當感應電壓經過整流后，便可以開始無線充電。

1.2 磁共振方式

不同于電磁感應，磁共振技術的寬容度更高，數厘米至數米范圍內便可以實現無線充電，使用靈活方便。磁共振技術的使用需要兩個規格相同線圈的支持，通電后，一個線圈內出現磁場，另一個線圈進行共振，產生電流供電。此種技術在設備距離與使用狀態方面不存在限制，可以靈活使用。

1.3 電磁耦合方式

不同于傳統的電磁感應方式，電場耦合的自由度更高，可以保證電極的快速插入，且不會升高電極溫度。同時，電磁方向也比較自由，雖然無法達到數米長的磁共振長度，但也可以隨意放置充電臺，充電效果良好。電磁感應技術需要精準的位置匹配，否則會降低能量輸入比例。

1.4 微波諧振方式

微波屬于微波諧振的主要傳輸信號，可以及時傳遞能量，當接收能量信號后，共振電路與整流電路進行轉換，可以直接為設備充電。微波頻率范圍為300 MHz～300 GHz，長度級別包括毫米、分米、米等，可以傳輸較大能量。微波諧振會向四面八方傳遞能量，降低利用效率，但其位置高度靈活，在設備附近放置充電設備即可。設備收發方重合時，微波諧振與電磁感應的能量會逐漸增大，直至達到最大值，產生最明顯的電磁感應效果。隨著方向的移動，電磁感應快速衰減，但微波諧振的衰竭速率較低，更為平和，且位移也存在一定的可用性。

2 基于懸磁浮無線充電系統設計方案

在無線充電期間，將直流電轉變為高頻交流電，之后通過有線線圈間的耦合感應實現無線傳送。無線電能的傳輸主要通過送電線圈L1與受電線圈L2發揮作用，變壓器原線圈由L1與L2組成。工作人員根據結合器件高頻特點，設置適宜的調制頻率，提高運行效率，經過試驗得知，最佳頻率為1.6 Hz。

懸磁浮子控制電路的設計應以單片機為核心部件，根據確定的控制算法進行編程，之后利用單片機控制浮子懸浮位置，通過傳感器測量浮子位置，保證運行穩定性。霍爾元件可以檢測浮子，將其通過A-D系統，轉化為電信號后傳輸至單片機，在控制磁場位置時應有效采用數字PID控制器。根據不同的給定量，技術人員在控制磁場中浮子位置時也可以采用手工方法，合理調節浮子的受力大小。在反饋信息被接收后，單片機控制器可以直接轉換模擬信號，將其變為數字信號進行反饋，磁鐵執行器執行，以合理控制磁場。電機驅動力主要通過功率驅動完成，傳感器為霍爾元件，可以保證浮子位置的準確測量，單片機接收模數。技術人員應根據受電線圈L2與浮子位置，確定懸浮無線充電方法。

3 模擬量接近開關設計與實現

電感式接近開關具備相同的工作原理，也具備一定特殊性。接近開關的設計應有效遵循以下標準，一是幾個開關點應由一個模擬量開關控制，當移動被檢測物體時，在不同位置觸發某個動作，其他相關位置也會發生相關動作。為了解決上述問題，幾個同等數量的接近開關應由一張金屬盤片或一個模擬量接近開關控制，在實現此項功能后，通過帶有模擬輸入的PLC輸入模塊完成控制。或者此項功能的實現也可以通過處理供應商信號完成。二是當模擬量接近開關進行線性運動時，應轉變磁信號為電信號，這也是最簡單的轉變方法。但此種方法的檢測范圍較小，設備之間不存在物理接觸。為了隨意調節可檢測范圍，應采用鍥形物體進行控制，當物體屬于非平面結構時，調節范圍得到擴大，可以將線型信息轉變為電子信號。三是保證模擬量接近開關進行旋轉運動，通過偏心金屬盤片進行旋轉運動，以有效采集旋轉運動中產生的角度信號，并將其轉變為電信號。四是在辨別旋轉方向時，模擬量接近開關可以使用同一個開關，將孔狀盤與齒狀盤選擇合理位置放置，為了保證辨別方向的準確性，編碼器應為模擬量開關。在此情況下，為了測定具體的旋轉方向，工作人員應使用一個模擬量接近開關，在二次儀表中確定3個開關點的具體位置，合理測定物體的旋轉速度。為了保證流程安裝的準確性，應進行反復試驗測量。

4 主要算法及實現

4.1 軟件流程圖

為了發揮預期功能，應利用軟件控制硬件，確定具體的流程圖。

4.2 軟件調試方法

本次軟件利用labvew程序進行調試，類似于BASIC、C程序，LabVIEW屬于通用編程系統，可以準確完成串口控制、數據采集以及數據分析等工作。一是LabVIEW標志，設置明顯的斷點，可以準確顯示存儲數據信息，調試工具為動畫等，可以通過單步執行顯示子程序的運行結果，保證準確調試。LabVIEW可以轉變文本的編程語言，通過圖標語言代替，在文本編程語言的具體應用過程中，技術人員在確定語句與指令時應遵循明確規律，嚴格執行命令。之后通過數據編程方法執行LabVIEW，確定數據節點之間數據的走向，其中虛擬儀器為LabVIEW的程序模塊。LabVIEW可以提供類似于傳統儀器的控件，為用戶創建運行界面。在LabVIEM中，前面板為用戶界面，設計控制前面板編程時，應連線各個圖標。LabVIEW圖形源代碼又屬于程序框圖代碼，屬于流程圖范圍。

技術人員調試時先控制浮子，合理確定KP、KD、KI幾個控制參數，分別為比例增益、微分增益以及積分增益。為了減小誤差，應合理增加比例增益，但比例增益也會影響系統運行的穩定性，增加KP會降低穩定性，為了避免系統出現過大震蕩與不穩定，應避免使用過大的KP。技術人員在調節規律時通過積分控制器積分進行，據此確定控制器的輸出信號，確定被調節量的變化率。在調節期間采用微分控制模式，當被調試量出現較大偏差時，才可以被調節。且偏差更大時，為了準確辨別調量的變化趨勢，還應引入微分調節器模式，保證3個參數合理性。

5 結束語

利用磁懸浮技術在空中懸浮浮子，通過無線充電技術充電，即為基于懸磁浮的無線充電技術。在通電情況下，傳感器檢測磁懸浮子的位置，并將數據傳輸至PID控制，以自動調節電磁磁力，保證浮子穩定懸在空中。設計期間會存在一定缺陷，理想情況下，浮子處于穩定狀態，但實際依然存在差距，電源雜波、傳感器靈敏度以及調試工具等均會影響浮子的穩定性，甚至還會出現上下大幅度抖動，利用電線圈實現無線充電與懸浮功能。

參考文獻：

[1]莫貴富，黃新.無線充電技術在電動車領域的應用前景闡釋[J].中國新通信，2020，22（6）：88-89.

[2]陳祺浩，韓亞東，闞永琪.無線充電技術的發展展望[J].集成電路應用，2020，37（7）：128-129.

[3]杜昊，宋金穎.無線充電技術發展及管理現狀[J].數字通信世界，2020（9）：36-37.