無線恒功率充電智能循跡小車的設計

摘? 要：文章以2021年江蘇省機器人大賽中的節能耐力賽為背景，搭建一種基于超級電容的無線恒功率充電小車，小車通過特定頻率的諧振線圈從鋪設在地面上的發送線圈接收諧振信號，并將諧振后的交流電整流成直流電供整車使用。采用STM32F407芯片作為小車的主控芯片，通過恒功率控制算法向小車上的法拉電容組充電。該文對其中所涉及的無線接收模塊、恒功率模塊、超級電容模塊等進行了設計，實現了小車的節能運行，最后通過實驗驗證了恒功率充電的優越性。

關鍵詞：無線充電；超級電容；恒功率；STM32F407

中圖分類號：TM910.6? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）08-0056-04

Abstract： Based on the energy conservation endurance race in the 2021 Jiangsu Robotics Competition， this paper builds a wireless constant power charging car based on super capacitor. The car receives the resonance signal from the transmission coil laid on the ground through the resonance coil with a specific frequency， and rectifies the resonant AC power into DC power for the whole vehicle. STM32F407 chip is used as the main control chip of the car， and the Farad capacitor bank on the car is charged by constant power control algorithm. In this paper， the wireless receiver module， constant power module and super capacitor module involved are designed to realize the energy-saving operation of the car. Finally， the advantages of constant power charging are verified by experiments.

Keywords： wireless charging; super capacitor; constant power; STM32F407

0? 引? 言

在環境問題和能源問題日益嚴峻的當下，國家大力推動新能源汽車產業的發展。目前，電動汽車的發展技術已經成熟，并進入大規模商用階段，這也勢必會為多樣化充電技術帶來發展機遇。在眾多的充電技術中，無線充電技術的發展日新月異，該項技術的主要工作原理是磁共振耦合，即在發送電路和接收電路之間建立磁場，以磁場為介質傳輸電能。與傳統的有線充電技術相比，這種充電方式更加高效便捷，也更為安全可靠。但在之后大約100年的時間里，這項技術并沒有得到充分的應用。直到近年來超級電容的廣泛應用，才讓無線充電技術得以重新發展。超級電容作為一種新型的能量存儲介質，具有充放電速度快、功率密度高、循環使用次數多等優點，在很多領域逐漸取代傳統蓄電池[1]。

本文設計的自動循跡小車使用超級電容作為儲能介質，給出其主控系統、恒功率控制系統、穩壓模塊的設計原理，并搭建出實物進行實驗驗證。

1? 系統整體方案

本系統主要分為硬件部分和軟件部分。其中，STM32F407主控系統模塊負責系統的整體運算。無線電能接收模塊負責從發射線圈接收能量。整流穩壓模塊負責將整車接收到的電能轉換成直流電壓，同時對直流電壓進行降壓處理，給其他模塊充電。超級電容保護模塊負責儲存能量和釋放能量。電磁循跡模塊使小車按照特定的路線行進。直流電機控制模塊是整車的執行機構。軟件部分使用Cubemx和MDK5編譯器配置編寫，主要分為恒功率控制部分、電磁循跡部分和電機控制部分。

本次比賽中所使用的無線發射端為一個640 kHz的發射線圈，其發射的最大功率為30 W。系統接收模塊以LC串聯諧振方式從發射線圈吸收特定頻率的電能，隨后將電能整流成直流電，并在STM32F407主控系統模塊的控制下，以恒定功率為超級電容組充電，直至電量充滿為止。在充電的同時，部分電能通過DC/DC穩壓模塊向其他模塊供電，以保證系統的正常運行。系統充滿電后，最小系統模塊根據電磁循跡模塊反饋而來的信息，驅動電機控制模塊，使小車沿預定軌跡行駛。系統整體設計框圖如圖1所示。

2? 理論計算

2.1? 電容儲能公式

根據電路原理以及電容充電電壓和充電功率的關系可得電容儲能公式：

其中：W（t）表示電容中所獲取的總能量，單位為焦耳J；P表示電容充電功率，單位為瓦W；C表示電容的容量值，單位為法F；Uc（t）表示電容兩端的電壓值，單位為V。

將式（1）進行轉換可以得到電容兩端的電壓Uc（t）和功率、時間以及電容大小的關系式：

根據調查可知，目前市面上推出的超級電容，其單體容量大約為0.1 F到幾千F不等，常見的單體耐壓值有2.5 V、2.7 V和5.5 V左右[2]。為滿足此次比賽的需求，我們選擇5個容量為10 F、單體耐壓2.7 V的超級電容進行串聯，形成一個超級電容組，作為整車的能量來源。由電容串聯計算公式可知，電容組的整體容值為2 F，耐壓值為13.5 V。

2.2? 恒功率充電PID算法理論基礎

本次比賽所設計的系統，采用傳統的PID算法對電容進行充電，以維持充電功率在整個過程中的恒定。

在PID算法中，Kp、Ki、Kd的選擇十分重要，它們決定著系統的穩定性和靈敏性[3]。

根據電容充電電路數學模型，建立PID控制器的傳遞函數：

其中：Kp表示比例控制系數，Ki表示積分控制系數，Kd表示微分控制系數。

2.2.1? Kp的作用

系統輸入量和給定量的偏差值成倍放大。由于誤差被放大，后級調節部分會迅速對該誤差做出響應，試圖減小誤差。比例系數越大，系統調節的速度就越快。但如果所選擇的比例系數過大，則會使系統產生較大的震蕩，無法穩定下來。

2.2.2? Ki的作用

使系統的穩態誤差逐步消失。一旦系統的輸入量和給定量有誤差產生，積分調節就會立馬起作用，直至誤差消失。在實際工程中我們需要設置飽和值，使得積分調節輸出一個常值。積分時間常數Ti決定積分作用的強弱，Ti越小，積分作用就越強，反之亦然。引入積分調節可使系統的穩定性下降，動態響應變慢。

2.2.3? Kd的作用

對偏差的變化率進行預測能夠做到超前調節，我們可以基于該系數來改善系統的動態性能。選擇合適的微分系數，可以減少超調量的大小及調節時間。但是微分環節對噪聲干擾比較敏感，因此該環節的微分系數選擇要慎重。應當根據不同的控制目的選取不同的組合。例如，電機速度閉環采用PI控制算法，位置閉環則采用PD算法。若在位置控制中加入積分，則會使小車響應速度變慢，甚至會導致控制系統不穩定。

為了便于在STM32中進行PID算法的離散運算，我們將傳遞函數G（s）進行拉氏反變換，得到其所對應的時域函數：

其中：G（t）表示比例項、積分項和微分項的疊加。ep（t）表示實際充電功率和預定充電功率的偏差。

3? 硬件電路設計

本系統的搭建主要是圍繞高效率的電能接收和轉換而進行的。由于直流電機驅動模塊和電磁循跡模塊的技術比較成熟，選擇成品模塊進行組裝。這里重點闡述系統中的無線接收電路、整流電路、穩壓電路、恒功率充電電路、超級電容保護電路等的設計。

3.1? 超級電容組保護電路的設計

由于生產工藝和電容材料特性等客觀原因，電容組在充電的過程中，每個電容上的電壓值不可能都保持一致。為了避免電容由于分壓不均勻而造成過壓，我們在硬件電路設計中加入了基于BW6101的保護電路，使電容組中的電容在充電過程中始終保持電壓平衡[4]。單個電容的保護電路原理如圖2所示。

3.2? 無線充電接收模塊電路設計

無線充電系統分為發射端和接收端。發射端由比賽組委會提供，接收端根據比賽要求自制，本系統利用股紗包線制成空心線圈，放置在車模底盤。

接收線圈本身呈感性，可與后面的NP0高頻諧振電容C4、C5、C6匹配成特定頻率的諧振回路。諧振回路產生的交流電通過倍壓整流電路進行整流[5]。經過實際測量，整流后的直流電壓最高可達50 V，遠超超級電容組所能承受的13.5 V。因此，若直接使用該電壓給超級電容組充電，勢必會永久損壞超級電容[6]。為降低充電電壓，我們選擇在整流電路后面增加DCDC芯片TPS54560進行穩壓。接收模塊電路如圖3所示。

3.3? 充電系統控制電路設計

該系統在實際應用中，由于采用恒功率進行控制，需要對充電電流和電壓進行實時采集。本系統采用AD8417對充電電流進行實時采集[7]，如圖4所示。

基于電阻分壓的原理對充電電壓進行實時采集，并通過單片機的IO引腳來接收采集到的數據。STM32對充電功率進行計算，之后使用PID控制算法控制充電電路中MOS管的關斷和開啟，實現恒功率控制，原理圖如圖5所示。

3.4? 穩壓電路設計

系統上電后，為了使MCU能夠正常工作，需要對其進行持續供電。選用TI公司的自動升降壓芯片TPS63070作為穩壓芯片，設計輸出電壓為3.3 V。當充電完成后，超級電容模組給整車供電，當電容模組的電壓降至3.3 V以下時，TPS63070芯片依然會將輸出電壓維持在3.3 V，避免電能的浪費[8]。該芯片整車工作電壓可達2 A，帶載能力較強。因此，除了可以給STM32供電外，還能給其他模塊供電，原理如圖6所示。

4? 軟件程序設計

4.1? 程序總體設計

軟件部分主要由主函數和定時中斷函數組成。主函數負責完成MCU的IO初始化、定時器初始化等工作。定時中斷函數是軟件的主要執行部分，實現定時控制、電壓電流檢測、恒功率算法控制、電機控制、循跡信號采集等功能，具體流程如圖7所示。

系統接收到電能后，單片機開始工作。進行電壓電流采集，計算此時的充電功率。由于采樣的是恒功率控制方法，單片機在內部進行相應的軟件運算，使得超級電容組的充電功率始終恒定在特定的范圍。系統每隔5 ms重復一次上述操作。當充電電壓達到預定值后，結束充電，單片機通過接收地面軌道發送的電磁信號進行循跡控制，使得小車按照預設的軌道運行。

4.2? 恒功率充電算法實施方案

對于超級電容模組，恒定充電功率是實現快速充電的最有效方式。為了實現這一目的，我們采樣傳統的PID控制方法。為了在STM32中實現該算法，將式（5）進行離散化處理：

其中：ΔPn表示占空比變化值，Kp表示比例控制系數，Ki表示積分控制系數，Kd表示微分控制系數，en表示實測充電功率與預設充電功率之間的差值，en-1和en-2以此類推。

4.3? 實際充電性能測試

為了驗證恒功率充電的有效性，將恒功率充電組和恒壓充電組進行對照實驗。實驗過程如下：先利用水泥電阻給超級電容放電，直至其兩端電壓值為0。然后將無線接收線圈放置在接收線圈內進行充電。充電的瞬間進行計時操作，記錄其每次從0 V充電至10 V所用的時間。實驗結果如表1所示。

5? 結? 論

本文以江蘇省大學生機器人競賽為背景，介紹了一種無線恒功率充電智能循跡小車的系統設計方案。首先分析了超級電容的充電理論，給出其充電電壓和充電時間以及充電功率之間的關系，然后分析了PID控制器的基本工作原理。在此基礎上，文章給出了諧振接收電路、整流電路，以及DC/DC穩壓電路的設計原理圖。由于該系統使用嵌入式芯片作為主控芯片，因此文章對系統的軟件控制流程做出詳細的闡述，并詳細介紹了恒功率控制算法的軟件實現方法。最后，文章通過實驗驗證了恒功率充電的優越性。

參考文獻：

[1] 蔡國營，王亞軍，謝晶，等．超級電容儲能特性研究 [J].電源世界，2009，1（2）：33-37．

[2] 王賢泉，鄭中華.超級電容充放電特性研究 [J]．船電技術，2011，31（4）：55-57．

[3] 賀文海，焦可輝．基于模糊 PID 的掘進機恒功率控制系統設計 ［J］．煤炭工程，2019，51（9）：178－181．

[4] 李赟，朱發旺．基于感應充電的電動車充電系統設計 ［J］.電源技術，2017，41（9）：1364-1365+1376．

[5] 胡林林，景凱凱，袁順剛.一種巡檢機器人無線充電發射端系統設計 [J].電子元器件與信息技術，2020，4（37）：139-140.

[6] 朱淦，范瀾珊.電動小車動態無線充電系統研究 [J].南方農機，2019，50（22）：37-38.

[7] 金昭，夏國華，王瀾.基于無線充電的無人機充電平臺研究 [J].河南科技，2019（31）：11-13.

[8] 許眾.基于飛思卡爾智能車的電磁導航控制技術研究 [D].沈陽：沈陽理工大學，2014.

作者簡介：何鑫鑫（1990—），男，漢族，江蘇泰興人，助理講師，碩士研究生，研究方向：控制科學與工程。