黑龍江賽區(qū)ti杯競賽f題無線電能傳輸裝置設(shè)計報告

1、摘 要 無線傳輸技術(shù)為一種脫離金屬導線的新型電能傳輸裝置，避免了繁雜導線給人們帶來的不便，也對醫(yī)學、航天的發(fā)展起到了推動的作用。本作品為磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置，該裝置設(shè)計就是采用空心線圈進行能量的傳遞，可以將15v直流電經(jīng)驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換為交流并通過發(fā)射線圈傳遞到接收線圈，最終通過電能變換裝置轉(zhuǎn)換為直流電輸出，來使負載進行工作。本設(shè)計采用全橋逆變電路進行ac/da的轉(zhuǎn)換，ne555為核心進行頻率的升高，使能夠達到預(yù)期的效果，采用dds（數(shù)字信號處理）將方波信號轉(zhuǎn)換為正弦信號傳輸給發(fā)射線圈，,發(fā)射端串聯(lián)諧振接收端并聯(lián)諧振的方法，將信號傳輸過去，使1w白光led發(fā)光，獲得更大的電壓，達到更高的效

2、率，并成功獲得更大的傳輸距離。關(guān)鍵字： 無線傳輸、磁耦合、并聯(lián)諧振 目 錄1. 設(shè)計任務(wù) 12. 方案論證 12.1驅(qū)動電路模塊的論證和選擇12.2發(fā)射、接收電路的選擇13系統(tǒng)理論分析與計算23.1 電路設(shè)計的分析23.2驅(qū)動電路的分析23.3發(fā)射、接收模塊的分析43.4電能變換模塊的分析74測試結(jié)果與誤差分析74.1測試方案74.2測試條件與儀器74.3測試結(jié)果及分析. 7 4.3.1測試結(jié)果（數(shù)據(jù)）.7 4.3.2誤差分析.85結(jié)論、心得體會.8附錄1：電路原理圖9附錄2：元器件表1011f題：無線電能傳輸裝置1設(shè)計任務(wù)（1）保持發(fā)射線圈與接收線圈間距離x =10cm、輸入直流電壓u1=1

3、5v時，接收端輸出直流電流i2=0.5a，輸出直流電壓u28 v，盡可能提高該無線電能傳輸裝置的效率。（2）輸入直流電壓u1=15v，輸入直流電流不大于1a，接收端負載為2只串聯(lián)led燈（白色、1w）。在保持led燈不滅的條件下，盡可能延長發(fā)射線圈與接收線圈間距離x。（3）其他自主發(fā)揮。2方案論證2.1 驅(qū)動電路模塊的論證和選擇方案一：由mos管、變壓器構(gòu)成逆變器次逆變器主要由mos 場效應(yīng)管，普通電源變壓器構(gòu)成。其輸出功率取決于mos 場效應(yīng)管和電源變壓器的功率。通過mos管的通斷來將直流電逆變?yōu)榻涣麟?，并通過變壓器來提高輸出電壓。此方法操作簡單，電路容易構(gòu)造，但因其含變壓器，容易與發(fā)射、接

4、收端的線圈形成電磁干擾，影響電路總體效率。方案二：由單片機構(gòu)成逆變器此電路以stc單片機為核心，對單片機進行編程來控制電路的通斷來達到輸出交流信號的目的，由于電路以單片機為核心，故其外圍電路較為簡單，抗靜電、抗干擾能力強，工作溫度范圍寬，能夠穩(wěn)定輸出交變電流。此電路需要對單片機系統(tǒng)有一定的研究，并具有獨立編寫單片機程序的能力。方案三：由ne555構(gòu)成的脈沖發(fā)生器此電路以ne555為核心構(gòu)成斯密特觸發(fā)器，并將其改造成頻率可調(diào)的多諧振蕩電路，將其輸出的方波通過dds電路產(chǎn)生正弦波，并用正弦波控制全橋逆變電路輸出所需的方波信號。此電路所輸出的方波頻率較高，波形穩(wěn)定。經(jīng)過以上三種方案的實際操作對比，最

5、終選擇方案三為最終方案。2.2 發(fā)射、接收電路的選擇發(fā)射、接收電路均采用lc諧振電路，依據(jù)線圈的數(shù)量設(shè)計如下方案：方案一：采用等匝雙線圈結(jié)構(gòu)： 等匝雙線圈結(jié)構(gòu)是在發(fā)射、接收兩端各放置一個線圈，利用電源側(cè)的線圈與電容構(gòu)成的諧振電路，使電源側(cè)的線圈產(chǎn)生交變磁場并耦合到負載端的線圈，從而形成電能的傳遞。由于兩線圈匝數(shù)相同，兩線圈的諧振頻率便于統(tǒng)一，此方案為最常見的基本結(jié)構(gòu)，簡單易行，利于計算參數(shù)。方案二：采用四線圈結(jié)構(gòu)： 四線圈結(jié)構(gòu)在兩個諧振線圈的基礎(chǔ)上，增加了兩個感應(yīng)線圈，使電源與發(fā)射線圈隔離，負載與接受線圈隔離。四線圈結(jié)構(gòu)相比于兩線圈結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點在于能夠進行電源以及負載匹配，能夠很大程度上隔離電

6、源和負載對諧振線圈的影響。但由于本次比賽要求線圈手工纏制，線圈數(shù)量增加會使誤差增大，加大了調(diào)制的難度。 對比以上兩種方案，基于本小組的能力水平以及時間關(guān)系，選擇方案一為最終方案。3系統(tǒng)理論分析與計算3.1電路設(shè)計的分析本文設(shè)計了一個輸出電流0.5a，輸出電壓8v的無線傳輸裝置，該電路包括驅(qū)動電路模塊，發(fā)射、接收模塊，電能變換模塊四部分。從輸入的15v直流電開始，通過ne555諧振電路輸出5v的高頻方波信號，經(jīng)dds電路轉(zhuǎn)化為正弦信號后，通過全橋逆變電路輸出所需高壓高頻正弦波，通過發(fā)射線圈諧振耦合到接受線圈中，最后經(jīng)電能變換模塊將方波信號轉(zhuǎn)換為供負載使用的直流電。3.2驅(qū)動電路的分析（1）ne5

7、55多諧振蕩電路ne555多諧振蕩電路如圖1所示：rbract圖1 ne555電路原理圖工作原理：把充放電通路利用二極管的單向?qū)щ娦砸龑?，并使充、放電的路徑分開，使定時電容有不同的充、放電通路。充電是通過ra、da和ct，放電是通過db和rb到放電端。由于ra和rb可以單獨調(diào)節(jié)，便構(gòu)成了脈沖寬度、頻率都可調(diào)的矩形波發(fā)生器。圖2 ne555引腳圖（2）dds電路dds同 dsp（數(shù)字信號處理）一樣，是一項關(guān)鍵的數(shù)字化技術(shù)。dds是直接數(shù)字式頻率合成器的意思。與傳統(tǒng)的頻率合成器相比，dds具有低成本、低功耗、高分辨率和快速轉(zhuǎn)換時間等優(yōu)點，廣泛使用在電信與電子儀器領(lǐng)域，是實現(xiàn)設(shè)備全數(shù)字化的一個關(guān)鍵技

8、術(shù)。本試驗中的dds電路是以ir21844芯片為核心構(gòu)建的正弦波信號發(fā)生器，可以將ne555諧振電路發(fā)出的方波信號轉(zhuǎn)化為正弦波輸出。圖3 dds電路原理圖ir21844引腳說明：pin1(in)是邏輯輸入控制端；pin2(sd)輸出關(guān)閉控制端；pin3(vss)邏輯電路接地端；pin4(dt)可調(diào)的死區(qū)時間輸入端；pin5(com)低端電源公共端；pin6（lo）低端輸出；pin7(vcc)低端電源電壓；pin11(vs)高端浮置電源公共端；pin12(ho)高端輸出；pin13(vb)高端浮置電源電壓；圖4 ir21844引腳圖（3）全橋逆變電路圖5 全橋逆變電路原理圖輸出電壓定量分析uo成

9、傅里葉級數(shù) 基波幅值 基波有效值 以此作為線圈l1的輸入電壓可以做到輸入電壓峰值為15v。3.3發(fā)射、接收電路模塊的分析驅(qū)動電路給發(fā)射線圈供電，頻率為系統(tǒng)諧振頻率。此時發(fā)射線圈發(fā)生諧振。即使在不高的供電電壓下，因為發(fā)生諧振，也能產(chǎn)生較大的電流，從而建立起較強的電磁場。發(fā)射線圈中的電容的電場能因為諧振與電感線圈中的磁場能不斷地進行交換。而發(fā)射端電感線圈中磁場有一部分鉸鏈到接收端的電感線圈，交變的磁場在接收線圈中感應(yīng)出電流，因此能量傳遞到了接收端。在接收端，電容中的電場能和電感線圈重的磁場能也因為諧振在不斷地進行能量交換，最終把能量傳遞給點能變換模塊。（1）串聯(lián)諧振電路的特性分析諧振是由r、l、c

10、元件組成的電路在一定條件下發(fā)生的一種特殊現(xiàn)象。首先，我們來分析r、l、c串聯(lián)電路發(fā)生諧振的條件和諧振時電路的特性。圖7所示r、l、c串聯(lián)電路，在正弦電壓u作用下，其復阻抗為： 式中電抗xxlxc是角頻率的函數(shù)，x隨變化的情況如圖6所示。當從零開始向變化時，x從向變化，在o時、x0，電路為容性；在o時，x0，電路為感性；在o時 圖7串聯(lián)諧振電路原理圖此時電路阻抗z(o)r為純電阻。電壓和電流同相，我們將電路此時的工作狀態(tài)稱為諧振。由于這種諧振發(fā)生在r、l、c串聯(lián)電路中，所以又稱為串聯(lián)諧振。下式就是串聯(lián)電路發(fā)生諧振的條件。由此式可求得諧振角頻率o如下：諧振頻率為由此可知，串聯(lián)電路的諧振頻率是由電路

11、自身參數(shù)l、c決定的與外部條件無關(guān)，故又稱電路的固有頻率。當電源頻率一定時，可以調(diào)節(jié)電路參數(shù)l或c，使電路固有頻率與電源頻率一致而發(fā)生諧振；在電路參數(shù)一定時，可以改變電源頻率使之與電路固有頻率一致而發(fā)生諧振。本電路采用16圈直徑為20cm線圈，由lcr數(shù)字電橋儀器測得電感值:l=84.6uh（2）品質(zhì)因數(shù)的確定：q=wlr=1wrc品質(zhì)因數(shù)又稱共振系數(shù)，有時簡稱為q值。它是由電路參數(shù)r、l、c共同決定的一個無量綱的量。由lcr數(shù)字電橋儀器測量在諧振頻率等于249.86.品質(zhì)因數(shù)q值越大，電路傳輸越穩(wěn)定。（3）并聯(lián)諧振電路的特性分析在電阻、電容、電感并聯(lián)電路中，出現(xiàn)電路端電壓和總電流同相位的現(xiàn)象

12、，叫做并聯(lián)諧振，其特點是：并聯(lián)諧振是一種完全的補償，電源無需提供無功功率，只提供電阻所需要的有功功率，諧振時，電路的總電流最小，而支路電流往往大于電路中的總電流，因此，并聯(lián)諧振也叫電流諧振。 圖8 并聯(lián)諧振電路圖由圖可得電路的復導納y = +jc = +jc - = g + jb并聯(lián)諧振時，端口電壓與電流同相，此時電路表現(xiàn)為純阻性，電路的電納為零，即復導納的虛部為零，則并聯(lián)諧振的條件為：c - = 0 即：c = 在實際電路中，由于均滿足q遠大于1的條件即0l遠大于r，上式可化簡為：0l 所以q遠大于1時，并聯(lián)諧振電路發(fā)生諧振時的角頻率和頻率分別為：0 = f0 = 調(diào)節(jié)l、c的參數(shù)值，或該變

13、電源頻率，均可發(fā)生諧振。（4）諧振阻抗關(guān)聯(lián)諧振時，回路阻抗為純電阻，端口電壓與總電流同相，在q遠大于1時，電路阻抗為最大值，電路導納為最小值。諧振阻抗的模|z0|為：|z0| = = = = q0l = q= = q2r = 在電子技術(shù)中，因為q遠大于1，所以并聯(lián)諧振電路的諧振阻抗很大，一般在幾十千歐姆至幾百千歐姆之間。（5）并聯(lián)諧振時電路的端電壓若并聯(lián)諧振電路外接電流源，則諧振時電路的端口電壓為：u= isz0 = is 由于諧振時電路的阻抗接近最大值，因而在電流源激勵下電路兩端的電壓最大。（6）并聯(lián)諧振時電路的電流在上圖（教材圖5-4-2）所示電路中，設(shè)諧振時回路的端電壓為u0 則：u0

14、= i0z0 = i0q0li0q 電感和電容支路的電流分別為：ic0= u0 / = j0c u0 = jq i0il0= = i0q0l(- j) = - jq i0上式表明，并聯(lián)諧振時，在q遠大于1的條件下，電容支路電流和電感支路電流的大小近似相等，是總電流i0的q倍，所以并聯(lián)諧振又稱為電流諧振，3.4電能變換模塊的分析本電路所使用的點能變換模塊為最常見的整流橋電路，由4個二極管組成，其作用就是能夠通過二極管的單向?qū)ǖ奶匦詫㈦娖皆诹泓c上下浮動的交流電轉(zhuǎn)換為單向的直流電來供負載使用，此種電路構(gòu)造簡單，應(yīng)用廣泛，是最便捷的整流電路。圖9 整流橋電路原理圖4測試結(jié)果與誤差分析4.1測試方案硬

15、件測試：（1）測試線圈間距10cm時的傳輸效率：負載采用可變電阻，保持發(fā)射線圈與接收線圈間距離x =10cm、輸入直流電壓u1=15v時，測量輸入、輸出電流i1、i2，以及輸出電壓u2，計算效率（2）測試點亮led燈的最大距離：輸入直流電壓u1=15v，輸入直流電流不大于1a，接收端負載為2只串聯(lián)led燈（白色、1w）。找到led燈熄滅的臨界點，用直尺測量出最大距離x。4.2 測試條件與儀器測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：健cs-5400 100m雙蹤示波器，安捷倫六位半數(shù)字萬用表，同惠th2826/a高頻lcr數(shù)字電

16、橋，直尺。4.3 測試結(jié)果及分析4.3.1測試結(jié)果(數(shù)據(jù))（1）當輸入直流電壓u1為15v時，測量結(jié)果如表1表1 裝置效率測量u1u2i1i21500v5.40a1.50a0.34a8%（2）輸入直流電壓u1=15v，輸入直流電流不大于1a， led燈熄滅的臨界點，用直尺測量出最大距離x= 60cm4.3.2誤差分析1.由于線圈均為手工繞制，變形以及兩匝線圈之間的空隙均可對線圈的耦合產(chǎn)生影響。2.由于使用的元器件均為普通器件，精確度低，自身含有一定誤差，故與理論值有一定偏差。3.驅(qū)動電路較為復雜，損耗的功率過大，導致使用效率降低。5結(jié)論、心得體會通過本次活動，我們對多諧振蕩電路、dds電路、全橋逆變器以及無線傳輸技術(shù)等有了深刻的認識，增長了自己的知識面，通過為時一周的比賽，令自己的知識不局僅僅限于書本，而是真正動手將知識應(yīng)用到了實踐當中，即鍛煉了自己的動手能力，也同時把印象中抽象的原理圖同實際電路圖相結(jié)合。在本次比賽中也遇到了很多難以解決的問題，大家在一起互相討論、印證，使我們深刻體會到了團結(jié)協(xié)作的重要性，附錄1：電路總原理圖附錄2：器件清單名稱注釋個數(shù)ne555 174hc14178