磁悬浮无线充电技术

刘楚

摘 要：无线充电的关键在于通过内置电池传输电力，引入无线传感感应方式。此种技术的原理为法拉第电磁感应，为了获得磁场，形成电压，应为线圈充电，之后出现电流，开始为设备充电。而磁悬浮主要保证浮子达到悬浮的效果，利用电磁铁电流进行控制。

关键词：悬磁浮;无线充电;技术

0 前言

无线充电指的是近距离充电，与充电器保持几米远地方，通过电源线、电缆等外接设备，保证充电效果。根据磁共振原理，空气也可以传输电荷，设备与充电器之间可以在电容器与线圈的共同作用下，保证共振效果。因此，无线充电在传输电能方面具备高效性与及时性。悬浮技术包括电磁悬浮、声悬浮、光悬浮、气流悬浮等方面，其中电磁悬浮技术最为常用，交变电流频率可以达到104 Hz～105 Hz。

1 无线充电技术类型

1.1 电磁感应方式

电磁感应技术属于无线充电技术的关键，将发射端的线圈与接收端的线圈放置于两个分离设备中，产生磁场，出现磁感应，在线圈接受磁场后便会产生电流，为电能形成传输系统。随着距离的增加，磁感应系统中的磁场也会不断减弱，数毫米至10 cm范围内可以发挥作用，但感应电流较小。对近距离设备充电时，充电触点不会被暴露，可以达到预期效果，且当感应电压经过整流后，便可以开始无线充电。

1.2 磁共振方式

不同于电磁感应，磁共振技术的宽容度更高，数厘米至数米范围内便可以实现无线充电，使用灵活方便。磁共振技术的使用需要两个规格相同线圈的支持，通电后，一个线圈内出现磁场，另一个线圈进行共振，产生电流供电。此种技术在设备距离与使用状态方面不存在限制，可以灵活使用。

1.3 电磁耦合方式

不同于传统的电磁感应方式，电场耦合的自由度更高，可以保证电极的快速插入，且不会升高电极温度。同时，电磁方向也比较自由，虽然无法达到数米长的磁共振长度，但也可以随意放置充电台，充电效果良好。电磁感应技术需要精准的位置匹配，否则会降低能量输入比例。

1.4 微波谐振方式

微波属于微波谐振的主要传输信号，可以及时传递能量，当接收能量信号后，共振电路与整流电路进行转换，可以直接为设备充电。微波频率范围为300 MHz～300 GHz，长度级别包括毫米、分米、米等，可以传输较大能量。微波谐振会向四面八方传递能量，降低利用效率，但其位置高度灵活，在设备附近放置充电设备即可。设备收发方重合时，微波谐振与电磁感应的能量会逐渐增大，直至达到最大值，产生最明显的电磁感应效果。随着方向的移动，电磁感应快速衰减，但微波谐振的衰竭速率较低，更为平和，且位移也存在一定的可用性。

2 基于悬磁浮无线充电系统设计方案

在无线充电期间，将直流电转变为高频交流电，之后通过有线线圈间的耦合感应实现无线传送。无线电能的传输主要通过送电线圈L1与受电线圈L2发挥作用，变压器原线圈由L1与L2组成。工作人员根据结合器件高频特点，设置适宜的调制频率，提高运行效率，经过试验得知，最佳频率为1.6 Hz。

悬磁浮子控制电路的设计应以单片机为核心部件，根据确定的控制算法进行编程，之后利用单片机控制浮子悬浮位置，通过传感器测量浮子位置，保证运行稳定性。霍尔元件可以检测浮子，将其通过A-D系统，转化为电信号后传输至单片机，在控制磁场位置时应有效采用数字PID控制器。根据不同的给定量，技术人员在控制磁场中浮子位置时也可以采用手工方法，合理调节浮子的受力大小。在反馈信息被接收后，单片机控制器可以直接转换模拟信号，将其变为数字信号进行反馈，磁铁执行器执行，以合理控制磁场。电机驱动力主要通过功率驱动完成，传感器为霍尔元件，可以保证浮子位置的准确测量，单片机接收模数。技术人员应根据受电线圈L2与浮子位置，确定悬浮无线充电方法。

3 模拟量接近开关设计与实现

电感式接近开关具备相同的工作原理，也具备一定特殊性。接近开关的设计应有效遵循以下标准，一是几个开关点应由一个模拟量开关控制，當移动被检测物体时，在不同位置触发某个动作，其他相关位置也会发生相关动作。为了解决上述问题，几个同等数量的接近开关应由一张金属盘片或一个模拟量接近开关控制，在实现此项功能后，通过带有模拟输入的PLC输入模块完成控制。或者此项功能的实现也可以通过处理供应商信号完成。二是当模拟量接近开关进行线性运动时，应转变磁信号为电信号，这也是最简单的转变方法。但此种方法的检测范围较小，设备之间不存在物理接触。为了随意调节可检测范围，应采用锲形物体进行控制，当物体属于非平面结构时，调节范围得到扩大，可以将线型信息转变为电子信号。三是保证模拟量接近开关进行旋转运动，通过偏心金属盘片进行旋转运动，以有效采集旋转运动中产生的角度信号，并将其转变为电信号。四是在辨别旋转方向时，模拟量接近开关可以使用同一个开关，将孔状盘与齿状盘选择合理位置放置，为了保证辨别方向的准确性，编码器应为模拟量开关。在此情况下，为了测定具体的旋转方向，工作人员应使用一个模拟量接近开关，在二次仪表中确定3个开关点的具体位置，合理测定物体的旋转速度。为了保证流程安装的准确性，应进行反复试验测量。

4 主要算法及实现

4.1 软件流程图

为了发挥预期功能，应利用软件控制硬件，确定具体的流程图。

4.2 软件调试方法

本次软件利用labvew程序进行调试，类似于BASIC、C程序，LabVIEW属于通用编程系统，可以准确完成串口控制、数据采集以及数据分析等工作。一是LabVIEW标志，设置明显的断点，可以准确显示存储数据信息，调试工具为动画等，可以通过单步执行显示子程序的运行结果，保证准确调试。LabVIEW可以转变文本的编程语言，通过图标语言代替，在文本编程语言的具体应用过程中，技术人员在确定语句与指令时应遵循明确规律，严格执行命令。之后通过数据编程方法执行LabVIEW，确定数据节点之间数据的走向，其中虚拟仪器为LabVIEW的程序模块。LabVIEW可以提供类似于传统仪器的控件，为用户创建运行界面。在LabVIEM中，前面板为用户界面，设计控制前面板编程时，应连线各个图标。LabVIEW图形源代码又属于程序框图代码，属于流程图范围。

技术人员调试时先控制浮子，合理确定KP、KD、KI几个控制参数，分别为比例增益、微分增益以及积分增益。为了减小误差，应合理增加比例增益，但比例增益也会影响系统运行的稳定性，增加KP会降低稳定性，为了避免系统出现过大震荡与不稳定，应避免使用过大的KP。技术人员在调节规律时通过积分控制器积分进行，据此确定控制器的输出信号，确定被调节量的变化率。在调节期间采用微分控制模式，当被调试量出现较大偏差时，才可以被调节。且偏差更大时，为了准确辨别调量的变化趋势，还应引入微分调节器模式，保证3个参数合理性。

5 结束语

利用磁悬浮技术在空中悬浮浮子，通过无线充电技术充电，即为基于悬磁浮的无线充电技术。在通电情况下，传感器检测磁悬浮子的位置，并将数据传输至PID控制，以自动调节电磁磁力，保证浮子稳定悬在空中。设计期间会存在一定缺陷，理想情况下，浮子处于稳定状态，但实际依然存在差距，电源杂波、传感器灵敏度以及调试工具等均会影响浮子的稳定性，甚至还会出现上下大幅度抖动，利用电线圈实现无线充电与悬浮功能。

参考文献：

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