基于STM32单片机的电动小车动态无线充电系统的研究

林德颖

（福建林业职业技术学院智能制造系 南平 353000）

引言

本研究设计了一款能够实现动态无线充电的电动小车，使其进行规定时间的充电后，绕行圆形测试轨迹的圈数增加。充电发射装置采用逆变技术先将直流电源经LC 自激振荡电路转换为高频交流电，并设有复位按钮，控制电容充电的计时起点；为测试充电效果，小车除超级电容[1]外不并接其他电能装置，每次复位后的充电时间均为1 min，期间逆变转换的交流电能通过发射装置天线向接收装置传输能量,传输原理基于谐振耦合，即令电能转换成磁场能量后进行无线传输；同时，充电接收装置将磁能转换回交流电能，经全桥整流后供给超级电容储能，1 min 定时时间到继电器动作，发射天线[2,3]停止能量输出，同时超级电容开始放电，副边电路接通，小车自动前进。

设计中采用了TI 指定的稳压模块TPS63020 驱动小型直流减速电机，并使用红外黑线寻迹，实现STM32 在不同时刻产生不同的PWM （脉冲宽度调制）波[4]，驱使小车差速绕轨行驶。

1 方案描述与总体框图

本研究装置的电动小车采用成品车改装制作而成，整车重量不小于1 斤；外形尺寸不大于26 cm*32 cm；圆形无线充电装置发射线圈外径不大于20 cm。无线充电装置的接收线圈安装在小车地盘上，只采用超级电容作为小车的储能、充电元件。测试时事先在纸板上布置直径70 cm 的黑色圆形行驶引导线（线宽小于2 cm），再将小车的实验测试路线均分为三等份，分别记为A、B、C、D 点，在四点处安装无线充电装置的发射线圈。充电系统发射端直流电源恒压5 V，电源输出电流小于1 A。

无线充电小车经多次调试改良后，可实现无线充电功能，且最多绕线圈三圈，基本符合设计要求。

该设计具有现实意义，未来可作用于无人驾驶公交系统[5～7]中，应用在新能源电动汽车上。通过在各个公交站点埋设充电线圈，即可为到站公交车上的超级电容提供充电服务，只要无线充电提供的能量足以支持公交行驶到下一个站点进行接力充电，就能保证公交的正常运行。从而达到节能减排，绿色生活的目标。

系统总体方案采用STM32 作为核心控制板,用无线发射接收模块以及一个5.5 V、10 F 的法拉电容作为电动小车前进的能量来源。STM32 作为控制器，能够在充电和放电的不同状况下点亮或熄灭充电指示灯，并对红外接收管返回的高低电平做出判断,在小车行驶正常或者出界时发出不同的指令，直到小车电量降至不能再驱动电机前进的最小电量为止。系统硬件总体框图如图1 所示。

图1 系统总体框图

2 硬件电路设计与仿真

2.1 无线充电发射电路

发射电路的设计借鉴了当下主流的无线充电技术——磁共振耦合连接[8-10]，即多个电路元件或电路网络的输入同输出之间存在紧密配合与相互影响,并通过相互作用从一侧电路向另一侧电路输送能量的现象。该技术的重点在于收、发两侧天线（线圈）的共振，选用无线充电芯片型号为XKT-412[11]。当发射电路通电后，电路起振，在发射天线与接收天线相靠近时两电路形成共振，磁能量传输效果明显，成功实现无线充电。XKT-412 芯片主要工作特性如图表1 所示。

表1 XKT-412 芯片主要工作特性

发射电路原理图如图2 所示。

由于只有在两线圈靠近时，才能进行无线充电，所以需要在小车的行进途中设置多个发射电路。

2.2 无线充电接收电路

在调试过程中接收电路很容易出现充电电流过小的问题，通过进一步的测试发现接收端空载电压正常而带载电压偏低。空载电压正常，说明无线充电收发电路运行无异常，但带载后电压一下被电源拉低了，这是线圈匹配造成的影响，导致输出端接收到的功率不足。通过多次实验调整后发现降低充电电流、拉近收发线圈的距离，或者重新匹配收发线圈都可以改善这一现象，增大接收侧的带载电压。改良后的接收电路原理图如图3 所示。

图3 无线接收电路

2.3 红外寻迹电路

红外寻迹[12,13]是一项成熟的应用技术，它运用了红外光对于不同物体的反射特性不同的特点。当反光物体为白色时，红外光的反射量强；而当反光物体为黑色时，红外反射量明显减弱，运用光电元件可以将光强转换为数字电信号。在浅色的地面上粘贴黑色轨迹，使用红外对射管进行扫描：当检测到轨迹外的区域时，传感器发射出去的红外光大多将被反射回来，光电检测电路输出低电平；当检测到黑色轨迹时，因黑色物体的反红外光能力很弱，光电元件接收到的红外光少，达不到检测电路的动作的条件，所以检测电路输出高电平.我们只通过用STM32 的输入管脚判断检测电路的输出电平，就能将要寻迹的线路识别出来。红外寻迹电路原理图如图4所示。

图4 红外寻迹电路图

2.4 稳压电路

实现这部分功能的是含有 TPS63020DC-DC 变换芯片的模块[14]。该芯片的功能是实现电压的升降，并且芯片的转换效率高达96 %。TPS63020 使电路能够在法拉电容非线性放电的模式下，输出稳定的 3.3 V 电压，保证电机能够在短时间内持续稳定的工作。该电路实际使用的 TPS63020 稳压模块主要参数如表2 所示。

表2 TPS430 主要输入输出参数

3 硬件电路分析与计算

3.1 无线充电发射接收电路分析与计算

动态小车无线充电系统的设计与实现，需要根据稳压电源的电压值来计算无线充电发射接收电路的总能量、法拉电容存储电路的能量和功率以及电机驱动电路工作时所消耗的能量等。详细思路和计算过程如下：

系统规划无线充电系统采用1 台5 V 直流稳压电源供电，输出电流小于等于1 A。实验使用5 V 开关电源，符合要求。

选定无线充电发射、接收模块工作的电压为（5～12）V，接收模块的输出电流为520 mA，恰好符合测试要求。假设该发射模块的传输能量的效率为87 %，则该电路可为总电路获得的总能量为：

式中：

Wa—无线充电接收模块实际获得的电能；

U—无线充电发射模块工作电压；

I—无线充电接收模块工作电流；

T—单次工作时间，单位以秒计算；

η—发射模块的能量传输效率。

3.2 法拉电容存储电路分析与计算

法拉电容，也称为双层电容，也叫黄金电容，另一种是超级电容，出现于20 世纪70年代和80年代。它可以用极化的电解质维持储能， 储能收集的过程是可逆的，所以法拉电容可以进行数十万次的充放电。法拉电容和其他普通电容的区别首先在容量下。普通电容器容量最大在1 万～4 万微法，而法拉电容器最大容量可以达到数千法拉。所以法拉电容也叫黄金电容。

通过理论知识和多次测试后发现电容的充电过程不可能长期稳定在恒压和恒流状态。经过示波器和万用表测试发现，电压存在0. 3 V 左右的电压波动，电流随着充电过程逐渐递减。就最终的实验测试结果发现:

式中：

Ia—超级电容恒压恒流阶段充电电流；

C—超级电容容值大小；

U—超级电容恒压阶段工作电压。

可以得到该部分电路的功率和获得的总能量为：

式中：

Wc—超级电容充电所得电能；

C—超级电容容值大小；

U—超级电容恒压阶段工作电压。

式中：

P—超级电容工作功率；

U—超级电容恒压阶段工作电压；

I—超级电容恒压恒流阶段充电电流。

3.3 电机驱动电路分析计算

电机驱动电路的设计要从以下几个方面进行考虑：

1）功能：小车是单向前进还是有后退的要求？需要控制速度吗？在单侧驱动的情况下，采用普通放大器或继电器直接驱动电机就可以达到目的；如果要求电机必须在两个方向上旋转，可以使用四个动力元件组成H 桥电路或用双刀双掷继电器连接来实现电机方向的更改。如果不调速，就使用继电器控制；若如需要调速时，就要使用开关元件来实现PWM（pulse width modulation）调速。

2）性能：发动机驱动PWM 调速，需要考虑输出电流和电压范围与效率。输出电流和电压范围应决定电路能驱动发动机的功率。提高电路的效率，可以保证电源的开关操作，防止常见突发情况，即短路问题。可能发生在H 桥或推挽电路中，即两个功率器件同时导通导致短路。

3）输入端的影响：电路的输入应该具有良好的信号绝缘，以防止高压电流进入主控制电路。设计中可以通过高输入阻抗进行进行隔离。

4）对电源的影响：联合传输可能导致电流源电压丢失，高频电源受到污染；大电流可能使地电位浮动。

5）可靠性：电机驱动电路应该尽可能做到，无论加上何种控制信号，何种无源负载，电路都是安全的。

核心控制板STM32 的工作电压为3.3 V，该工作电压刚好是TPS63020 工作后的稳定输出电压，电机独立测试时额定工作4.8 V，因电压过低而停止运转时电压为1.1 V。由于电动小车需要绕环形引导线行驶，本研究设计了两种工作模式来适应设计要求中的基础部分和发展部分。第一种工作模式下，电机的占空比为80 %，第二种模式占空比为50 %。无线充电测试中，电容高电平时为4.58 V。放至小车停止时为1. 67 V，通过实验数据可以得到该部分工作后所消耗的电能如公式（5）。

式中：

P—小车运行过程实际功率；

Ts—电压下降，小车停止运行的时刻；

Tp—电压达到启动电压，小车开始运行的时刻；

C—超级电容容值大小；

Uh—电容高电平时电压值；

U1—电容低电平时电压值。

4 软件算法设计与实现

4.1 程序的设计

通过Arduino 书写功能代码，基于红外黑线循迹原则和无线充电原理实现小车动态无线充电的功能、程序功能描述与设计思路如下：

1）功能描述：设置按键，控制继电器是否工作。

2）程序的设计思路：当定时1 分钟后，继电器工作，无线发射线圈不向无线接收线圈传递能量，超级电容停止充电。当超级电容充电的时候，继电器不工作，所以不会产生能量损耗。定时时间到后，舵机拨开塑料片让无线充电接收电路接通，小车开始运动。主程序控制流程如图5 所示，小车自动启动控制流程如图6 所示。

图5 主程序流程图

图6 小车定时1 min 后立即启动子程序流程图

4.2 软件和硬件协同调节

通过单片机写入定时程序，一分钟延时以后，控制继电器和马达工作。让无线充电发射线圈停止向接收线圈传递能量，充电结束。小车启动，开始测试小车行驶的距离。

控制程序总体分为3 个部分：定时器部分实现断电自启，AD 检测部分实现判断是否充电，电机驱动函数控制小车的行驶。具体流程如图7 所示。

图7 程序流程图

5 系统调试与测试分析

5.1 测试方案

按照题目要求用木板搭建了一个直径为 70 cm 的环形赛道。赛道的四个等分点出挖有直径为 4 cm 的小圆，小圆中放上四个相同规格的无线发射线圈，并将四个发射线圈的负极都相相连接，正极分别接在四个并联的开关上，通过开关的通断实现四个充电位置上电源的连通与断开。然后再在无线发射模块上用黑色胶带进行覆盖。并在环形赛道上用粘贴宽度为 1.8 cm 的黑色胶带作为小车前进的引导线，通过多次测试小车不同情况下的实验数据得出电动小车的实验结果。

5.2 测试条件

实验测试仪器要求如表3 所示，实验测试轨迹参数如表4 所示。

表3 测试仪器

表4 轨迹参数

5.3 测试结果

实验测试结果如表5 所示。

表5 实验结果

6 结论

测试过程中，为保证实验条件的稳定，所有测试均使用同一个测试跑道、相同的充电时间和充电电压，但是从实验数据还是能看出一定的差异。为了能够让电动小车行驶更长的距离，研究者尝试从一个接收模块增加为两个接收模块，但是小车行驶距离并没有明显的提升。由此得出结论小车的充电效率与发射线圈和接收线圈以及两个线圈之间的贴合程度有直接的关系，而与接收模块的数量没有太大关联。此外，在电机转速较低的情况下，跑道表面的粗糙程度也会影响小车行驶的距离。