磁懸浮無(wú)線充電技術(shù)

劉楚

摘 要：無(wú)線充電的關(guān)鍵在于通過(guò)內(nèi)置電池傳輸電力，引入無(wú)線傳感感應(yīng)方式。此種技術(shù)的原理為法拉第電磁感應(yīng)，為了獲得磁場(chǎng)，形成電壓，應(yīng)為線圈充電，之后出現(xiàn)電流，開(kāi)始為設(shè)備充電。而磁懸浮主要保證浮子達(dá)到懸浮的效果，利用電磁鐵電流進(jìn)行控制。

關(guān)鍵詞：懸磁浮;無(wú)線充電;技術(shù)

0 前言

無(wú)線充電指的是近距離充電，與充電器保持幾米遠(yuǎn)地方，通過(guò)電源線、電纜等外接設(shè)備，保證充電效果。根據(jù)磁共振原理，空氣也可以傳輸電荷，設(shè)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(wú)線充電在傳輸電能方面具備高效性與及時(shí)性。懸浮技術(shù)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(shù)最為常用，交變電流頻率可以達(dá)到104 Hz～105 Hz。

1 無(wú)線充電技術(shù)類型

1.1 電磁感應(yīng)方式

電磁感應(yīng)技術(shù)屬于無(wú)線充電技術(shù)的關(guān)鍵，將發(fā)射端的線圈與接收端的線圈放置于兩個(gè)分離設(shè)備中，產(chǎn)生磁場(chǎng)，出現(xiàn)磁感應(yīng)，在線圈接受磁場(chǎng)后便會(huì)產(chǎn)生電流，為電能形成傳輸系統(tǒng)。隨著距離的增加，磁感應(yīng)系統(tǒng)中的磁場(chǎng)也會(huì)不斷減弱，數(shù)毫米至10 cm范圍內(nèi)可以發(fā)揮作用，但感應(yīng)電流較小。對(duì)近距離設(shè)備充電時(shí)，充電觸點(diǎn)不會(huì)被暴露，可以達(dá)到預(yù)期效果，且當(dāng)感應(yīng)電壓經(jīng)過(guò)整流后，便可以開(kāi)始無(wú)線充電。

1.2 磁共振方式

不同于電磁感應(yīng)，磁共振技術(shù)的寬容度更高，數(shù)厘米至數(shù)米范圍內(nèi)便可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電，使用靈活方便。磁共振技術(shù)的使用需要兩個(gè)規(guī)格相同線圈的支持，通電后，一個(gè)線圈內(nèi)出現(xiàn)磁場(chǎng)，另一個(gè)線圈進(jìn)行共振，產(chǎn)生電流供電。此種技術(shù)在設(shè)備距離與使用狀態(tài)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(tǒng)的電磁感應(yīng)方式，電場(chǎng)耦合的自由度更高，可以保證電極的快速插入，且不會(huì)升高電極溫度。同時(shí)，電磁方向也比較自由，雖然無(wú)法達(dá)到數(shù)米長(zhǎng)的磁共振長(zhǎng)度，但也可以隨意放置充電臺(tái)，充電效果良好。電磁感應(yīng)技術(shù)需要精準(zhǔn)的位置匹配，否則會(huì)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(hào)，可以及時(shí)傳遞能量，當(dāng)接收能量信號(hào)后，共振電路與整流電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可以直接為設(shè)備充電。微波頻率范圍為300 MHz～300 GHz，長(zhǎng)度級(jí)別包括毫米、分米、米等，可以傳輸較大能量。微波諧振會(huì)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(shè)備附近放置充電設(shè)備即可。設(shè)備收發(fā)方重合時(shí)，微波諧振與電磁感應(yīng)的能量會(huì)逐漸增大，直至達(dá)到最大值，產(chǎn)生最明顯的電磁感應(yīng)效果。隨著方向的移動(dòng)，電磁感應(yīng)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(wú)線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

在無(wú)線充電期間，將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l交流電，之后通過(guò)有線線圈間的耦合感應(yīng)實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳送。無(wú)線電能的傳輸主要通過(guò)送電線圈L1與受電線圈L2發(fā)揮作用，變壓器原線圈由L1與L2組成。工作人員根據(jù)結(jié)合器件高頻特點(diǎn)，設(shè)置適宜的調(diào)制頻率，提高運(yùn)行效率，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得知，最佳頻率為1.6 Hz。

懸磁浮子控制電路的設(shè)計(jì)應(yīng)以單片機(jī)為核心部件，根據(jù)確定的控制算法進(jìn)行編程，之后利用單片機(jī)控制浮子懸浮位置，通過(guò)傳感器測(cè)量浮子位置，保證運(yùn)行穩(wěn)定性?；魻栐梢詸z測(cè)浮子，將其通過(guò)A-D系統(tǒng)，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后傳輸至單片機(jī)，在控制磁場(chǎng)位置時(shí)應(yīng)有效采用數(shù)字PID控制器。根據(jù)不同的給定量，技術(shù)人員在控制磁場(chǎng)中浮子位置時(shí)也可以采用手工方法，合理調(diào)節(jié)浮子的受力大小。在反饋信息被接收后，單片機(jī)控制器可以直接轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)，將其變?yōu)閿?shù)字信號(hào)進(jìn)行反饋，磁鐵執(zhí)行器執(zhí)行，以合理控制磁場(chǎng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)力主要通過(guò)功率驅(qū)動(dòng)完成，傳感器為霍爾元件，可以保證浮子位置的準(zhǔn)確測(cè)量，單片機(jī)接收模數(shù)。技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)受電線圈L2與浮子位置，確定懸浮無(wú)線充電方法。

3 模擬量接近開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

電感式接近開(kāi)關(guān)具備相同的工作原理，也具備一定特殊性。接近開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)應(yīng)有效遵循以下標(biāo)準(zhǔn)，一是幾個(gè)開(kāi)關(guān)點(diǎn)應(yīng)由一個(gè)模擬量開(kāi)關(guān)控制，當(dāng)移動(dòng)被檢測(cè)物體時(shí)，在不同位置觸發(fā)某個(gè)動(dòng)作，其他相關(guān)位置也會(huì)發(fā)生相關(guān)動(dòng)作。為了解決上述問(wèn)題，幾個(gè)同等數(shù)量的接近開(kāi)關(guān)應(yīng)由一張金屬盤片或一個(gè)模擬量接近開(kāi)關(guān)控制，在實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)功能后，通過(guò)帶有模擬輸入的PLC輸入模塊完成控制?；蛘叽隧?xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)也可以通過(guò)處理供應(yīng)商信號(hào)完成。二是當(dāng)模擬量接近開(kāi)關(guān)進(jìn)行線性運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)轉(zhuǎn)變磁信號(hào)為電信號(hào)，這也是最簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)變方法。但此種方法的檢測(cè)范圍較小，設(shè)備之間不存在物理接觸。為了隨意調(diào)節(jié)可檢測(cè)范圍，應(yīng)采用鍥形物體進(jìn)行控制，當(dāng)物體屬于非平面結(jié)構(gòu)時(shí)，調(diào)節(jié)范圍得到擴(kuò)大，可以將線型信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮有盘?hào)。三是保證模擬量接近開(kāi)關(guān)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)偏心金屬盤片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以有效采集旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的角度信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。四是在辨別旋轉(zhuǎn)方向時(shí)，模擬量接近開(kāi)關(guān)可以使用同一個(gè)開(kāi)關(guān)，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(zhǔn)確性，編碼器應(yīng)為模擬量開(kāi)關(guān)。在此情況下，為了測(cè)定具體的旋轉(zhuǎn)方向，工作人員應(yīng)使用一個(gè)模擬量接近開(kāi)關(guān)，在二次儀表中確定3個(gè)開(kāi)關(guān)點(diǎn)的具體位置，合理測(cè)定物體的旋轉(zhuǎn)速度。為了保證流程安裝的準(zhǔn)確性，應(yīng)進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)測(cè)量。

4 主要算法及實(shí)現(xiàn)

4.1 軟件流程圖

為了發(fā)揮預(yù)期功能，應(yīng)利用軟件控制硬件，確定具體的流程圖。

4.2 軟件調(diào)試方法

本次軟件利用labvew程序進(jìn)行調(diào)試，類似于BASIC、C程序，LabVIEW屬于通用編程系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確完成串口控制、數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)分析等工作。一是LabVIEW標(biāo)志，設(shè)置明顯的斷點(diǎn)，可以準(zhǔn)確顯示存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息，調(diào)試工具為動(dòng)畫等，可以通過(guò)單步執(zhí)行顯示子程序的運(yùn)行結(jié)果，保證準(zhǔn)確調(diào)試。LabVIEW可以轉(zhuǎn)變文本的編程語(yǔ)言，通過(guò)圖標(biāo)語(yǔ)言代替，在文本編程語(yǔ)言的具體應(yīng)用過(guò)程中，技術(shù)人員在確定語(yǔ)句與指令時(shí)應(yīng)遵循明確規(guī)律，嚴(yán)格執(zhí)行命令。之后通過(guò)數(shù)據(jù)編程方法執(zhí)行LabVIEW，確定數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的走向，其中虛擬儀器為L(zhǎng)abVIEW的程序模塊。LabVIEW可以提供類似于傳統(tǒng)儀器的控件，為用戶創(chuàng)建運(yùn)行界面。在LabVIEM中，前面板為用戶界面，設(shè)計(jì)控制前面板編程時(shí)，應(yīng)連線各個(gè)圖標(biāo)。LabVIEW圖形源代碼又屬于程序框圖代碼，屬于流程圖范圍。

技術(shù)人員調(diào)試時(shí)先控制浮子，合理確定KP、KD、KI幾個(gè)控制參數(shù)，分別為比例增益、微分增益以及積分增益。為了減小誤差，應(yīng)合理增加比例增益，但比例增益也會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，增加KP會(huì)降低穩(wěn)定性，為了避免系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)大震蕩與不穩(wěn)定，應(yīng)避免使用過(guò)大的KP。技術(shù)人員在調(diào)節(jié)規(guī)律時(shí)通過(guò)積分控制器積分進(jìn)行，據(jù)此確定控制器的輸出信號(hào)，確定被調(diào)節(jié)量的變化率。在調(diào)節(jié)期間采用微分控制模式，當(dāng)被調(diào)試量出現(xiàn)較大偏差時(shí)，才可以被調(diào)節(jié)。且偏差更大時(shí)，為了準(zhǔn)確辨別調(diào)量的變化趨勢(shì)，還應(yīng)引入微分調(diào)節(jié)器模式，保證3個(gè)參數(shù)合理性。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用磁懸浮技術(shù)在空中懸浮浮子，通過(guò)無(wú)線充電技術(shù)充電，即為基于懸磁浮的無(wú)線充電技術(shù)。在通電情況下，傳感器檢測(cè)磁懸浮子的位置，并將數(shù)據(jù)傳輸至PID控制，以自動(dòng)調(diào)節(jié)電磁磁力，保證浮子穩(wěn)定懸在空中。設(shè)計(jì)期間會(huì)存在一定缺陷，理想情況下，浮子處于穩(wěn)定狀態(tài)，但實(shí)際依然存在差距，電源雜波、傳感器靈敏度以及調(diào)試工具等均會(huì)影響浮子的穩(wěn)定性，甚至還會(huì)出現(xiàn)上下大幅度抖動(dòng)，利用電線圈實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電與懸浮功能。

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