無線恒功率充電智能循跡小車的設(shè)計(jì)

摘? 要：文章以2021年江蘇省機(jī)器人大賽中的節(jié)能耐力賽為背景，搭建一種基于超級(jí)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(shè)在地面上的發(fā)送線圈接收諧振信號(hào)，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(duì)其中所涉及的無線接收模塊、恒功率模塊、超級(jí)電容模塊等進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了小車的節(jié)能運(yùn)行，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了恒功率充電的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：無線充電；超級(jí)電容；恒功率；STM32F407

中圖分類號(hào)：TM910.6? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：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(huán)境問題和能源問題日益嚴(yán)峻的當(dāng)下，國家大力推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前，電動(dòng)汽車的發(fā)展技術(shù)已經(jīng)成熟，并進(jìn)入大規(guī)模商用階段，這也勢(shì)必會(huì)為多樣化充電技術(shù)帶來發(fā)展機(jī)遇。在眾多的充電技術(shù)中，無線充電技術(shù)的發(fā)展日新月異，該項(xiàng)技術(shù)的主要工作原理是磁共振耦合，即在發(fā)送電路和接收電路之間建立磁場(chǎng)，以磁場(chǎng)為介質(zhì)傳輸電能。與傳統(tǒng)的有線充電技術(shù)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(shí)間里，這項(xiàng)技術(shù)并沒有得到充分的應(yīng)用。直到近年來超級(jí)電容的廣泛應(yīng)用，才讓無線充電技術(shù)得以重新發(fā)展。超級(jí)電容作為一種新型的能量存儲(chǔ)介質(zhì)，具有充放電速度快、功率密度高、循環(huán)使用次數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)，在很多領(lǐng)域逐漸取代傳統(tǒng)蓄電池[1]。

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)循跡小車使用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能介質(zhì)，給出其主控系統(tǒng)、恒功率控制系統(tǒng)、穩(wěn)壓模塊的設(shè)計(jì)原理，并搭建出實(shí)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1? 系統(tǒng)整體方案

本系統(tǒng)主要分為硬件部分和軟件部分。其中，STM32F407主控系統(tǒng)模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)的整體運(yùn)算。無線電能接收模塊負(fù)責(zé)從發(fā)射線圈接收能量。整流穩(wěn)壓模塊負(fù)責(zé)將整車接收到的電能轉(zhuǎn)換成直流電壓，同時(shí)對(duì)直流電壓進(jìn)行降壓處理，給其他模塊充電。超級(jí)電容保護(hù)模塊負(fù)責(zé)儲(chǔ)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(jìn)。直流電機(jī)控制模塊是整車的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。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(jī)控制部分。

本次比賽中所使用的無線發(fā)射端為一個(gè)640 kHz的發(fā)射線圈，其發(fā)射的最大功率為30 W。系統(tǒng)接收模塊以LC串聯(lián)諧振方式從發(fā)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(tǒng)模塊的控制下，以恒定功率為超級(jí)電容組充電，直至電量充滿為止。在充電的同時(shí)，部分電能通過DC/DC穩(wěn)壓模塊向其他模塊供電，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。系統(tǒng)充滿電后，最小系統(tǒng)模塊根據(jù)電磁循跡模塊反饋而來的信息，驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制模塊，使小車沿預(yù)定軌跡行駛。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2? 理論計(jì)算

2.1? 電容儲(chǔ)能公式

根據(jù)電路原理以及電容充電電壓和充電功率的關(guān)系可得電容儲(chǔ)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(jìn)行轉(zhuǎn)換可以得到電容兩端的電壓Uc（t）和功率、時(shí)間以及電容大小的關(guān)系式：

根據(jù)調(diào)查可知，目前市面上推出的超級(jí)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(gè)容量為10 F、單體耐壓2.7 V的超級(jí)電容進(jìn)行串聯(lián)，形成一個(gè)超級(jí)電容組，作為整車的能量來源。由電容串聯(lián)計(jì)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(chǔ)

本次比賽所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的PID算法對(duì)電容進(jìn)行充電，以維持充電功率在整個(gè)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(tǒng)的穩(wěn)定性和靈敏性[3]。

根據(jù)電容充電電路數(shù)學(xué)模型，建立PID控制器的傳遞函數(shù)：

其中：Kp表示比例控制系數(shù)，Ki表示積分控制系數(shù)，Kd表示微分控制系數(shù)。

2.2.1? Kp的作用

系統(tǒng)輸入量和給定量的偏差值成倍放大。由于誤差被放大，后級(jí)調(diào)節(jié)部分會(huì)迅速對(duì)該誤差做出響應(yīng)，試圖減小誤差。比例系數(shù)越大，系統(tǒng)調(diào)節(jié)的速度就越快。但如果所選擇的比例系數(shù)過大，則會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生較大的震蕩，無法穩(wěn)定下來。

2.2.2? Ki的作用

使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差逐步消失。一旦系統(tǒng)的輸入量和給定量有誤差產(chǎn)生，積分調(diào)節(jié)就會(huì)立馬起作用，直至誤差消失。在實(shí)際工程中我們需要設(shè)置飽和值，使得積分調(diào)節(jié)輸出一個(gè)常值。積分時(shí)間常數(shù)Ti決定積分作用的強(qiáng)弱，Ti越小，積分作用就越強(qiáng)，反之亦然。引入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。

2.2.3? Kd的作用

對(duì)偏差的變化率進(jìn)行預(yù)測(cè)能夠做到超前調(diào)節(jié)，我們可以基于該系數(shù)來改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。選擇合適的微分系數(shù)，可以減少超調(diào)量的大小及調(diào)節(jié)時(shí)間。但是微分環(huán)節(jié)對(duì)噪聲干擾比較敏感，因此該環(huán)節(jié)的微分系數(shù)選擇要慎重。應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的控制目的選取不同的組合。例如，電機(jī)速度閉環(huán)采用PI控制算法，位置閉環(huán)則采用PD算法。若在位置控制中加入積分，則會(huì)使小車響應(yīng)速度變慢，甚至?xí)?dǎo)致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。

為了便于在STM32中進(jìn)行PID算法的離散運(yùn)算，我們將傳遞函數(shù)G（s）進(jìn)行拉氏反變換，得到其所對(duì)應(yīng)的時(shí)域函數(shù)：

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

3? 硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的搭建主要是圍繞高效率的電能接收和轉(zhuǎn)換而進(jìn)行的。由于直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電磁循跡模塊的技術(shù)比較成熟，選擇成品模塊進(jìn)行組裝。這里重點(diǎn)闡述系統(tǒng)中的無線接收電路、整流電路、穩(wěn)壓電路、恒功率充電電路、超級(jí)電容保護(hù)電路等的設(shè)計(jì)。

3.1? 超級(jí)電容組保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

由于生產(chǎn)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(gè)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?cè)谟布娐吩O(shè)計(jì)中加入了基于BW6101的保護(hù)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(gè)電容的保護(hù)電路原理如圖2所示。

3.2? 無線充電接收模塊電路設(shè)計(jì)

無線充電系統(tǒng)分為發(fā)射端和接收端。發(fā)射端由比賽組委會(huì)提供，接收端根據(jù)比賽要求自制，本系統(tǒng)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(chǎn)生的交流電通過倍壓整流電路進(jìn)行整流[5]。經(jīng)過實(shí)際測(cè)量，整流后的直流電壓最高可達(dá)50 V，遠(yuǎn)超超級(jí)電容組所能承受的13.5 V。因此，若直接使用該電壓給超級(jí)電容組充電，勢(shì)必會(huì)永久損壞超級(jí)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(jìn)行穩(wěn)壓。接收模塊電路如圖3所示。

3.3? 充電系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，由于采用恒功率進(jìn)行控制，需要對(duì)充電電流和電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。本系統(tǒng)采用AD8417對(duì)充電電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采集[7]，如圖4所示。

基于電阻分壓的原理對(duì)充電電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過單片機(jī)的IO引腳來接收采集到的數(shù)據(jù)。STM32對(duì)充電功率進(jìn)行計(jì)算，之后使用PID控制算法控制充電電路中MOS管的關(guān)斷和開啟，實(shí)現(xiàn)恒功率控制，原理圖如圖5所示。

3.4? 穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，為了使MCU能夠正常工作，需要對(duì)其進(jìn)行持續(xù)供電。選用TI公司的自動(dòng)升降壓芯片TPS63070作為穩(wěn)壓芯片，設(shè)計(jì)輸出電壓為3.3 V。當(dāng)充電完成后，超級(jí)電容模組給整車供電，當(dāng)電容模組的電壓降至3.3 V以下時(shí)，TPS63070芯片依然會(huì)將輸出電壓維持在3.3 V，避免電能的浪費(fèi)[8]。該芯片整車工作電壓可達(dá)2 A，帶載能力較強(qiáng)。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(shè)計(jì)

4.1? 程序總體設(shè)計(jì)

軟件部分主要由主函數(shù)和定時(shí)中斷函數(shù)組成。主函數(shù)負(fù)責(zé)完成MCU的IO初始化、定時(shí)器初始化等工作。定時(shí)中斷函數(shù)是軟件的主要執(zhí)行部分，實(shí)現(xiàn)定時(shí)控制、電壓電流檢測(cè)、恒功率算法控制、電機(jī)控制、循跡信號(hào)采集等功能，具體流程如圖7所示。

系統(tǒng)接收到電能后，單片機(jī)開始工作。進(jìn)行電壓電流采集，計(jì)算此時(shí)的充電功率。由于采樣的是恒功率控制方法，單片機(jī)在內(nèi)部進(jìn)行相應(yīng)的軟件運(yùn)算，使得超級(jí)電容組的充電功率始終恒定在特定的范圍。系統(tǒng)每隔5 ms重復(fù)一次上述操作。當(dāng)充電電壓達(dá)到預(yù)定值后，結(jié)束充電，單片機(jī)通過接收地面軌道發(fā)送的電磁信號(hào)進(jìn)行循跡控制，使得小車按照預(yù)設(shè)的軌道運(yùn)行。

4.2? 恒功率充電算法實(shí)施方案

對(duì)于超級(jí)電容模組，恒定充電功率是實(shí)現(xiàn)快速充電的最有效方式。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，我們采樣傳統(tǒng)的PID控制方法。為了在STM32中實(shí)現(xiàn)該算法，將式（5）進(jìn)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(shù)，Ki表示積分控制系數(shù)，Kd表示微分控制系數(shù)，en表示實(shí)測(cè)充電功率與預(yù)設(shè)充電功率之間的差值，en-1和en-2以此類推。

4.3? 實(shí)際充電性能測(cè)試

為了驗(yàn)證恒功率充電的有效性，將恒功率充電組和恒壓充電組進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程如下：先利用水泥電阻給超級(jí)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(nèi)進(jìn)行充電。充電的瞬間進(jìn)行計(jì)時(shí)操作，記錄其每次從0 V充電至10 V所用的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

5? 結(jié)? 論

本文以江蘇省大學(xué)生機(jī)器人競(jìng)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(tǒng)設(shè)計(jì)方案。首先分析了超級(jí)電容的充電理論，給出其充電電壓和充電時(shí)間以及充電功率之間的關(guān)系，然后分析了PID控制器的基本工作原理。在此基礎(chǔ)上，文章給出了諧振接收電路、整流電路，以及DC/DC穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)原理圖。由于該系統(tǒng)使用嵌入式芯片作為主控芯片，因此文章對(duì)系統(tǒng)的軟件控制流程做出詳細(xì)的闡述，并詳細(xì)介紹了恒功率控制算法的軟件實(shí)現(xiàn)方法。最后，文章通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了恒功率充電的優(yōu)越性。

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作者簡(jiǎn)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(xué)與工程。