您现在的位置:往届作品展示 >

2019年优秀获奖作品展示——电子科技大学A题

文:电子科技大学甘东、黄峥、岳伯阳 发布时间:2019-11-12 11:40:49 浏览次数:196

A题 电动小车动态无线充电系统

获奖情况:国家一等奖

队伍成员:电子科技大学甘东、黄峥、岳伯阳

一、系统总体方案设计

1.1 总体任务分析

总体任务主要分为两部分:无线充电系统和小车动力系统。无线系统以高效率为首要目标,在现有的功率下尽可能的转化为有效功率,主要设计的目标有:优化发射接收线圈的内外半径比;优化线圈与线圈之间的距离;优化站台之间切换的间隔与小车速度之间的关系。动力系统以压榨电容能量和降低小车功耗为首要目标,主要设计目标有:优化电容容值的选取;优化小车架构和电机效率;优化小车速度。

1.2 总体方案构想及模块(或子系统)划分

系统由四个模块组成:无线收发,DC-DC模块,主控模块,电机驱动模块。

1.3 方案论证与选择

1.无线收发模块

方案一:基于MSP430F5529主控的发射接收模块。XKT-412是一种无线充电发射芯片,具有宽电压自适应控制功能。XKT-335是高功率输出集成电路, 该芯片将输出电流扩大。接收部分使用T3168芯片接收传播来的能量信号,利用谐振回路与发射电路实现共振,输出交流电。使用5529对发射接收模块进行实时数据处理及逻辑控制,实现小车的自动控制。

方案二:使用boost升压电路的无线发射模块。本题可以使用boost升压电路将电源电压升至12V之后为后续电路供电。XKT-801是一款无线充电发射芯片,在12V工作电压下,接收端电压电流可达到5V5A,同时,充电距离可达到15mm无衰减,便于进行远距离及隔物的能量传输。

综合以上两种方案,方案一电路简单易行,方案二传输距离更远,但是效率较方案一更低,故选择方案一。

2.DC-DC模块

方案一:选用Buck-Boost 电路。备选芯片有TPS63020。Buck-Boost 电路既能升压也能降压,适用于小容值的电容,在输入电压高于或低于输出电压都能很好工作,而TPS63020更是其中的佼佼者,效率可达90%,调节电容容值能更充分的利用电容能量,缺点是Buck-Boost 电路所需的最低输入电压较高一般为1.8V,电容最后的剩余能量较多。

方案二:选用 Boost 电路。考虑电容充电后的最大值,使最大电压输入电压小于或略大于输出电压,备选芯片有TPS61022和TPS61200。TPS61200最低可工作电压为0.3V,优点在于电容能量利用率更高,大电容充电更快,而芯片效率较 Buck-Boost 电路低。

综合以上两种方案,方案二的电容大,充电快,能量利用高,虽然效率较低,但电机总获得能量最多,故选择方案二。

3.主控模块

方案一:使用MSP432系列。32位超低功耗嵌入式处理器,基于Cortex-F4M内核,具备FPU,但功耗仅仅与Cortex-M0相当,适用于高效数据处理和增强的低功率运行等至关重要的任务。推出时间仅有几年,开发有一定难度。

方案二:使用MSP430F5529。16位超低功耗嵌入式处理器,外设丰富,可以1.8V-3.6V供电,适用于极低功耗要求,长时间工作的睡眠模式的应用。推出时间长,开发难度低。

综合以上两种方案,方案一性能冗余过多,方案二在保证性能足够的同时能实现更低的功耗,故选择方案二。

4.电机驱动模块

方案一:使用四个驱动电机。抓地、驱动强,转向控制简单,但动能分散,传输损耗加大,且容易冲出赛道。

方案二:使用两个驱动电机。功耗低,平路时能量利用率高于四驱,但转向能力差,速度较慢。

方案三:使用两个驱动电机,加两个万向轮,实现万向车。其与两驱一样,节约能量,但由于结构的特殊性,能实现原地转向,转向能力极强。

综合以上三方案,结合本题电机控制复杂的需求(转向、减速、停车),而方案三又集前两方案优点于一身,故选择方案二。

根据以上方案比较分析与综合考虑,本系统最终确定的系统框图如图1所示:

图1 系统框图

无线收发系统使用XKT-412,实现能量的无线传递。DC-DC使用TI成品芯片TPS61200,实现低电压情况的稳压输出,充分利用电容能量,MCU使用MSP430F5529,主要用于功率检测,站台通断切换,电机控制。电机驱动使用芯片TB6612以应对本题复杂的电机驱动需求。

二、理论分析与计算

2.1 无线充电模块

无线充电发射模块采用LC谐振回路进行能量的无线传输,LC组成方式为并联-并联 (P-P) ,该结构仅需控制f、LP、CP三者满足谐振表达式

就能控制系统产生磁共振。为了追求高效率,远距离充电,本模块采用30μH多股绕线电感,以增加传输距离。通过查阅文献得知,无线充电系统的传输频率在100kHz~200kHz之间效果较好,故本模块采用150kHz作为传输频率。

无线充电接收模块及供电电路采用30F超级电容。理论上,其总储能W,电容容值C与电容最大电压的关系为:

其中,Q为电容最大电荷量,i为瞬时充电电流。由于电容充电60s后,不同容值得到不同的电压,而最小电压同为0.3V,经过实测计算能量利用率,最终得到最适合的容量值30F。

2.2 DC-DC模块

本部分使用TPS61200芯片,TPS61200芯片是一块升压芯片,其输出电压Vout可调,由Vout脚与FB脚间电阻R1,FB及GND间电阻R2决定,计算公式如下

其中V是反馈脚电压,为0.5V,选取R1 910k,R2 180k,则输出电压为3.028V。电机驱动电压为3V,能同时作为电机和MCU的VCC,且3V输出续航能力更强。

三、电路与程序设计

3.1 各部分电路设计

1. DC-DC电路

具体电路如图2,为了尽可能的利用电容能量,本方案使用TPS61200 Boost电路芯片,在满足输出电压大于(或略小于)输入电压时都能正常使用,具体电路如图二,后续设计中为了微调输出电压,可将R2改为滑动变阻器;输入输出都在最近地方并联47uF电容,降低纹波,提高了系统的稳定性。

图2 DC-DC模块原理图

2. 无线充电发射接收电路设计

具体电路如图3图4,考虑到实际环境中的各种干扰,本模块需要采用大电流远距离传输方案,选用XKT-412与XKT-335为基础的发射模块,在5V供电下,可在接收负载上接收到5V1A的能量。发射端采用30μH电感大线圈,采用适当电容并微调,以达到最高的传输效率。

图3 无线充电发射模块

图4 无线充电接收模块

3.小车架构设计

题目中小车只往某一确定方向转向,要求能实现停车,由于本系统用超级电容充电,必须降低功耗,因此放弃四个电机驱动的,两驱加万向轮成为了首选。但两轮前驱和后驱都有转向上的困难,剩下方案只有万向车,如图N,其能实现原地转向。万向轮所在平面略低于驱动轮,保证驱动轮不会悬空打滑,任意一个万向轮加两个驱动轮能确定一个平面,保证小车平稳。

图5 小车架构简易图

3.2 程序设计

作为本系统主控芯片,TI的MSP430F5529单片机主要完成启动之前的电容电压值检测,启动后循迹行驶和方向纠正,遇站点后减速充电等任务。人机交互部分主要通过LED灯亮灭来显示是否正在充电。通过红外对管返回的逻辑电平来判断当前行驶状态,通过MSP430改变PWM波来调整小车两侧电机转速,进而达到循迹的目的。通过AD采样得到充电站的状态从而判断小车停止还是启动。

1.循迹功能

通过车头的4个红外对管检测其下方是否存在黑线,当不同的红外对管处在黑线上时,会检测到不同的情况,这时采取对应的转弯操作即可调整小车姿态,完成循线功能。例如左边对管返回高电平,说明车体偏右,这时降低左轮转速,即可实现左转,调整车体位置。

2.电机控制

通过MSP430F5529的定时器B产生两组可独立控制占空比的PWM波,分别作为左右电机驱动模块的输入信号,通过控制PWM占空比,可调节电机的转速。通过MCU输出高低电平控制INT0~3实现电机转动方向的改变。通过改变小车两侧的转速实现转向功能,在红外对管检测到轨迹之后,下达命令,电机转速相应的改变。

3.充电检测

线圈感应后充电模块会产生5V的电压向超级电容充电,此时两者电压相近,而小车离开地上的线圈后,充电模块会立即停止输出,此时超级电容两端电压会远大于充电模块的输出电压,通过两个AD检测两者的值,可以知道当前是否在充电。

其软件流程图如图6所示。

图6 软件流程图

四、系统测试与测试结果分析

4.1 使用仪器

PA3000功率分析仪 1台

SDS1202X示波器 1台

精密秒表 1只

4.2 测试项目

1)小车充电显示信号:给小车充电,当小车经过充电线圈时,观察小车车身是否发出充电信号。

2)小车能否充电后自动停车:将小车在A点充电线圈上方放置60秒,关闭电源,观察小车能否自动启动,启动后能否在B点停车。

3)小车能否自动循迹:在底板上制作循迹轨道,小车充电60秒后关闭电源,观察小车能否自动启动,启动后能否正确循迹,记录小车行驶距离L1。

4)小车续航能力:将小车放置于充电线圈上,观察60秒时小车能否自动启动;若可以启动,观察小车能否行驶180秒,并记录小车行驶距离L2;关闭电源,直至小车停止;计算L=L2-L1。

5)测量充电效率:电源连接功率分析仪,将小车放置于充电线圈上,开启电源,重复2.1中步骤,记录功率分析仪示数W,计算K=L2/W。

4.3 测试结果分析

表1 基本要求测试结果

测量项目 题目指标 完成情况 是否
达标
测试方案简述
与测量仪器
1.1显示状态 小车能通过声或光显示是否处在充电状态 经过充电点时亮灯显示 通过充电点
观察
1.2自动启动自动停车 充电60秒
断电时启动
B点自动停车
断电启动
B点停车
秒表计时
观察
1.3自动启动行驶距离 充电60秒
断电时启动
自动循迹至停车
断电启动
可行驶35圈(77m)
秒表计时
圈数与角度计算距离

表2 发挥部分测试结果

测量项目 题目指标 完成情况 是否
达标
测试方案简述
与测量仪器
2.1自动启动自动循迹
续航能力
60秒小车自动启动,沿引导线行驶,180秒后记录行驶距离L2 小车可以自启动
可以自动循迹
L2=99m
秒表计时
圈数与角度计算距离
2.2充电效率 测量直流稳压电源在小车开始充电到停驶时间 段内输出的电能 W,计算 K= L2/W 57% PA3000功率分析仪

表3其他部分测试结果

测量项目 完成情况
显示圈数 可正确显示
动态监测电压 可正确显示

五.结论

本作品完成了题目的所有基础指标和发挥要求,符合题目所有指标并且具有动态测量电压电流的功能,能实现动态开启站台。

本作品采用TI的TPS61200搭建Boost电路,输入范围大,最低可达0.3V;采用MSP430F5529作为信号采集处理模块的主控芯片,控制站台开启或关断,电机转速,转向和停车,功耗极低,能动态扫描电压、电流,检测圈数。

本作品电容储能利用率极大,小车速度快,60秒充电能跑39圈,动态充电能跑45圈。满足题目要求。

附:实物视频