马如伟1，张志禹1，张春美1，张得龙2

　　（1.西安理工大学 自动化与信息工程学院，陕西 西安 710048； 2.潍坊科技学院，山东 潍坊 262700）

      摘要：随着科学技术的日益发展，汽车制造行业也逐渐成熟，对于汽车中供电车灯的关注度正在逐步提高，而非接触供电车灯的研究是汽车制造业更为关注的课题。本文对非接触供电车灯的原理以及设计作了较为详细的阐释，并用ARM微处理器作为非接触供电车灯的无线反馈稳压电路的处理单元，利用Protel DXP2004设计出原边和副边的PCB板，采用编程工具Keil uVison4编写原边电路的发射程序。最后对于这种车灯的性能做出了分析，并预测其将成为汽车行业发展的一种前景。

　　关键词：非接触供电；汽车灯；无线反馈

0引言

　　图1非接触供电车灯电路的原理图众所周知，汽车的制造过程是一项很复杂的系统工程，需要对车身的整体乃至微小部分做到十分精细加工，而在诸如像引擎盖、后备箱处的加工时，需要增加车灯，而如果在这样的位置配置了照明灯，电线就会容易发生损坏，造成事故的发生。本文采用非接触供电的电流型全桥DCDC隔离式开关电源电路，使用原、副边不接触的无铁芯线圈。反馈电路将负载电压信号无线反馈到非接触充电电路的原边电路的控制端，系统自动调节并改变原边电路全桥变换器的占空比，使输出功率稳定在设定值。在设计系统电路时，主要针对非接触供电和无线信号反馈稳压两部分进行设计，这两部分是非接触供电车灯中的无线反馈稳压电路的主要组成部分。非接触供电部分包括原边子系统、副边子系统和非接触变压器；无线信号反馈稳压电路主要包括发射电路和接收及反馈控制电路。

1电路原理图的设计

　　非接触供电车灯电路原理图如图1所示。

　　无线反馈稳压电路中无论是发射电路还是接收电路都含有无线模块nRF24L01、ARM微处理器（STM32F107RTB6）以及外围电路，ARM自带A/D转换端口和PWM输出功能。汽车的蓄电池为24 V，灯光采用10 V/20 W的照明灯。原边电路由带铁心的耦合电感和功率型开关管构成推挽式拓扑电路，通过反馈信息来调节ARM微处理器的PWM输出信号，经过光耦隔离，分别控制开关管V1、V2的栅极，使两个开关管交替导通和断开，在原边载流线圈L31两端产生交流电压［1］，此交流电压占空比可调、频率固定，其中频率设定为38 kHz。

　　图3原边电路图（局部）一次绕组L31、二次绕组L32是互不接触、对立平放的不含铁芯的疏松耦合线圈，这样就构成了一个非接触的具有磁耦合性质的变压器。一次绕组L31、原边子系统、无线接收及反馈控制电路安装于汽车车体上；二次图2副边电路图（局部）绕组L32、副边子系统、无线信号发射电路和负载固定在灵活旋转的汽车部件上。同时原、副边载流线圈采用平面绕组配合平面磁心的分布式绕组，这样可以提高非接触变压器的耦合系数K，并保证两者之间有一定气隙，互不接触。

　　C1、C4作为补偿电容，用于补偿功率因数，降低电路的无功损耗和开关损耗［2］。二极管D1、D2和电容C2、C3作为倍压整流电路， L4、C5作为滤波电路消除整流电路中的纹波。R1、R2电阻用于分压，通过电压检测环节，将得到的电压采样值送到ARM微处理器的A/D转换端口ADC0。

　　通过对负载电压和电流取样，用发射端的ARM微处理器STM32F107RTB6自带的A/D转换端口将检测到的模拟信号转换为数字信号，再用一对无线收发模块nRF24L01将信号传递到接收端的ARM微处理器STM32F107RTB6。通过ARM可以自动调节PWM变换器，控制非接触供电电路中功率开关管的占空比，改变原边电路的输出功率，最终使负载电压更加稳定［3］。

　　非接触供电电路包括副边电路和原边电路两部分，副边电路（局部）与原边电路（局部）分别如图2和图3所示。

　　在反馈方面采用双闭环控制，即电压外环与电流内环控制，控制方法采用PI调节。在电压控制环节中，先将电压参考值Uref与经LC滤波后的电压值Uo比较，两者的误差值经过电压调节器所得到的信号作为电流参考值Iref。在电流控制环节中，将副边检测到的电流值与电流参考值Iref比较，把误差信号传递给PWM变换器，控制原边电路中功率开关管的占空比，通过互不接触的空芯变压器的磁耦合改变电路的输出功率，显著提高了系统的稳压性能［4］。

2整流电路的选择

　　由于电压不能满足要求，所以要升高电压，可以据此设计电路和选择电路。本文选择的是倍压整流电路。

　　在副边整流电路的选择上，采用的是二倍压整流电路。二倍压整流电路其实是巧妙地应用储能元件和整流元件，将较低的交流电压“整流”出一个二倍的直流电压。如图4所示。

　　图4所示的电路由变压器、两个整流二极管VD1、VD2及两个电容器C2、C3组成。当变压器输出交流电压VC4位于负半周时，二极管VD1导通，VD2截止，电流经过VD1对C2充电，电容C2上的电压接近C4电压的峰值2VC4，并基本保持不变。当VC4为正半周时，二极管VD2导通，VD1截止，此时，C3上的电压为电容C2电压（值为2VC4）与电源电压VC4串联相加，电流经VD2对电容C3充电，充电电压为：

　　V′c3=2V2+1.2V2≈22V2

　　其中，V2为变压器输入电压。

　　如此反复充电，C3上的电压基本等于22V2，它的值是变压器整流输入交流电压的二倍，所以叫做二倍整流电路。

　　电容器C2和C3上的直流电压分别为:

　　Vc2=2V2

　　Vc3=22V2

3无线反馈稳压部分

　　3.1无线信号发射模块

　　无线信号发射电路由无线模块nRF24L01、ARM微处理器STM32F107RTB6及外围电路组成。无线模块nRF24L01既具有发射功能也具有接收功能，通过设定软件使其处于发射状态，通信频率选择2.4 GHz［4］。

　　当负载工作时，发射电路首先检测电阻的输出电压，此电压信号通过ARM微处理器自带的A/D转换端口ADC0将其转换为数字信号，然后通过ARM将数字信号以串行通信方式写入无线发射模块nRF24L01的数据输入脚MOSI，通过无线发射模块传递给无线接收模块。实际上，无线发射电路作为副边电路的核心部分，其主要作用就是检测副边电路的输出电压和电流。

　　3.2无线信号接收模块

　　副边电路中的无线模块nRF24L01接收来自发射电路的数字信号，将此数字信号通过ARM微处理器（STM32F107RTB6）自带的D/A转换端口读入，并将其转化为幅值为1 V左右的模拟信号，由STM32F107RTB6的引脚输出，此模拟量与负载电压成正比，并采用电压外环与电流内环反馈控制的双积分算法，自动调节PWM输出占空比［56］，以此控制原边电路中的功率开关管，改变原边电路的输出功率，从而可以调节副边电路的功率，使电压能够达到一个相对稳定的状态。

4非接触变换器参数的设计

　　非接触变换器原、副边均为不加磁芯的空心绕组［7］，它们可以等效为变压器互感模型，互感模型的等效电路图如图5所示。

　　即折算到原边时，变压器两侧漏感相同。耦合系数较高时，通常变压器采取两参数测量法，即分别测量副边开路和短路时的原边电感作为变压器的励磁电感和漏感［8］。副边开路时测得的电感实际为：

　　Lopn=Ls1+Lm

　　而副边短路时测得的电感为：

　　Lsht=Ls1+Lm/Ls2

　　实际上，根据上式，可以得到：

　　Lsht=(1－K2)L1

　　经过计算与测量的比对，并且因为采用了分布式的配合平面磁心的平面绕组，耦合系数提高，确定为0.20。

5实验波形及分析

　　非接触供电车灯的电源为车载蓄电池，电压为24 V±10%；车灯的负载功率为20 W，图6为实验所得的电路波形。图6（a）为变换器副边线圈的电压波形。当输入电压以±10%波动时，通过图6（b）的测试结果可以看出输出电压基本保持在一个稳定状态。

　　原、副边载流线圈距离1.7 cm时，感应耦合系数测试值为0.20。如果忽略辅助电源的功耗，电路效率为80%，工作频率fs=38.5 kHz。

6结论

　　传统的车灯供电方式固然有其独特的优越性能，但是在某些特定的场合或位置上难以满足生产以及制造的要求。因此本文通过非接触式变换器设计出了一种非接触供电车灯，利用ARM微处理器和Keil编程实现其特有的功能，并且通过实验结果分析得出输出电压是稳定的，达到了预期的设计目标，而且具有运行可靠、操作简单、维护便利等优点。

参考文献

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　　［2］ 孙跃，王智慧，戴欣，等．非接触电能传输系统的频率稳定性研究［J］．电工技术学报，2005，20(11)：5659．

　　［3］ 周成虎，瓮嘉民.电动汽车无线反馈非接触充电电路设计［J］．电力电子技术,2012，46(5)：2021．

　　［4］ 周成虎，瓮嘉民.一种用于非接触供电车灯的无线反馈稳压电路设计［J］．照明工程学报,2012，23(4)：103106．

　　［5］ HU A P，HUSSMANN S.Improved power flow control for contactless moving sensor applications［J］． IEEE Power Electronics Letters，2004，12( 4) : 135138．

　　［6］ 梁艳.基于OpenCV的ARM嵌入式网络视频监控系统［J］.微型机与应用,2013,32(9):2931.

　　［7］ COVIC G A，ELLIOTT G，STIELAU O H，et al． The design of contactless energy transfer system for a people mover system［C］.Proceeding of International Conference on Power System Technology, Perth，Australia，2000: 7984.

　　［8］ 吴卫华,唐健,杨瑞景,等.基于无线传感网的智能电网线路传感器系统的研制［J］.微型机与应用,2013,32(5):5456,59.