无线充电电动小车（C题）

李剑飞

本文主要描述了基于超级电容和机械小车的无线充电电动小车的设计方案。首先制作一套无线充电装置，将其发射器线圈放置在路面。发射器采用具有电磁感应式的XKT901,自动切换的直流稳压电源供电，在供电电压为 5V，供电电流不大于1A的条件下，电动车使用适当容量超级电容（法拉电容）储能。最后，实现当电动车检测到无线充电发射器停止充电时，立即自行启动，向前水平直线行驶，直至能量耗尽，电动车沿倾斜木工板路面直线爬坡行驶。根据前人对无线充电电动车的控制经验和实验，选择适当容量电容，针对主要原因提出改进的措施。综合多方面因素，观测运行数据。再根据数据进行进一步的调整和修正。并在此过程中分析问题，解决问题，为无线充电电动车的设计和控制积累了一定的经验。

关键词：无线充电，自启动，TPS63020，超级电容

一.方案论证和选择
根据题目要求，设计制作一个无线充电电动车，包括无线充电装置一套。完成无线充电、超级电容储能、自启动、水平行驶和坡道行驶等功能。为完成相应功能，系统可划分为以下几个模块：无线发射和接受模块、自启动模块、升压模块、电机模块和单片机程控模块。

图1-1

电机的选择及论证
方案一：采用步进电机。步进电机具有动态响应快、精度高、易于起停，易于正反转及变速的优点，可精确控制旋转角度。但它以步进式跟进，角度小于一个步距角时是系统响应盲区，且转速较慢。
方案二：采用直流减速电机。直流减速电机具有扭矩大，结构紧凑，体积小，转速快，驱动电路简单，稳定强，负载能力强等优点，且速度较快。价格相对便宜。能较好满足题目水平行走和坡道行走的需求。
综合以上两个方案，结合题目的要求，选择方案二。

DC-DC变压的选择及论证
方案一：采用B6287。B6287是一款超小封装高效率、直流升压稳压电路。输入电压范围可由2~24V，升压最高可达28V可调，且内部集成极低RDS内阻100豪欧金属氧化物半导体场效应晶体管的(MOSFET)，可实现高达2A大电流。振荡频率1.2MHZ，效率高达95%，该电路具有短路保护，过热  保护等功能。
方案二：采用TPS63020。TPS63020器件是一款电源解决方案，使其电压降至 2.5V 或更低水平。同时输入输出有三路，转换器可被禁用以最大限度地减少电池消耗。模式可升压和降压，输入电压1.8~5.5V，输出电压1.2~5.5V，采购方便。
综合考虑以上两个方案，TPS63020更符合题目要求，因此选择方式一。

单片机的论证与选择
方案一：采用TI公司MSP430F5529单片机作为主控制器。MSP430F5529是16位单片机，具有 128KB 闪存、8KB RAM、USB 接口、12 位 ADC。该芯片是超低功耗微处理器，很好的满足了题目的能源利用率要求。
方案二：采用STM32F103C8T6单片机作为主控制器。STM32F103C8T6单片机多达7通道DMA控制器，7个定时器，9个通信接口，体积小，重量轻。
综合考虑以上两个方案，考虑到尽量降低功耗，选择方案一。

二、理论分析与计算
2.1 小车功耗系统分析
2.1.1 无线充电参数配置
对于小车的动力、储能、功耗是非常重要的，无线充电器的数据参数保证了充电效率。保证高效转换速率发射和接收线圈，应选择φ1mm的漆包线在φ66mm的圆柱体上密绕20匝，用502胶适当粘接，脱胎成桶形线圈。同时设计传输距离为1cm~5cm。
2.1.2 法拉电容的设计
为了增大充电电压、提高充电效率，保证在1分钟充电时间内尽量获得较大的储能，以便有足够大的功率来驱动电机工作。
电容的储能大小可用不同容值的电容通过串并联的组合进行调节。法拉电容的电容值（F）是无法直接换算成普通电池的电容量（mAh）的。必须要确定法拉电容的充电电压(U_0)、终止放电电压(U_1)，电池的电压(U_S)等参数后才能等效计算得出。

图2-1电容充电过程（左）电容放电过程（右）

电容器的容量（C）是指电容器两端单位电位差（U）时电容器所储藏的电荷数（Q），即Q=C×U,
电流（I）是指单位时间（t）通过导体横截面的电荷数（Q），即I=Q/t，
电能（W）是指电压（U）与电流（I）的乘积对时间（dt）的积分，即

由于电容器放电的过程中，随着电荷数的减少，电压也在下降。因此电容器储能：


电池的电能:

要进行电容器容量与电池容量进行换算，就是对两者的电能进行等效。即
        
通过理论计算和电容串并联实验，最终确定将四个2.7V、10F的法拉电容串联作为储能装置。测试得实际充电1分钟，电压可达10V左右。

2.1.3 直流减速电机的运用
选取直流减速电机作为主动轮的电机，选取的直流减速电机额定电压为12V，电压范围6~12V。

2.2 爬坡受力分析
2.2.1 斜坡最大角度分析
根据物理学和运动学原理，如图2-1，当小车沿斜面向下的分力F_下=mg sin⁡θ 和沿斜面向上的静摩擦力f静相等时，小车平衡于斜坡。通过改变斜坡倾角θ的大小，得到能使小车平衡在斜坡的最大倾角θ_max，测量得θ_max。即对于普通小车所能上坡的最大角度为45°。

图2-2

2.2.2 爬坡受力分析
根据物理学和运动学原理，当电机上电时，电机带动车轮旋转。小车沿斜面向下的分力F=mg sin⁡θ 小于沿斜面向上的静摩擦力f静。小车向上运动爬坡。
由于采用主动轮前驱的方式爬坡，当普通车轮的静摩擦力f静不够大，爬坡高度不理想时，通过对车身前段负重的方式，让小车整体重心前移，使静摩擦力能够充分大，达到更好的爬坡高度。

2.3 小车控制方法的分析
2.3.1 PID控制方法分析
当被控对象模拟PID控制系统组成,如图2所示。

图2-3

PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。
数字PID控制器的差分方程：

2.3.2 PID小车直线前行姿态
本系统采用PID算法来控制电机的转速。姿态采集模块不断采集当前小车姿态角状态，并与设定的状态比较，使得小车的运动状态逐渐趋向于平稳。PID算法由行驶角度比例P、角度误差积分I和角度微分D组成。使其小车笔直前行。

三、电路系统与程序设计
3.1 电路系统设计
对于电路系统，主要由无线充电接收和发送模块、自启动模块和DC-DC升压稳压模块构成。

3.1.1 无线充电发射和接收模块
无线充电发射模块允许5V500mA输入，无线输出5V350mA，无线充能输出5V1A时过程不断电，高效率、超大工作区域，使用方便、发热小，充电速度快，内部设计完善的过流、超温及防辐射保护电路。

图3-1

图3-2

无线充电接收端经实验测试，当直接接线圈输出电压电流时，效率优良。因此，直接在法拉电容充电的输入端接线圈，对法拉电容进行储能。

图3-3

3.1.2 自启动模块
利用三极管的导通特性，当法拉电容储能电压大于输入电压时，使三极管工作在非线性区域，做比较开关输出高低电平。当输入高电平时导通MOS管，启动升压后的电机，做到自启动功能。

图3-4

3.1.3  DC-DC升压稳压模块
采用TPS63020升压模块，将法拉电容储能放电升压后的电压输入电机驱动电机工作。

图3-5

3.2 程序设计
当小车通过电路系统自启动后，通过编程使陀螺仪测试当前姿态，通过改变输出的PWM波来驱动电机工作，保证小车能笔直前进。
设计所用工具为keil5编程软件、串口调试助手和虚拟四轴上位机。

图3-5

四、测试方案与测试结果
4.1 测试条件和仪器
测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路与原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊，原件能正常工作。从坡道底部起始位置到小车行驶终点。
测试仪器：四位半数字万用表，示波器，电压源，卷尺，秒表，角度测量手机APP，自制木板。

4.2 系统测试
安装题目要求测试分别对各项指标进行测试。其测试结果如下表1，2所示。


4.3 测试结果分析
综上所述，对小车系统各部分进行校准和精密处理后，几乎无差速波动现象和异常耗电情况。系统的精度和稳定性都有很大的提高。结合上述测试数据，系统完全符合要求，误差在允许范围内，实现全部功能，有些指标还需很高的精度。小车材料采取轻塑料，简洁且稳固的搭建成型，电机采取低功耗齿轮减速电机，使小车在最轻、耗能最低的条件下行驶。

五、结论
5. 完善及改进
由于时间比较紧急，小车的拼装在重量、尺寸还有待改进，电容存储容量与充电速率之间的关系虽然我们已经不断调试达到要求那也是在当时的环境下，在其他环境下还有待完善，其他硬件基本算是是符合设计要求。