面向移动机器人的低频无线充电技术研究

摘要

无线充电技术对机器人的智能化发展起了很大的作用，可以保证机器人自行完成所有的工作。本文设计了一个小功率、低频率、针对中小型移动机器人的无线充电系统，系统的频率是10kHz，传输功率在百瓦以上，传输距离30mm，线圈尺寸在100mm*100mm以内，发射端电路板与接收端电路板均在100mm*100mm以内，效率要求达到80％以上，这种系统在大小上完全适合机器人使用，因为其不会占机器人太多内部空间，并且频率低、辐射小、价格低，便于向商品化发展。
　　本课题对LC串联系统、LCL谐振系统以及LCL谐振系统中采用不同感值之间的区别做了分析比较，通过原理研究和公式推导得出了发射端分别是LCL谐振系统与 LC串联谐振的电路耦合公式，确定在低频率、小型化的无线充电系统中使用发射端 LCL、接收端 LC串联的耦合谐振结构可以很好地提高系统的效率，增强系统的鲁棒性。
　　结合仿真与实验来验证系统输入输出电压电流范围，确定应用全桥逆变电路并选取满足系统耐压耐流参数的器件，通过内置 PWM信号发射芯片控制逆变电路的输出频率。对耦合线圈的不同匝数、不同距离以及不同偏移进行仿真，得到了耦合系统的自感与耦合系数。使用BUCK电路控制接收端对电池恒流充电，并研究BUCK电路在无线电能传输系统接收端中的特性，通过仿真与实验验证方案的可行性。系统的闭环设计采用控制芯片STM32，闭环控制的主要部分是 PI调节，通过检测充电电流来调节 BUCK电路的占空比，从而对电池进行恒流充电。
　　本文分析了在不同位移、不同传输距离、不同BUCK电路占空比以及系统无负载时的系统特性，对这四种情况进行仿真与实验，以此为根据设计出系统闭环控制策略，保证闭环程序对系统偏移、母线电压变化有良好的鲁棒性。

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第1章 绪论

1.1课题背景及意义

1.2无线电能传输技术研究现状

1.3本文研究的目的和意义

1.4本文的研究内容

第2章 无线电能传输技术原理分析

2.1引言

2.2耦合谐振系统分析

2.3接收端电路中等效阻抗Z1的分析

2.4动力锂电池的模型分析

2.5闭环系统设计

2.6本章小结

第3章 无线充电系统的设计

3.1低频系统技术指标要求及优化

3.2低频无线电能传输系统总体方案设计

3.3硬件电路设计

3.4耦合谐振系统设计

3.5闭环调节软件设计

3.6电池负载的选择

3.7本章小结

第4章 系统开环特性与闭环特性实验

4.1引言

4.2系统开环功率特性实验

4.3 LCL参数对系统功率效率影响仿真与实验

4.4位移变化对系统影响实验

4.5传输距离变化对系统的影响实验

4.6 BUCK占空比对系统的影响实验

4.7 BUCK电路效率与电感的选择

4.8系统无负载实验

4.9系统闭环实验

4.10本章小结

结论

参考文献

声明

致谢