基于单片机的电动汽车无线充电自动定位装置控制电路设计_黄杰

在环保和能源短缺的双重压力下，各国政府和各大汽车厂商都在积极推进电动汽车产业的发展。目前电动汽车充电主要以传统的插座形式进行，无线充电技术也正在研究之中，无线充电系统不含外漏端口，其相对于有线充电方式，具有运行安全、充电智能、方案配置灵活等优点。

无线充电的过程中，能量发射装置与能量耦合拾取装置的耦合系数是无线充电系统能量传输效率的关键点之一。电动汽车驾驶员在把车停入可充电停车位时，驾驶员很难做到把充电能量耦合装置原副边准确定位，这就需要充电系统能够实现快速的能量发射接收双方的准确对位，已获得最大的耦合系数，实现最大的能量传输效率。本文设计的基于单片机的电动汽车无线充电自动定位装置设计，采用模糊对比的控制策略，快速实现电动汽车无线充电能量拾取装置的最大耦合和频率匹配，实现能量传输的效率最大化。

1系统总体方案设计

电动汽车无线充电装置的一个关键性能是能量传输效率，

而对能量传输效率影响最大的是无线充电装置松耦合变压器的耦合系数和发送装置和接受装置的振荡频率匹配程度。由现有研究可知，无线充电耦合装置原副边在其他条件相同的条件下，原副边相对位置对耦合系数的影响很大，如图1所示的三种状态，其中图1-B

所示的正对状态的耦合系数最高。

图1无线充电耦合装置位置示意图

当变压器的耦合系数达到最高时，无线充电装置发送端和接收端是否达到共振频率就是提高传输效率的关键，但是由于

负载侧的车辆型号各异，其共振频率也各不相同，这就要求发送

端根据负载端来进行调节。

图2系统控制电路结构图

系统控制电路结构如图1所示，采用模糊控制的搜索策略，待充电车辆停稳，接收端磁极位置确定后，开始进行最佳耦合系数的位置搜索，利用步进电机带动发送端磁极运动，不断改变磁极位置坐标，在位置坐标变化的同时，电压检测模块和电流检测模块分别不断地扫描发送端电压电流的大小，并将所得的电压电流值存储下来。步进电机每运行一步，单片机就扫描一次电压和电流值，然后将该次的值与上一次的值进行比较，如果新得到的值比上一次的要大，则步进电机继续运行，直至新的值比上一测量值变小，则找到最佳坐标，如果新的测量值比上一测量值小，则电机反向运行，当再一次发生新的测量值比上一测量值小时，则找到最佳坐标点。发送端磁极运行时，驱动电机分为X 向驱动和Y 向驱动，最佳坐标搜索时，先搜索X 点坐标，再沿Y 轴运动，搜索Y 轴坐标。

当耦合装置相对位置定位以后，单片机控制开关频率控制模块，以10HZ 的幅度将发送端开关频率从10K HZ 往上升，同时不断扫描电流电压值，与位置坐标检索同理，每升高10HZ 扫描

一次电压电流值，并与上一次的值进行对比，当电压电流值达到最大时，则找到了共振频率，此时系统能量传输效率最高，电动汽车无线充电系统以该频率作为开关频率，进行充电。

【第一作者】黄杰（1985－），男，湖南邵阳人，硕士，讲师，研究方向：开关电源技术，自动控制技术。

【基金项目】湖南铁道职业技术学院校级课题资助：基于磁共振的电动汽车无线充电装置研究（课题号：K201613）。

基于单片机的电动汽车无线充电自动定位装置控制电路设计

黄杰，聂蓉

（湖南铁道职业技术学院，湖南

株洲412001）

【摘

要】设计一种以MCS-51单片机为控制核心的电动汽车无线充电自动定位装置控制电路，利用单片机读取并判断无

线充电装置能量发送端电压电流的大小变化趋势，控制步进电机驱动能量接收端线圈移动，搜索最佳耦合位置坐标；采用升高充电装置能量发送端开关工作频率、同时对比电压电流数据的方式，搜索系统工作时的初始共振频率，有效解决电动汽车无线充电装置因车型不同、停车状态不同而影响充电效果的问题，为电动汽车无线充电设备的推广提供了支撑。

【关键词】电动汽车；无线充电；单片机

【中图分类号】TM42【文献识别码】A

【文章编号】2095-3518（2016）10-26-02

2016年10月轻工科技

LIGHT INDUSTRY SCIENCE AND TECHNOLOGY

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2

系统硬件设计

2.1

MSC-51单片机控制模块设计

AT89C51是一种带4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器

（FPEROM-Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory ）的低电压，8位高性能CMOS 微处理器。该器件采用ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容[3]。由于将多功能8位CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的AT89C51是一种高效微控制器。

单片机的P0口作为电压电流信号速度数据输入口，车辆进入信号采用中断0，即P3.2口输入，P1.0-P1.4为步进电机控制信号，分别为X 轴、Y 轴、正转一步、反转一步四个信号输出；P1.5、P1.6口分别为开关频率升10HZ 、开关频率降10HZ 信号；P1.7、P1.8分别为位置定位指示信号，充电开始信号。2.2

单片机输出隔离保护电路

由于系统中步进电机驱动、开关电源部分有高压和大电流，可能会对单片机的工作造成干扰。如图3所示，本设计采用的保护方式是输出信号从单片机P1口输出后，经过74LS08整形，消除信号抖动造成的干扰，然后通过光耦TLP250进行隔离，将单片机控制模块和主电路隔离，

以防止干扰。

图3单片机输出隔离保护电路原理图

3系统软件设计

控制系统的控制流程图如图4所示。系统启动后，首先检测

是否有车辆进入，车辆进入并停止以后，系统开始运行X 轴坐标搜索程序，X 轴坐标确定后，开始运行Y 轴坐标搜索程序，确定Y 轴坐标，无线充电耦合装置的位置坐标确定以后，开始进行共振频率搜索，运行共振频率搜索子程序，找到共振频率以后，充电系统以该频率运行，充电开始，充电指示灯点亮，控制系统程序结束。在充电过程中，如果车辆移动，或者车辆离开充电停车位，则由车辆移动中断信号触发单片机运行中断子程序，如图7所示，系统归零频率数据、归零坐标数据，停止扫描电压电流信号，充电系统停止功率输出，停止充电。

X 轴坐标搜索子程序和Y 轴坐标搜索子程序的工作流程是一样的，程序开始后，首先读取电压电流值并储存起来，然后步进电机沿X 轴方向运行一步后，再读取一次电压电流值，将两次的值进行比较，如果值变大，则沿着该方向继续移动，每移动一步读一次电压电流值，直到后一次读数比前一次小，则步进电机反向运行一步，回到前一次位置，再反向移动并检测，如果值也是变小，则该点坐标就是最佳坐标点，将该点坐标固定下来，再用同样的方法搜索下一个参数，即Y 轴坐标。

共振频率是指无线充电发射端的变换器开关频率和接收端的震荡频率一致，当频率达到共振频率时，传输效率会显著提高，否则，能量很难传输到接收端，共振频率搜索子程序如图6所

示，共振频率搜索采用读取电压电流数据的方式，首先让发送端以10Khz 的频率工作，读取一次电压电流值，然后提高工作频率10HZ ，每提高一次读取一次电压电流值，直到后一次电压电流值比前一次的小，这时电压电流最大值的频率即为共振频率，当然，该频率只是初始共振频率，在充电过程中，共振频率也是在不断变化的，充电过程中共振频率会在初始共振频率附近波动，

这由充电装置中的锁相环电路解决。

图4

控制系统主程序流程图

图5

X

轴坐标搜索子程序

图6共振频率搜索子程序图7车辆移动中断子程序

4结语

本文设计的电动汽车无线充电自动定位装置，通过快速检

测电能发送端电压电流值的方式，确定耦合装置的最佳耦合位

（下转第41页）

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