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[经验] 控制类参赛作品分享——无线充电电动小车

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一粒金砂(中级)

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发表于 5 天前 | 显示全部楼层 |阅读模式

该充电装置能感应到小车后,自动为小车充电一分钟,小车在充电完成之后向前水平直线行驶,直至能量耗尽。本装置采用了高频电磁感应,产生137KHz的高频电磁,利用一定匝数比的线圈做接受器,为超级电容充电,充电完成后,再利用可控硅导通后造成的电路短路,从而使小车电机接入电路,超级电容放电驱动小车电机,从而使小车运动。

 

 

以下是报告原文:

 

无线充电电动小车(C题)

摘要:无线充电技术发展至今在电子领域已经被深入研究应用,虽然还未曾大范围普及,但在消费电子领域的发展已经取得不错的成绩。本作品是设计并制作一个能够无线充电的电动小车。该充电装置能感应到小车后,自动为小车充电一分钟,小车在充电完成之后向前水平直线行驶,直至能量耗尽。本装置采用了高频电磁感应,产生137KHz的高频电磁,利用一定匝数比的线圈做接受器,为超级电容充电,充电完成后,再利用可控硅导通后造成的电路短路,从而使小车电机接入电路,超级电容放电驱动小车电机,从而使小车运动。

关键词:铜线圈充电 超级电容

总体设计方案

(一)设计要求

本题的要求是设计并制作一个无线充电电动车,包括无线充电装置一套。电动小车机械部分可采用成品四轮玩具车改制。外形尺寸不大于30cm,高度重量不限。

1.1基本要求

(1)制作一套无线充电装置,其发射器线圈放置在路面。发射器采用具有恒流恒压模式自动切换的直流稳压电源供电,供电电压为5V,供电电流不大于1A。无线充电接收器安装在小车底盘上。每次充电时间限定1分钟。                          

(2)制作一个无线充电电动车。电动车使用适当容量超级电容(法拉电容)储能,经DC-DC变换给电动车供电。车上不得采用电池等其他储能供电器件。            

(3)充电1分钟后,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,行驶距离不小于1m。

            

1.2发挥部分

充电1分钟后,电动车沿倾斜木工板路面直线爬坡行驶,路面长度不大于1m,斜坡倾斜角度θ自定。综合多方因素设计,使电动车在每次充电1分钟后,电动车爬升高度h=lsinθ最大。式中l为小车直线行驶的距离。

 

(二)设计思路

2.1设计思路:

本题要求我们做一套无线充电装置和一个电动小车。分析题目可知题中最大的难点在于无线充电装置的设计与制作。通过查询资料和一系列探讨之后,我们决定采用一定匝数比的铜线圈与电源连接来产生磁场,通过电磁感应原理借磁场变化产生的感应电动势为超级电容充电,储蓄电能,从而使小车借超级电容储存的电能向前水平运动。

 

2.2设计流程图



 


(三)方案论证与比较

(1)小车的选择

方案一:采用组装的电动小车,

在网上购买的电动小车,电机是3V/1A,功率为3W,组装之后小车高4.6cm,长21.9cm,宽18cm,重1800g,轮胎比较笨重,采用橡胶材质,摩擦较大,在通电之后可以满足沿斜坡运动,但由于车身重量的原因使斜坡速度较为缓慢;

方案二:采用四驱电动小车

在外面玩具店买的四驱电动车玩具,电机是3V/0.89A,功率为2.67W,小车高4.5cm,长16.7cm,宽10.5cm,重600g,轮胎轻巧,采用塑料材质,但可以外套橡胶,摩擦一般,通电之后可以沿斜坡运动,且速度较快;

方案三:采用自制的小车

采用材质较为坚硬的电路板搭建车身,轮胎采用方案一的轮胎,小车高7,1mm,长17.5cm,宽11.6cm,该小车重量较轻,轮胎摩擦较大,在斜面向上运动时,相较于第一种方案更加轻松。

 

(2)超级电容的选择

按题目要求:需要5V,1A电源。

电源利用率大概在60%左右,则I’=0.6I,由公式U=Q/C得:Q=I’*t=0.6A*60s=36C,此时电容C=36/5=7F;假设小车运动之后,负载消耗电压1V,U’=5-1=4V,消耗Q’=U’*(I-I’)=1.6C,此时ΔU=1.6/7=0.22V,即小车运动之后将要消耗0.22V电压,剩余U’’=4-0.22=3.78V,小车运动电压一般在在3~6V,符合小车运动所需电压。

由以上计算公式得:超级电容的规格要达到7F,可在淘宝上购买两个5.5V/4F的超级电容。

 

(3)断开无线充电的方式

方案一:采用单片机断电:

单片机操作简单,控制时间段的程序不难,在单片机内判断时间到了之后,就使小车前进,从而可以停止给小车充电,小车利用超级电容储蓄的电能前进,直至电能耗尽。但单片机也需要供电才能运作,即会消耗超级电容的电能,这样使得小车可用电能不足,前进距离减小;且超级电容提供的电能无法使单片机正常运作。

方案二:利用可控硅

利用可控硅的导通特性来控制,当超级电容储蓄电压达到可控硅的导通电压后,可控硅打开,导致电路短路,从而使电机接入电路,电机启动,小车前进。

 

(4)方案的决定

我们最开始准备采用第一种方案,这种小车使用比较方便,但是这种小车在平地前进的速度只能到达0.1m/s,小车重量大,轮胎摩擦也较大,如果要驱动该小车,就需要驱动四个电机,每个电机是3V/1A的规格,四个电机就需要4*3*1=12W的功率,否则将无法带动,而电源只能提供5*1*60=300J的电能如此所需电机的功率较大,在短时间内充电无法实现运动条件,很难达到题目要求;

第二种方案,不需要我们制作,电机消耗功率也低,重量也轻,只需要提供少量电能就可以。但因准备不充分,无法在规定时间内购买到相称的四驱电动小车,只得放弃此方案。

第三种方案,需要我们自己制作车身,轮胎是采用两个第一种方案的组装小车的轮胎当做后轮,用后轮提供整个车身的动能,这样所需要电机的功率是第一种的1/2,而且车身重量相较于第一种轻,斜面运动的电能也消耗较少。

经过对题目的分析和队员间的商量,我们最终选定方案三的小车和两个5.5V/4F的超级电容。单片机具有很好的控制效果,但需要另外的电路板来连接到小车上,增加了小车的重量,小车消耗的电量将增加,而可控硅只需要改动电路就行,但是时间把控不是很强。综合考虑之后,我们选择理由可控硅来控制充电时间。

 

(四)单元电路设计

4.1整流电路设计


 
 

经过直流逆变之后为发射器供电,发射器发出高频电磁,无线线圈接受信号后转化为直流电源,提供电能给超级电容充放电切换电路,电路经过整流之后超级电容充电,使超级电容储蓄电能,充电结束后,电机利用超级电容储蓄的电能驱动小车前进。

 

4.2超级电容充放电切换电路

 

 

在发射器输出高频电磁为超级电容充电的过程中,由于电源内阻作用,电源两端的电压缓慢升高,此时£1=R4*C2=0.01,£2=R2//R3*C2=0.005,£1<£2,可控硅U2没有达到触发脉冲,即U2不能导通,电机不能转动;在结束充电之后,电路中对C2的充电不能立即停止,C2将会继续充电,C2存储电能将会高于C3,最终将导致£1>£2,达到可控硅触发条件,此时可控硅将导通,电机接入,电机启动。

 

4.3单片机计时电路

 


 

 

 

单片机扫描按键按下时,计时1分钟,检测判断计时是否结束,计时结束,关闭继电器。

此帖出自电子竞赛论坛


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版主

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发表于 5 天前 | 显示全部楼层

要求制作的无线充电装置功率没有限制,

外形尺寸不大于30cm,高度重量不限,这,,



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一粒金砂(中级)

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发表于 4 天前 | 显示全部楼层



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