(南京工程学院创新学院，南京 江宁区 211101)
摘要: 目前市场上电子设备的充电方式的趋势为无线充电。智能机器人的发展也受限于能源的携带问题，因为没有高能量密度的电池，所以充电十分频繁。目前的机器人充电大多为使用电缆进行有线充电，长期的插拔造成的机械磨损不仅损坏接口，降低充电效率，更有可能带来断路、短路等危险情况。而无线充电恰好能解决这个问题。
磁耦合谐振式能量传输相比于电磁感应式能量传输距离更远，能够达到几十厘米以至于几米的传输距离，相比于微波式无线充电能量传输效率较高，对生物的危害低，而且不受中间障碍物的影响。本文通过对“磁耦合谐振”式能量传输的分析，为机器人设计一种无线充电装置。利用Multisim10仿真软件进行电路仿真模拟，得出该设备的工作效率。
该装置能够让机器人高效、安全的进行无线充电，让充电摆脱电源线，使用的方式更加简单，优化了用户体验。
关键词：无线充电; 磁耦合谐振; 机器人; Multisim10
引言
无线充电技术的原理研究可以追溯到19世纪30年代，科学家迈克尔?法拉第首先发现了电磁感应原理，即周围磁场的变化将使电线中产生电流。到了 19世纪 90年代，爱迪生光谱辐射能研究项目的一名助手，也是后来的科学家尼古拉?特斯拉(Nikola Tesla) 证实了无线传输电波的可能性，并申请了首个专利。
在1900年，特斯拉取得经费，开始修建华登克里夫塔(Wardenclyffe Tower)。特斯拉希望用这个电磁塔进行跨越大洋的无线电能传输。虽然特斯拉的实验并没有取得成功，但是他所构想的向全球进行无线超远距离输电的蓝图却着实令人震惊。他把海拔六十千米左右的电离层看作外导体，把地球看作内导体，在两者之间建立8Hz的低频共振，利用环绕地球表面的电磁波进行无线传输。
目前市场上无线充电设备层出不穷，设计原理也不尽相同，大致上原理有三种：电磁感应、磁耦合共振和微波。三种原理各有千秋，电磁感应式能量传输距离短，只有几十毫米，且线圈必须精准对，正否则效率极低。微波式能量传输效率低，切对传输过程中间的生物有危害，不适合用于机器人的充电。
磁耦合谐振充电是由能量发射装置，和能量接收装置组成，当两个装置的线圈频率一致时，它们就在一个特定的频率上共振，就可以互相交换能量。这是目前正在研究的一种新型技术。麻省理工学院(MIT)物理教授Marin Soljacic，专注于此项研究多年，他所带领的研究团队利用该技术成功地点亮了两米之外的六十瓦灯泡，他将此项技术取名WiTricity。他的实验中使用的线圈直径达半米，目前尚且无法实现商用化。因为，如果要缩小线圈直径，接收装置的功率也会随之减小。与电磁感应方式相比较而言，利用磁耦合谐振能够大幅度延长无线充电距离。磁耦合谐振方式与电磁感应方式不同，它不需要发射和接受装置的完全重合。
磁耦合共振式无线充电利用两个相同谐振频率的线圈间的共振耦合进行能量传递。两个相隔一定距离的线圈是弱耦合，但是选用频率一致的两个线圈则会因为交变磁场而共振从而达到强耦合。所以其效率较高，穿透力较强，可绕过中间障碍物，传输距离较远。因此为机器人无线充电的理想之选。
建模分析
所谓的磁耦合谐振原理与声音共振的原理相同[1-2]。当在磁场中放置两个具有相同振动频率的线圈，电能就能通过线圈谐振、磁场强耦合从发射线圈传送到接收线圈。
该系统简单的电路等效模型如图1所示，其中为电源，为电源内阻，为发射线圈的等效电阻，为发射线圈的等效电感，为发射线圈的等效电容，为接受线圈的等效电阻，为接受线圈的等效电阻，为接受线圈的等效电容。为接受线圈和发射线圈之间的互感，为负载电抗。
正文
一、原理分析
(一)利用磁耦合共振实现无线充电：
磁耦合共振无线充电系统利用两个有相同谐振频率的线圈之间的共振耦合来实现无线电能传输。磁耦合无线充电系统主要结构有激励线圈、发送谐振线圈、接收谐振线圈、负载线圈四个部分组成。其中作为发射和接收部分的谐振线圈可以等效为LC串联谐振电路，在交流电压下利用螺线管的等效电感和寄生电容实现自谐振，由于两个线圈具有相同的谐振频率，所以产生能量耦合，实现了电能远距离传输到用电设备上。
(二)用于自主无线充电机器人：
在机器人活动范围内安装激励线圈、发送谐振线圈，机器人内部安装接收谐振线圈、负载线圈。机器人在发射源一定范围内时，接收线圈接收到能量发射系统中继线圈传递的能量，经过整流稳压电路可供电池充电。
(三)功率放大电路：
使发射线圈发射的谐振能量更大，能量传输距离更远。使用三极管功率放大电路。
(四)整流滤波电路：
线圈接收到交流电之后要把它转化为直流电才能供机器人使用。可以利用二极管的单向导通性制作整流电路来将交流电转化为直流电。理想二极管正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。这里采用桥式整流电路，工作稳定，电路简单且整流效率高。
高频交流电整流之后除了直流成分外仍然含有较大的交流成分，还需要继续对它进行滤波，去除交流分量。选用电容滤波原件少，电路简单，电路损耗低。
(五)稳压电路：
开关稳压器电源转换效率高，且输出电压稳定。由于机器人供电电压为5V，所以采用5V的开关稳压芯片。
二、装置设计
图2 人型机器人无线充电装置示意图
各装置简单组成部分如下： 1.发送线圈(Sending coil) 2.接受线圈(Receiving coil) 3.细杆(slender rod) 4.稳定底座(Stable base) 5.插头(Plug)
本文设计的无线充电外形装置如图1所示。主要由能量发送装置和能量接受装置构成。该装置工作过程如下：
1.发送:由功率放大电路、激励线圈和初级谐振线圈构成的发送装置，从5中汲取电能通过激励线圈使得线圈1产生谐振，从而能够传递电能。
2.接受：由接受线圈、负载线圈和滤波稳压电路构成的接收装置，接收到由线圈1发送过来的谐振，通过负载线圈与滤波稳压电路产生恒定的5V电压源，给机器人内部的电池供电。
线圈1、2的外壳采用圆盘型设计，配合各自线圈减少材料使用，并且在线圈的设计和制作过程中，为扩大充电范围发射线圈直径应尽可能大，而接收线圈受机器人自身尺寸结构的限制直径较小，为提高传输效率和传输距离，发射线圈与接受线圈处于同一平面，且轴线重合。
三、效率分析
(一)无线充电标准
目前无线充电的标准尚未统一，不同团体有不同的标准，目前世界上三大主流标准有[3]：无线充电联盟 WPC (Wireless Power Consortium)、电源事务联盟PMA (Power Matters Alliance) 、无线电源联盟 A4WP (Alliance for Wireless Power)。
Qi 是由全球首个推动无线电技术的标准化组织 WPC 推出的无线充电标准，利用电磁感应来完成电能传输[4]，可在 2-5mm 的范围无线充电。WPC 包括在手机、消费电子产品、电池、半导体、零件、无线充电技术和基础设施行业有龙头企业。Qi产品在美国、亚太和欧洲均有销售[5]。Qi标准具备便捷性和通用性两大特征，首先，不同品牌的产品，只要有一个Qi的标识，都可以用 Qi无线充电器充电。其次，它攻克了无线充电“通用性”的技术瓶颈，在不久的将来，手机、相机、电脑等产品都可以用Qi无线充电器充电，为无线充电的大规模应用提供可能。本文中提到的无线充电仿真系统和样机均符合Qi标准。
2012 年，主推电磁谐振无线充电的新的无线充电联盟 A4WP 成立，它是由美国高通公司、韩国三星公司以及前面提到的 Powermat 公司共同组成的无线充电联盟创建。该联盟还包括 Ever Win Industries、Gill Industries、Peiker Acustic 和 SK Telecom等成员，目标是为包括便携式电子产品和电动汽车等在内的电子产品无线充电设备设立技术标准和行业对话机制相比于 WPC，A4WP 传输效率较低，但可以实现稍远距离的无线充电[6]。
以上三种主流标准均是基于电磁技术，不可避免会带来电磁辐射和充电效率不高的问题。2013 年，硅展公司推出新的无线充电技术 INPOFI 技术，采用电场脉冲模式充电，具有无辐射、效率高等优点，其充电效率可以到 90%以上，与有线充电器相当。但是其技术缺点在于对于环境的稳定性要求很高，当充电时，产品必须完全接触充电板，1mm 的间隙也会导致充电中断，因此投入大规模应用并不实际[7]。
(二)电路效率分析
(三)效率计算及其结果
无线充电器虽然有便捷和安全的优点，但如果空载损耗和充电效率不理想，也难大规模应用。本实验利用阻抗匹配来改进充电器，使发射线圈和接收线圈耦合差的问题得到改善，从而达到采用无线充电器给机器人供电的目标，其自身的电能转换效率最高可达到 99%，与正常负载进行充电时，充电效率可达到 83%，与传统有线充电器效率相当，符合要求。其TX自身的转换效率通过计算发送功率与输入功率之比求得，即：
η= (Pin? Ptxloss)/Pin （5）
由式（5）得，此效率仅与 TX 有关，但无线充电器的充电效率其实还与耦合和电能转换效率有关。用不同的负载测试得到的充电效率可能不同。测试可得到表1所示的数据。表 1-2 中，Pin为充电器的输入功率， Prx_out 为电能接收端的输出功率， Ptxloss是TX 内部损耗，可由线圈电流通过计算得到，TX 转换效率η，Efficiencys 是 Prx_out 和Pin的比例。
结论
本文设计了一种基于磁耦合共振的机器人无线充电系。结果表明此系统无线充电效率较高，能够达到83%；传输距离较远，能够绕过一般障碍物；有着安全可靠，高效便捷的特点；简化了机器人的充电方式，符合设计要求。
参考文献
[1]宋凯，朱春波，李阳,等.基于磁耦合谐振自主无线充电机器人系统设计[J].电工技术学报,2014,29(9):38-43.
[2]李阳，杨庆新，闫卓，等.磁耦合谐振式无线电能传输系统的频率特性[J].电机与控制学报,2012,16(7):7-11.
[3]无线充电技术[DB/OL]. http://baike.baidu.com/view/4358992.htm?fromtitle=%E6%97%A0%E7%BA%BF%E5%85%85%E7%94%B5&fromid=9016069&type=syn, 2014.
[4]李敏.基于 RFID 技术与 QI 标准的无线充电系统[J].中国科技博览, 2013,(6):7-7.
[5]Wireless.Power.Consortium[DB/OL] .http://www.wirelesspowerconsortium.com/cn/ about/,2014.
[6] 张益铭.无线充电技术标准浅析[J].数字技术与应用, 2013,(4):223-224.
[7] 毛欢.基于DSC的智能无线充电器设计.苏州大学 2014-10-01-TM910.6
论文作者:张亮 , 李志 , 丁威威 , 卞凯 , 乐忠政
论文发表刊物:《科技中国》2016年6期
论文发表时间:2016/10/17
标签：线圈论文; 谐振论文; 机器人论文; 效率论文; 电路论文; 能量论文; 装置论文; 《科技中国》2016年6期论文;