▌01 节能信标组

1.设计背景

在第十六届 全国大学生智能车竞赛 中 竞速比赛类 中包括“节能信标组”，它是在以往的 光电信标 和 声音信标 的基础上，由 参赛同学建议的节能信标组比赛形式 。

下面是 竞速比赛规则 中对于节能信标组任务的描述：

信标在点亮后同时会发送高频无线功率信号（200kHz）和红色、红外灯光用于导引车模前往。发送的高频无线功率信号也可以通过电磁共振耦合为节能车模提供大约100W充电功率。

比赛时，车模从第一个信标开始接受电能，自行启动去往下一个信标。当车模运行到信标上之后，信标的灯便切换到下一个信标，但本地的信标依然发送无线电能，直到车模离开本地的信标灯，本地信标停止发送无线电能，下一个信标灯开始发送无线信号。

从上面描述可以看到新型的节能信标组可以在原来 光电信标 的基础上增加一个无线电能发送线圈以及相应的驱动器。它具有以下功能：

无线发送功能，发送频率200kHz，最大额定功率200W；工作电压设定为24V，发送线圈额定电流限流为4~5A 。
感知车模功能：当车模上的磁铁进入主控区域，它自动发送电能；当车模离开线圈，它停止发送电能；
主机接口功能：可以通过IO口（带有隔离）进入线圈进入工作状态；

2.前期实验

前期实验包括有：

无线传输系统功率LCC功率补偿系统设计 :测试了95kHz下功率传送实验
无线功率发送器与接收实验：设定为200kHz 测试了200kHz下功率传送实验。

通过实验可以看出，在200kHz下，传送功率的幅值与效率大大低于100kHz的效果。因此通过后面的实验，建议将发送频率降低到100kHz 。

3.电路功能

实验电路主要功能包括：

单片机：采用STM32F030系列的单片机
MOS驱动采用 MOS半桥驱动；
电源：采用 TPS54360 输入60V，输出3.5A降压开关电压
HALL检测：并联4 ~ 8个开关HALL，检测车模是否接近；
外部IO接口：接收主控板的控制信号；

^{▲ 实验电路板的功能图}

在 TPS54360 输入60V，输出3.5A降压开关电压中输出电压Uout与电压分压电阻之间的关系为：
UOut=0.8(1+R1R2)U_{Out} = 0.8\left( {1 + {{R_1 } \over {R_2 }}} \right)UOut=0.8(1+R2R1)
手边有的电阻R1=18k，取R2= 2k。这样输出电压就位8V。在TPS54360 输入60V，输出3.5A降压开关电压测试了TPS54360在不同电压下的输出电压。验证了它的工作条件以及在24V输入的情况下输出8V电压。

▌02 设计实验电路

1.设计电路¹

^{^{▲ 测试电路SCH}}

^{▲ 快速制版设计的PCB}

^{▲ 焊接之后的电路板，没有焊接半桥驱动和LCC网络}

2.MCU软件²

^{（1）测量PWM输出}

^{^{▲ PWM输出（蓝色）与U4的LGATE信号}}

（2）测试ADC

在+24V输入端口使用20欧姆的滑动变阻器测量工作电流与ADC的读数之间的关系。为了避免电阻功耗太大，测量使用，将工作电压调整到+12V。

相应的程序见附件：程序1.

^{▲ 测量功率电流与ADC读数}

使用0.05欧姆的限流电阻测量的电流与读数之间的关系。

^{▲ 分流电阻在0.05欧姆下读数与电流之间的关系}

使用0.02欧姆作为电流分流，测量电流与ADC读数。

^{▲ 分流电阻为0.02欧姆是电流与ADC读数}

结论： 建议电流分流器使用0.03 ~ 0.04欧姆。

▌03 测试性能

按照 无线功率发送器与接收实验：设定为200kHz 中设置的200kHz的LCC补偿网络参数焊接。

^{▲ 焊接完全之后的测试电路板}

1.空载电流

通过软件 SetPWMARR() 来设置TIME3的输出PWM频率。然后读取直流工作电源的电流值。

^{▲ 工作电流与频率之间的关系}

2.占空比与负载电流

测试条件：

工作频率：200kHz
电源电压：22V
整流负载：10欧姆

^{▲ 不同占空比工作电流}

3.ADC波形

采集总线电流ADC的波形。开始，没有焊接C204(100uF)：

^{▲ 在没有C204的情况下采集到的ADC数据波形}

焊接C204(1uF)重新测量ADC数据波形：

^{▲ 增加了C204滤波电容}

^{▲ 增加C204情况下采集的数据波形}

^{▲ 在ADC线上对地增加0.1uF之后采集数据}

^{▲ 工作电压为24V时采集到的电流数据}

^{▲ 工作电压21V，母线电流大约2A时采集到的数据}

工作参数：

工作频率：200kHz
母线电压：21V
母线电流：2.038A，发送功率：42.8W
接收线圈整流输出电压：16.77V
接收线圈负载电阻：10Ω，接收功率：28.12W
传输效率：65.7%

▌04 TPS28225信号

在调试的过程中，经常碰到一个问题：就是TPS28225输出不正常。表现形式就是有PWM输入（PIN3），但是UGATE， LGATE没有输出，或者只有UGATE有输出。

如果将右面的MOS负载去掉，TPS28225输出正常了。

经过调试发现，需要将3PIN的输入经过一个1k欧姆接地即可解决这个问题。至于原因是什么呢？现在还不可而知。

^{▲ 下来电阻}

^{▲ 增加下拉电阻}

※ 附件

1.测量功率电流与ADC读数

#!/usr/local/bin/python
# -*- coding: gbk -*-
#============================================================
# TEST2.PY                     -- by Dr. ZhuoQing 2021-02-15
#
# Note:
#============================================================from headm import *
from tsmodule.tsstm32       import *
from tsmodule.tsvisa        import *adcdim = []
cdim = []for i in range(20):stm32data()data = stm32memo()printf(data)adcdim.append(data[0])curr = dh1766curr()cdim.append(curr)printff(i, data[0], cdim[0])tspsave("MEAS", adc=adcdim, curr=cdim)printf("\a")time.sleep(1)plt.plot(cdim, adcdim)
plt.xlabel("Current(A)")
plt.ylabel("ADC")
plt.grid(True)
plt.tight_layout()
plt.show()#------------------------------------------------------------
#        END OF FILE : TEST2.PY
#============================================================

■ 相关文献链接:

智能车竞赛相关的教高司公函：公函[2005]201号文、教高司[2005]13号
第十六届全国大学智能汽车竞赛竞速比赛规则
信标组裁判系统原理与实现
新版信标的信号板调试
节能信标组
无线传输系统功率LCC功率补偿系统设计
无线功率发送器与接收实验：设定为200kHz
100W无线电耦合功率测试实验
TPS54360 输入60V，输出3.5A降压开关电压

测试电路AD工程文件:AD\SmartCar\2021\WirelessBeacon\F030A0D254.PcbDoc * ↩︎
测试电路MCU程序:STM32\Application\SmartCar\2021\Beacon\F303AOD254\ ↩︎

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▌01 节能信标组

1.设计背景

2.前期实验

3.电路功能

▌02 设计实验电路

1.设计电路¹

2.MCU软件²

^{（1）测量PWM输出}

（2）测试ADC

▌03 测试性能

1.空载电流

2.占空比与负载电流

3.ADC波形

▌04 TPS28225信号

※ 附件

1.测量功率电流与ADC读数

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