磁耦合谐振式无线电能传输系统的探索与实现-智慧文博士

磁耦合谐振式无线电能传输电路系统板 LCC-S拓扑补偿网络发射端电路采用Stm32f103c8t6主控，四路互补带死区的高频PWM与ir2110全桥驱动MOS管。同时利用LCC器件谐振，所有参数确定和计算由maxwell和simulink计算得出。接收电路利用S谐振网络补偿。同时输出电压经过稳压后供给esp芯片，后者将输出电压通过ADC采样后利用2.4G wifi下的MQTT协议传输给电脑/手机端查看，并实时通过数码管显示。资料见最后一幅图。 stm32和esp8285单片机均板载串口电路，只需一根typec数据线即可上传程序默认只是相关资料(如果需要硬件请单独指明)

无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）一直都是一个充满魅力的领域，无论是科幻电影中的无线充电场景，还是现实中越来越普及的无线充电设备，都让人对这种技术充满了期待。最近，我深入研究了磁耦合谐振式无线电能传输系统（LCC-S拓扑），并尝试设计了一个小型传输系统，本文将详细记录我的探索过程。

系统整体架构

整个系统可以分为发射端和接收端两部分。发射端负责将电能转换为高频电磁波，通过磁耦合的方式传输到接收端，接收端则将电磁波重新转换为电能，并通过稳压电路为负载（如ESP芯片）供电。

发射端：

主控芯片：STM32F103C8T6
驱动电路：IR2110全桥驱动器 + MOS管
谐振网络：LCC拓扑

接收端：

谐振网络：S拓扑补偿网络
稳压电路：用于为ESP芯片供电
数据传输：ESP8285通过MQTT协议将数据发送到手机/电脑

发射端电路设计与代码实现

发射端的核心是高频PWM信号的生成与驱动。STM32通过PWM模块输出四路互补的高频信号，并通过IR2110驱动功率 MOS管，形成全桥逆变电路。这里的关键是如何配置PWM信号和死区时间，以防止MOS管直通导致短路。

代码片段：STM32 PWM配置

void PWM_Init(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_InitStructure; TIM_OCInitTypeDef TIM_OC_InitStructure; // 使能GPIO时钟 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE); // 配置PWM输出引脚 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz; GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); // 配置PWM频率 TIM_InitStructure.TIM_Period = 24999; // 400Hz TIM_InitStructure.TIM_Prescaler = 35; // 72MHz / (35+1) = 2MHz TIM_InitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_InitStructure); // 配置PWM占空比 TIM_OC_InitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2; TIM_OC_InitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; TIM_OC_InitStructure.TIM_Pulse = 12499; // 50%占空比 TIM_OC4Init(TIM4, &TIM_OC_InitStructure); TIM_Cmd(TIM4, ENABLE); }

在实际调试中，我发现PWM的频率设置和死区时间对系统稳定性影响很大。通过仿真工具Maxwell和Simulink，我们能够精确计算谐振频率和各种电磁参数，从而确保系统在高效工作区域内运行。

接收端设计与补偿网络的实现

接收端使用了S拓扑补偿网络，这是一种经典的谐振补偿电路。通过调节补偿网络的参数，可以实现接收端与发射端的高效能量匹配。

补偿网络设计：

谐振频率：根据发射端的设计，接收端的谐振频率需要与发射端保持一致。
补偿网络参数：通过Maxwell仿真，计算得到补偿电感和电容的值。

接收端的稳压电路采用了简单的线性稳压器，输出电压经过滤波后供给ESP8285。ESP8285通过ADC采样电压，并利用内置Wi-Fi模块通过MQTT协议将数据发送到远程终端。

代码片段：ESP8285数据上传

def publish_voltage(): import esp8285 import time from umqtt.robust import MQTTClient # 配置MQTT客户端 client = MQTTClient("ESP8285_01", "broker.emqx.io") client.connect() while True: # 读取ADC电压 voltage = esp8285.read_adc(0) # 转换为实际电压值（假设参考电压为3.3V） voltage = voltage * 3.3 / 1024 # 发布消息 client.publish("esp8285/voltage", str(voltage)) # 延时1秒 time.sleep(1)

数据采集与显示

系统运行过程中，发射端和接收端的电压和电流数据会通过ESP模块实时上传到远程服务器，并通过数码管显示接收端的实时电压值。这样的设计不仅方便调试，也为用户提供了直观的数据反馈。

数码管显示电压代码：

void display_voltage(float voltage) { // 将电压值转换为字符，显示在数码管上 char str[6]; snprintf(str, sizeof(str), "%.1fV", voltage); // 控制数码管显示，具体实现依赖于GPIO配置 update_display(str); }