唐 凡，張克涵，嚴(yán)衛(wèi)生，宋保維

(西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西西安 710072）

水下自主航行器非接觸式充電系統(tǒng)頻率控制

唐 凡，張克涵，嚴(yán)衛(wèi)生，宋保維

(西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西西安 710072）

水下自主航行器(AUV）非接觸式充電系統(tǒng)通過(guò)補(bǔ)償電容與系統(tǒng)電感的諧振作用，使系統(tǒng)的功率因數(shù)達(dá)到最大，以實(shí)現(xiàn)電能的高效傳輸。在深海環(huán)境下，系統(tǒng)初、次級(jí)磁芯在受到水流沖擊后會(huì)產(chǎn)生偏心和間隙，引起耦合系數(shù)發(fā)生變化，系統(tǒng)的諧振頻率點(diǎn)也會(huì)發(fā)生改變，充電能力下降。本文研究在水流沖擊作用下，通過(guò)頻率控制使系統(tǒng)始終在諧振頻率點(diǎn)運(yùn)行以提高系統(tǒng)的傳輸能力，并提出了基于鎖相環(huán)控制的AUV非接觸式充電系統(tǒng)的頻率控制實(shí)現(xiàn)方式。

非接觸式;頻率控制;水流沖擊;頻率;鎖相環(huán)

0 引言

水下自主航行器 (AUV）與海底基站對(duì)接［1］，在水下完成充電是增加AUV水下作業(yè)時(shí)間、提高工作效率和增加隱蔽性的有效措施。非接觸式充電系統(tǒng)在電源側(cè)和負(fù)載側(cè)的電路完全隔離，通過(guò)線圈之間的電磁耦合將電能以無(wú)接觸的方式進(jìn)行傳輸，兩側(cè)電路可獨(dú)立封裝，不僅消除了摩擦和漏電的危險(xiǎn)，而且采用簡(jiǎn)單的密封方式可獲得理想的防水耐壓效果。因此，在水下尤其是深海條件下，非接觸式充電系統(tǒng)具有更高的安全性和可靠性，更適合在AUV上應(yīng)用。

1 系統(tǒng)模型的建立及分析

典型的AUV非接觸式充電系統(tǒng)如圖1所示，交流電經(jīng)整流濾波后成為直流電，經(jīng)過(guò)高頻逆變給初級(jí)繞組提供高頻交流電，將在次級(jí)繞組感生出同頻率的交變電流;同理，次級(jí)繞組感生出的交變電流經(jīng)過(guò)整流濾波后，再為用電設(shè)備供電。

圖1 AUV非接觸式充電系統(tǒng)電路原理圖Fig.1 Schematic circuit diagram of contactless charging system of AUV

由于AUV非接觸式充電系統(tǒng)的分離式結(jié)構(gòu)，漏電感大，功率因數(shù)小，系統(tǒng)的傳輸能力弱，因此需要采用補(bǔ)償技術(shù)通過(guò)補(bǔ)償電容與系統(tǒng)電感的諧振作用，使系統(tǒng)的功率因數(shù)達(dá)到最大，以實(shí)現(xiàn)電能的高效傳輸。在深海高壓條件下，系統(tǒng)的對(duì)接完全自動(dòng)完成，為了提高系統(tǒng)的使用壽命，其對(duì)接需要較大的冗余，初、次級(jí)磁芯在受到水流沖擊后會(huì)產(chǎn)生偏心和間隙，如圖2所示［2－3］，磁芯偏離對(duì)耦合系數(shù)產(chǎn)生較大影響，系統(tǒng)的諧振頻率點(diǎn)也會(huì)發(fā)生改變，充電能力下降。為了提高系統(tǒng)的自適應(yīng)能力，采用頻率控制可以控制系統(tǒng)一直運(yùn)行在電源端負(fù)載阻抗的零相角頻率點(diǎn)，降低對(duì)電源的視在功率要求，提高系統(tǒng)的傳輸能力。

圖2 耦合系數(shù)隨磁芯間隙和偏芯的變化曲線Fig.2 The curve of coupling coefficientwith the core gap and the eccentricity

AUV非接觸式充電系統(tǒng)典型的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)為初級(jí)串聯(lián)電容與次級(jí)并聯(lián)電容補(bǔ)償SP結(jié)構(gòu)，其互感電路模型和初級(jí)反映阻抗模型如圖3所示。其中LP和LS分別為初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的自電感，M為兩線圈之間的互感，RP和RS分別為初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的內(nèi)阻，CP和CS分別為初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)的補(bǔ)償電容，RL為負(fù)載電阻，w為交流電角頻率，Zt和Zr為系統(tǒng)阻抗與次級(jí)側(cè)反映阻抗。

圖3 SP結(jié)構(gòu)互感電路模型和次級(jí)側(cè)反映阻抗模型Fig.3 Mutual inductance circuitmodel and secondary reflect impedancemodel of SP structure

次級(jí)側(cè)反映阻抗表達(dá)式為

式中:Rz和Xz為反映電阻和反映電抗，反映電阻從初級(jí)側(cè)吸收的功率即為負(fù)載消耗的功率，代表了系統(tǒng)的功率傳輸能力。Rz，Xz，Zt的表達(dá)式為:

當(dāng)次級(jí)側(cè)并聯(lián)電容時(shí)，得到次級(jí)回路本身發(fā)生諧振時(shí)補(bǔ)償電容值為

利用初級(jí)等效電路發(fā)生諧振，可得到初級(jí)補(bǔ)償電容值為

取系統(tǒng)模型參數(shù)為L(zhǎng)P=LS=0.2 mH，RP=RS=0.03Ω。設(shè)計(jì)系統(tǒng)K為0.75，考慮系統(tǒng)的體積和鐵氧體磁芯的工作頻率［4］，工作頻率 f取為100 kHz左右，由式(6）和式(7）得到補(bǔ)償電容值CP=27.995 nF，CS=12.665 nF。不計(jì)鐵芯損耗，得到系統(tǒng)的傳輸效率、功率因數(shù)和系統(tǒng)阻抗模隨耦合系數(shù)K和工作頻率f變化的曲線如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)性能曲線 (RL=200Ω）Fig.4 System performance curve(RL=200Ω）

由圖4(a）可知，當(dāng)耦合系數(shù)較大時(shí)，系統(tǒng)的傳輸效率不易受頻率影響;當(dāng)耦合系數(shù)較小時(shí)，系統(tǒng)的傳輸效率受頻率影響較大。由圖4(b）可知，由磁芯偏離引起的耦合系數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)的功率因數(shù)影響很大，在不同的K值處，系統(tǒng)的最佳工作頻率點(diǎn)會(huì)不同。在電壓源條件下，系統(tǒng)阻抗模越小，視在功率就越大，由圖4(c）可知，系統(tǒng)在100 kHz附近，耦合系數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)的視在功率影響很大。因此，通過(guò)對(duì)AUV非接觸式充電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)頻率控制是改善系統(tǒng)性能的必要措施。

2 頻率選擇及分析

由式(3）和式(5）可知，當(dāng)耦合系數(shù)發(fā)生變化時(shí)，可能出現(xiàn)多個(gè)諧振頻率點(diǎn)，使系統(tǒng)的頻率控制發(fā)生混亂，可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定［5］。對(duì)于頻率分叉現(xiàn)象，文獻(xiàn) ［6－7］作了仔細(xì)分析。

在不同的諧振頻率點(diǎn)上，系統(tǒng)的功率因數(shù)均達(dá)到最大。視在功率最大的頻率點(diǎn)，就是系統(tǒng)的傳輸功率最大的頻率點(diǎn)。如圖5所示，對(duì)應(yīng)不同的耦合系數(shù)K值，系統(tǒng)的0相角點(diǎn)個(gè)數(shù)不同。當(dāng)K=0.7時(shí)，系統(tǒng)有3個(gè)諧振頻率點(diǎn)，第2頻率點(diǎn)的阻抗模最大，可作為電流源頻率控制的最佳頻率，第1頻率點(diǎn)和第3頻率點(diǎn)阻抗模較小，可作為電壓源頻率控制的最佳頻率。當(dāng)K=0.9時(shí)，系統(tǒng)有2個(gè)諧振頻率點(diǎn)，第1頻率點(diǎn)阻抗模較小，可作為電壓源頻率控制的最佳頻率，第2頻率點(diǎn)阻抗模較大，可作為電流源頻率控制的最佳頻率。因此，在電壓源的條件下，將具有多諧振頻率點(diǎn)的系統(tǒng)的第1諧振頻率點(diǎn)作為工作頻率可以獲得較高的傳輸能力。

圖5 系統(tǒng)相位角和阻抗模頻率特性曲線 (RL=200Ω）Fig.5 Frequency characteristic curves of phase angle and impedancemodulus(RL=200Ω）

重新設(shè)計(jì)補(bǔ)償電容值CP為14.643 nF，CS為5.271 7 nF，系統(tǒng)的相位角和系統(tǒng)阻抗模頻率特性曲線如圖6所示。當(dāng)耦合系數(shù)K變化時(shí)，系統(tǒng)的第1諧振頻率可控制在90～100 kHz范圍內(nèi)，系統(tǒng)阻抗模的值較小，在電壓源條件下可以獲得較大的輸出功率。由圖6(a）可知，在90～100 kHz范圍內(nèi)，耦合系數(shù)K值越大，系統(tǒng)的諧振頻率就越大。

圖6 系統(tǒng)相位角和阻抗模頻率特性曲線 (RL=200Ω）Fig.6 Frequency characteristic curves of phase angle and impedancemodulus(RL=200Ω）

3 頻率控制策略及穩(wěn)定性分析

基于鎖相環(huán)控制的AUV非接觸式充電系統(tǒng)如圖7所示，鑒相器(PD）把輸入信號(hào)UP和IP的的相位進(jìn)行比較，輸出的電壓信號(hào)是相位誤差的度量［8］。該誤差電壓信號(hào)由環(huán)路濾波器(LF）進(jìn)行濾波后，被用作控制電壓送入壓控振蕩器(VCO），通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路改變高頻逆變器的頻率，以減小UP和IP的相位誤差。因此，通過(guò)鎖相環(huán)控制的AUV非接觸式充電系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)頻率控制，并且在一定頻率范圍內(nèi)能夠追蹤諧振頻率。

圖7 AUV非接觸式充電系統(tǒng)頻率控制原理圖Fig.7 Frequency control diagram of contactless charging system of AUV

基于鎖相環(huán)的頻率控制模塊的傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)如圖8所示，其開環(huán)傳遞函數(shù)C(S）表達(dá)式為

圖8 頻率控制模塊傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)框圖Fig.8 Transfer function block diagram of frequency controlmodule

G(S）的Bode圖如圖9所示，由圖9可知，基于鎖相環(huán)的頻率控制模塊是穩(wěn)定的。當(dāng)系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)時(shí)，UP和IP的相位相同，PD輸出為0，LF輸出的控制電壓為0，VCO的頻率保持不變，驅(qū)動(dòng)電路無(wú)動(dòng)作，系統(tǒng)穩(wěn)定在諧振狀態(tài);當(dāng)系統(tǒng)受水流沖擊作用偏離諧振狀態(tài)時(shí)，UP和IP的相位差輸入PD，經(jīng)LF濾波后，從而改變VCO的頻率，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制高頻逆變器的開關(guān)管頻率變化，直至UP和IP同相位，系統(tǒng)重新回到諧振狀態(tài)。

圖9 開環(huán)傳遞函數(shù)Bode圖Fig.9 Bode diagram of the open-loop transfer function

4 結(jié)語(yǔ)

AUV非接觸式充電系統(tǒng)在水流沖擊條件下，耦合系數(shù)發(fā)生變化，偏離諧振頻率點(diǎn)時(shí)，通過(guò)頻率控制保證系統(tǒng)始終工作在諧振狀態(tài)，使系統(tǒng)的傳輸能力達(dá)到最大，這對(duì)AUV非接觸充電技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

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Research on frequency control of contactless charging system of AUV

TANG Fan，ZHANG Ke-han，YANWei-sheng，SONG Bao-wei
(School of Marine Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China）

Through resonance oscillation between compensating capacitor and system inductance，the power factor of the contactless charging system of AUV ismaximized，and thus the realization the high-efficient transmission of electrical energy.In deep-sea environment，eccentricity and space will be created in the primary and secondarymagnetic core of the system under the impact of water，which result in the change of coupling factor and the resonant frequency，and untimately lead to the decrease of charging capability.In this thesis，the author tries to study how tomaintain the running of the charging system through the control of frequecy under the impact ofwater，and thus the improvement of the transmission capacity;what'smore，the author also puts forward themethods to realize the frequency control of contactless charging system of AUV under the control of PLL.

contactless;frequency control;water impact;frequency;PLL

TM762

A

1672－7649(2013）02－0043－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2013.02.010

2012－07－30;

2012－09－11

唐凡(1987－），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程。

book=35,ebook=33