方楚良，沈錦飛

（江南大學(xué)電氣自動(dòng)化研究所，無(wú)錫 214122）

磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸ARM和CPLD控制研究

方楚良，沈錦飛

（江南大學(xué)電氣自動(dòng)化研究所，無(wú)錫 214122）

磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸是中距離傳輸技術(shù)。兩個(gè)耦合電路通過(guò)電磁場(chǎng)傳遞能量，當(dāng)發(fā)射回路和接收回路處于諧振狀態(tài)時(shí)，諧振體之間能量交換效率最高。設(shè)計(jì)了1臺(tái)諧振頻率70 kHz的實(shí)驗(yàn)裝置，發(fā)射端以ARM和CPLD為主控芯片，接收端以ARM為主控芯片，分模塊設(shè)計(jì)了控制電路，并提出了一種基于ARM的頻率跟蹤控制方法。實(shí)驗(yàn)表明，控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，控制效果理想。

磁耦合諧振；控制系統(tǒng)；ARM；CPLD

引言

無(wú)線電能傳輸是一種新型的電能傳輸方式?，F(xiàn)階段無(wú)線電能傳輸主要有3種技術(shù)：感應(yīng)耦合技術(shù)、磁耦合諧振技術(shù)以及遠(yuǎn)場(chǎng)輻射技術(shù)，其中磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)為電能的中等距離傳輸提供了可能，同時(shí)具有對(duì)人體無(wú)害、空間相對(duì)位置情況下能量損耗小等優(yōu)點(diǎn)，因此受到了廣泛的關(guān)注［1］。目前磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)的研究多集中于耦合諧振器的分析［2］，傳輸電路參數(shù)研究與優(yōu)化［3］，線圈位置對(duì)傳輸特性的影響［4］，無(wú)線電能傳輸分析方法［5］及線圈特性與優(yōu)化［6］等，對(duì)控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)較少，這制約著磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸?shù)膽?yīng)用研究進(jìn)程，同時(shí)由于可以應(yīng)用于控制電路的主控芯片選擇多樣，且差異很大，因此對(duì)于磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸?shù)目刂蒲芯窟€需要進(jìn)行深入的探索。

本文設(shè)計(jì)了基于ARM和CPLD的具有較高頻率的磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸控制系統(tǒng)，通過(guò)智能控制實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的無(wú)線電能傳輸。給出了控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、主電路和控制電路、控制策略以及軟件實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)介紹了控制系統(tǒng)特別是發(fā)射端的設(shè)計(jì)。

1 磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸總體設(shè)計(jì)

磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸硬件分為主電路和控制電路兩部分，主電路中的發(fā)射線圈和接收線圈為共振線圈，當(dāng)二者以相同的頻率振蕩時(shí)，通過(guò)耦合將能量從發(fā)射端傳送至接收端，實(shí)現(xiàn)無(wú)線電能傳輸［7］?？刂葡到y(tǒng)分為發(fā)射端和接收端兩部分。發(fā)射端采用ARM和CPLD為核心控制芯片，通過(guò)檢測(cè)調(diào)理電路和驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤控制，并通過(guò)無(wú)線收發(fā)裝置實(shí)現(xiàn)發(fā)射端和接收端的數(shù)據(jù)傳輸。接收端采用ARM為核心控制芯片，實(shí)現(xiàn)負(fù)載參數(shù)檢測(cè)、顯示及無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?？傮w設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Overall design block diagram

2 磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸主電路

磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸主電路如圖2所示。圖中，Uin為直流輸入，通過(guò)調(diào)節(jié)斬波器開(kāi)關(guān)管VT0控制信號(hào)占空比，可以調(diào)節(jié)斬波器輸出電壓UT，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出功率。經(jīng)過(guò)由MOSFET管Q1～Q4及反并聯(lián)二極管Dq1～Dq4組成的全橋逆變電路將直流電轉(zhuǎn)變成高頻交流電，使發(fā)射端諧振電容C1和發(fā)射線圈L1組成的串聯(lián)諧振回路產(chǎn)生諧振電壓U1和諧振電流I1，接收端接收線圈L2和諧振電容C2組成的串聯(lián)諧振回路具有和發(fā)射端相同的諧振頻率，通過(guò)磁耦合諧振使能量從發(fā)射端傳遞至接收端，經(jīng)開(kāi)關(guān)管Dr1～Dr4全橋整流以及電容Cr濾波后輸入負(fù)載。

圖2 磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸主電路Fig.2 Magnetic coupling resonant radio transmission main circuit

3 控制電路設(shè)計(jì)

發(fā)射端ARM芯片采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103VET6，CPLD芯片采用ALTERA公司的5M160ZE64I5N。選取ARM芯片的2個(gè)引腳做A/D輸入腳，分別用于采樣發(fā)射線圈的電壓U1和電流I1，同時(shí)將電壓U1和電流I1經(jīng)過(guò)調(diào)理后的同頻率方波信號(hào)u和i作為輸入ARM的脈沖捕捉引腳，通過(guò)頻率跟蹤控制策略由ARM的定時(shí)器比較匹配功能產(chǎn)生控制MOSFET管Q1～Q4的PWM信號(hào)，輸入CPLD后由CPLD輸出同頻率的PWM信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制MOSFET。當(dāng)電路故障時(shí)，檢測(cè)電路發(fā)送故障信號(hào)至CPLD，CPLD迅速響應(yīng)并立即關(guān)斷PWM信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的快速保護(hù)?？刂茢夭娐烽_(kāi)關(guān)管VT0的PWM信號(hào)由ARM產(chǎn)生，通過(guò)改變占空比實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。ARM通過(guò)具有FSMC功能的引腳與CPLD相連，實(shí)現(xiàn)與CPLD的數(shù)據(jù)交換。同時(shí)將ARM剩余的GPIO口用于無(wú)線數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)顯示等。在接收端，ARM芯片采用STM32F103RET6，實(shí)現(xiàn)A/D采樣，無(wú)線數(shù)據(jù)通訊以及數(shù)據(jù)顯示。PWM驅(qū)動(dòng)電路由兩部分組成，分別為FAN 3227及其外圍元件組成的電路，以及2SD315 A驅(qū)動(dòng)器。FAN3227用于將PWM信號(hào)由3.3 V升壓為15 V，后經(jīng)2SD315 A驅(qū)動(dòng)器輸出PWM控制信號(hào)以驅(qū)動(dòng)VT0以及Q1～Q4。GPIO接口電路用于無(wú)線數(shù)據(jù)通訊以及顯示，采用NRF24L01以實(shí)現(xiàn)接收端和發(fā)射端數(shù)據(jù)傳輸?？刂齐娐方M成框圖如圖3所示。

圖3 控制電路框圖Fig.3 Control circuit block diagram

4 控制策略與軟件實(shí)現(xiàn)

4.1 頻率跟蹤控制

在磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸中，系統(tǒng)的共振頻率對(duì)傳輸效率有直接的影響［8］，當(dāng)發(fā)射線圈和接收線圈諧振回路均處于諧振狀態(tài)時(shí)，傳輸效率最大，因此需要使電路保持諧振狀態(tài)［9］。發(fā)射端等效電路為RLC串聯(lián)諧振回路，其諧振頻率為f=。因諧振時(shí)電壓與電流的相位差為零，本設(shè)計(jì)采用檢測(cè)電壓U1與電流I1的相位差來(lái)判斷是否諧振，并根據(jù)相位差值調(diào)整MOSFET的PWM控制信號(hào)輸出頻率ft，以達(dá)到諧振目的。

電壓U1與電流I1經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理成同頻率方波反饋信號(hào)u和i后，二者的相位差為φ。φ>0，說(shuō)明電壓U1超前電流I1，開(kāi)關(guān)頻率大于諧振頻率；φ<0，說(shuō)明電壓U1滯后電流I1，開(kāi)關(guān)頻率小于諧振頻率；φ=0，電壓U1和電流I1同相位，電路處于諧振狀態(tài)。3種情況的反饋電壓u和反饋電流i關(guān)系如圖4所示。

圖4 給定電壓與反饋電流關(guān)系Fig.4 Relationship between given voltage and current feedback

通過(guò)ARM定時(shí)器的脈沖捕捉功能可以獲得φ值，根據(jù)φ值調(diào)整ft，就可以使電路保持諧振狀態(tài)。在ARM進(jìn)行處理時(shí)，輸出頻率其中：fr為當(dāng)前PWM控制信號(hào)輸出頻率，k為調(diào)整系數(shù)。若k太大，會(huì)引起頻率振蕩；k太小會(huì)使跟蹤時(shí)間較長(zhǎng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)取合適的k值，經(jīng)過(guò)十幾個(gè)控制周期后電路即可處于諧振狀態(tài)。為防止高頻逆變電路上、下橋臂直通短路，在上、下橋臂的MOSFET驅(qū)動(dòng)信號(hào)間保留了很小的死區(qū)［10］，電壓U1超前電流I1一個(gè)很小的角度，實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通及小電流關(guān)斷。頻率跟蹤控制框圖如圖5。

圖5 頻率跟蹤控制框圖Fig.5 Frequency tracking control block diagram

4.2 軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件可以分為發(fā)射端和接收端2部分。發(fā)射端分成ARM程序和CPLD程序，其中ARM程序包括系統(tǒng)初始化、各種全局變量的定義、參數(shù)輸入程序、脈沖捕捉程序、頻率跟蹤控制程序、數(shù)據(jù)通訊程序以及顯示程序，其中參數(shù)輸入程序中包括AD采樣、無(wú)線通訊（用于實(shí)現(xiàn)發(fā)射端和接收端數(shù)據(jù)傳輸），AD采樣程序?qū)崿F(xiàn)電流、電壓檢測(cè)值的采樣；CPLD程序分為故障判斷程序、PWM輸出程序以及數(shù)據(jù)通訊程序。接收端程序功能包括AD采樣、無(wú)線通訊以及顯示。發(fā)射端軟件流程如圖6所示。

圖6 發(fā)射端軟件流程Fig.6 Flow chart of launch software

5 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

根據(jù)本文的硬件電路設(shè)計(jì)、控制策略以及軟件設(shè)計(jì)，依據(jù)其主電路模型，研制了1臺(tái)磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸樣機(jī)，如圖7所示。其中，輸入采用直流電源，輸入電壓Uin為52 V，輸入電流Iin為8 A；諧振電容C1和C2均為17.5 pF；發(fā)射線圈和接收線圈背面采用導(dǎo)磁片拼接組合，二者距離為30 cm；接收端負(fù)載為并聯(lián)燈管組，將控制系統(tǒng)與主電路連接后進(jìn)行調(diào)試，負(fù)載電壓Ur為32.1 V，負(fù)載電流Ir為8.1 A；傳輸效率為62.50%。

圖7 磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸樣機(jī)Fig.7 Magnetic coupling resonant wireless power transmission model machine

使用DLM2024型示波器經(jīng)過(guò)調(diào)試所得到的實(shí)驗(yàn)波形如圖8所示。其中圖8（a）為MOSFET對(duì)管的驅(qū)動(dòng)波形，MOSFET的PWM控制信號(hào)頻率為69.4 kHz；圖8（b）為發(fā)射線圈電壓U1、電流I1以及接收線圈電壓U2、電流I2波形，電路工作于感性負(fù)載狀態(tài)，發(fā)射端的電壓相位超前電流一個(gè)角度，同時(shí)發(fā)射端逆變輸出電壓近似方波電壓，發(fā)射端和接收端的輸出電流波形近似正弦波，表明樣機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，具有良好的控制性能。

圖8 實(shí)驗(yàn)波形Fig.8 Experimental waveforms

6 結(jié)語(yǔ)

本文基于ARM和CPLD設(shè)計(jì)的磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸控制電路，其中ARM用于數(shù)據(jù)處理控制，CPLD用于保護(hù)。ARM具有高性能以及低功耗，降低了控制電路的復(fù)雜性，其靈活的編程能力易于實(shí)現(xiàn)控制電路的更新；CPLD響應(yīng)速度快，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制電路的快速保護(hù)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但在實(shí)驗(yàn)中采用的直流電源功率較低，由于電路器件損耗的影響，因此傳輸效率不高，若大幅提高傳輸功率可以顯著地提高傳輸效率。所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸研究具有一定的實(shí)際參考價(jià)值。

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Research on Control System about Magnetic Coupling Resonant Wireless Power Transmission Based on ARM and CPLD

FANG Chuliang,SHEN Jinfei
（Institute of Electrical Automation,Jiangnan University,Wuxi 214122,China）

Magnetic coupling resonant wireless power transmission is a middle distance technology.Using two coupled resonant circuit to transfer energy by the electromagnetic field.When the transmission circuit and the receiver circuit are in the resonant state,the energy exchange between the resonators can achieve the highest efficiency.A control system about magnetic coupling resonance wireless power transmission was designed modularly with 70 kHz magnetic coupling resonance frequency.The transmitter was designed by using ARM and complex programmable logic device（CPLD）as control chip.The receiver was designed by using ARM as control chip.The proposed frequency tracking control is based on ARM.The experimental result indicates that the control system worked stable and had a good control effect.

magnetic coupling resonance;control system;ARM;CPLD

方楚良

方楚良（1989-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)，E-mail：fang_chu_liang@163.com；

沈錦飛（1955-）通信作者，男，教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)，E-mail：sjf_9@hotmail.com。

10.13234/j.issn.2095-2805.2015.2.94

：TM 464

：A

2014-10-30

江蘇省產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新項(xiàng)目基金（BY2012069）

Project Supported by the Combination of Innovation Project in Jiangsu Province（BY2012069）