陳小娟

摘 要：介紹了在非接觸能量傳輸（Contactless Power Transfer）系統(tǒng)中引入嵌入式控制系統(tǒng)的必要性，并分析了利用ARM系列嵌入式系統(tǒng)處理器設(shè)計(jì)出的嵌入式控制系統(tǒng)的相關(guān)控制問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：ARM；嵌入式控制系統(tǒng)；CPT系統(tǒng)；控制問(wèn)題

1 概述

1.1 CPT系統(tǒng)概述

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速前進(jìn)，在社會(huì)、企業(yè)和家庭中電氣化設(shè)備日益成為現(xiàn)代化生產(chǎn)和生活工具的主流。對(duì)于一些電氣設(shè)備，傳統(tǒng)供電方式限制了它們的普及和使用靈活性，同時(shí)給安全供電和環(huán)境安全問(wèn)題帶來(lái)了很大的影響。隨著人們生活以及生產(chǎn)活動(dòng)范圍的擴(kuò)大，人們迫切需要一種新型的電能傳輸技術(shù)來(lái)滿足新型電氣設(shè)備及各種特殊條件下的供電需求。非接觸電能傳輸技術(shù)是近年來(lái)備受?chē)?guó)際學(xué)術(shù)界關(guān)注的一項(xiàng)新的能量傳輸技術(shù)，即用電設(shè)備以非接觸方式從固定電網(wǎng)取電的技術(shù)，所以又可稱(chēng)為非接觸感應(yīng)供電。信號(hào)的無(wú)線傳輸技術(shù)早已實(shí)現(xiàn)，電源線已成為用電設(shè)備靈活移動(dòng)的羈絆，非接觸電能傳輸技術(shù)的出現(xiàn)使設(shè)備實(shí)現(xiàn)真正的“無(wú)線”成為可能。要使一個(gè)系統(tǒng)具有更高的性能，就需要對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂啤?/p>

1.2 引入嵌入式技術(shù)的必要性

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[1]。它主要由嵌入式處理器、嵌入式操作系統(tǒng)、輸入輸出設(shè)備、外圍接口設(shè)備以及嵌入式應(yīng)用軟件等組成，具有軟件代碼小、高度自動(dòng)化和響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。它是可獨(dú)立工作的“器件”[2]。

在CPT系統(tǒng)中引入嵌入式技術(shù)的理由有以下兩點(diǎn)：

（1）從目前的角度出發(fā)，首先，CPT系統(tǒng)需要一個(gè)能夠提供監(jiān)視、控制、多進(jìn)程、可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)的任務(wù)、可人工手動(dòng)控制亦可自動(dòng)運(yùn)行等功能的智能控制系統(tǒng)；其次，嵌入式系統(tǒng)體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，可作為一個(gè)部件埋藏于所控制的裝置中，它提供用戶(hù)接口、管理有關(guān)信息的輸入輸出、監(jiān)控設(shè)備工作，使設(shè)備及應(yīng)用系統(tǒng)有較高智能和性?xún)r(jià)比；再者，目前微處理器可選用DSP、單片機(jī)和ARM系列等，而ARM微處理器在工業(yè)控制、手持設(shè)備中的應(yīng)用則比較多，更主要的是ARM能夠很容易地實(shí)現(xiàn)以上的功能。

（2）從未來(lái)的角度出發(fā)，首先，嵌入式系統(tǒng)是CPT系統(tǒng)的部件，適用于對(duì)功能、體積、

成本、可靠性、功耗有嚴(yán)格要求的CPT系統(tǒng)或其它系統(tǒng)；其次，嵌入式控制系統(tǒng)還可應(yīng)用于CPT系統(tǒng)的故障診斷，且嵌入式系統(tǒng)接口的可擴(kuò)展性和軟硬件可裁減的靈活性也是一大優(yōu)點(diǎn)，對(duì)將來(lái)系統(tǒng)的擴(kuò)展或者裁減都十分方便。

2 CPT系統(tǒng)的相關(guān)控制問(wèn)題分析

本文所介紹的非接觸電能傳輸系統(tǒng)主要由兩大部分組成。一部分是電能變換與發(fā)送電路，又稱(chēng)初級(jí)電路；另一部分是可在一定范圍內(nèi)沿導(dǎo)軌線圈移動(dòng)的能量拾取電路，又稱(chēng)次級(jí)電路。

在CPT系統(tǒng)中應(yīng)用嵌入式技術(shù)需重點(diǎn)解決以下三個(gè)控制問(wèn)題。

2.1 軟啟動(dòng)控制

整流濾波電路將工頻交流電流轉(zhuǎn)換為平穩(wěn)的直流電流提供給后面的高頻逆變部分。

未加入軟啟動(dòng)時(shí)會(huì)形成很大的沖激電流，而電容電壓不能突變，所以加電瞬間電容是短路的，如果沒(méi)有電阻Rlimit緩沖，則系統(tǒng)會(huì)因過(guò)流而導(dǎo)致元器件的損壞。

只要Rlimit的阻值足夠大，就可以避免產(chǎn)生沖激電流燒壞元器件。在該電路中，整流后的電壓有效值為Vin=220V，輸出電壓為Vo，通過(guò)電阻Rlimit給電容C充電，繼電器斷開(kāi)，同時(shí)ARM控制平臺(tái)采集濾波電容兩端的電壓Vo，檢測(cè)Vo的大小，當(dāng)達(dá)到設(shè)定電壓峰值時(shí)，ARM控制平臺(tái)發(fā)出一個(gè)高電平脈沖閉合開(kāi)關(guān)，軟啟動(dòng)結(jié)束。

2.2 逆變控制

能量的非接觸傳輸是通過(guò)磁場(chǎng)的松耦合原理實(shí)現(xiàn)的，而要得到這個(gè)交變磁場(chǎng)，必須有一個(gè)相應(yīng)的變化電流作為勵(lì)磁電流，在本系統(tǒng)中即為在導(dǎo)軌中產(chǎn)生較高頻率的正弦電流Icp，該電流的理想形式應(yīng)該為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，表達(dá)式為：

Icp=Ipmsin（2πft+θ）= 式（2.1）

式（2.1）中Ipm和f分別決定了磁場(chǎng)的強(qiáng)度和磁場(chǎng)的頻率。在負(fù)載拾取電路確定的情況下，磁場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，傳輸?shù)墓β示驮酱?。因此，在一定的功率容量下要求逆變器能夠產(chǎn)生足夠大的正弦電流。

下面給出CPT系統(tǒng)對(duì)逆變電路的要求，進(jìn)而得出CPT系統(tǒng)對(duì)ARM控制系統(tǒng)的要求。

在負(fù)載拾取和導(dǎo)軌形式確定，二者之間的位置相對(duì)確定（即互感基本不變）的情況下，非接觸電能傳輸系統(tǒng)正常工作需要以下條件：首先，導(dǎo)軌電流的有效值應(yīng)該達(dá)到設(shè)計(jì)的容量要求，以保證足夠的能量傳輸；其次，系統(tǒng)的工作頻率應(yīng)該穩(wěn)定，以保證傳輸功率恒定。所以，高頻逆變電路必須能夠輸出相應(yīng)強(qiáng)度的電流，并且能夠保持電流頻率不變，或者其偏移必須在允許的范圍內(nèi)（能夠使負(fù)載正常工作）。另外，因?yàn)榉墙佑|電能傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是大功率的傳輸，必須限制其高次諧波的含量以減小其電磁輻射。這就要求逆變電路能夠?yàn)閷?dǎo)軌提供一個(gè)諧波含量較小的準(zhǔn)正弦波電流。根據(jù)不同系統(tǒng)的要求，導(dǎo)軌的形式和距離各有不同，為了達(dá)到同樣的輸出，其對(duì)逆變電路的驅(qū)動(dòng)能力要求也有不同。

由以上分析得出，CPT系統(tǒng)對(duì)逆變電路的基本要求有：能夠?yàn)閷?dǎo)軌提供足夠大的電流，使導(dǎo)軌產(chǎn)生所需的磁場(chǎng)；逆變電流在導(dǎo)軌中產(chǎn)生的電流的頻率保持穩(wěn)定；導(dǎo)軌電流波形的諧波含量必須很小。

綜上所述，導(dǎo)軌電流幅值若發(fā)生變化就會(huì)影響負(fù)載拾取功率的變化，而負(fù)載的變化也會(huì)引起導(dǎo)軌電流的變化，這樣將導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作。所以，CPT系統(tǒng)對(duì)ARM控制系統(tǒng)有如下要求：保證諧振網(wǎng)絡(luò)中的頻率不變，即保持導(dǎo)軌電流的幅值和頻率不變。通過(guò)控制高頻逆變電路的四個(gè)IGBT的脈沖頻率，使諧振電容的電壓與導(dǎo)軌電流保持同相位，這就是CPT系統(tǒng)對(duì)本ARM控制系統(tǒng)的控制要求。

2.3 顯示采集的波形

CPT系統(tǒng)工作的部分參數(shù)波形需要進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)控，以便需要的時(shí)候進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的工作效率。因此，人機(jī)交互界面的加入將更好地保證用戶(hù)對(duì)質(zhì)量和效率的要求。本嵌入式控制系統(tǒng)主要顯示的是導(dǎo)軌電流Ip和補(bǔ)償電容兩端的電壓Vp的波形，在導(dǎo)軌電流頻率發(fā)生變化時(shí)，手動(dòng)或者由控制算法自動(dòng)調(diào)整頻率，這對(duì)保證系統(tǒng)長(zhǎng)期正常工作非常重要。CPT系統(tǒng)的工作頻率為20 KHz。ARM CPU自帶的A/D轉(zhuǎn)換器的采樣速率為500ksps，同時(shí)采集三路信號(hào)，則采樣的頻率約為166.67KHz，即約6?s采集一次，可以達(dá)到CPT系統(tǒng)的要求。

3 結(jié)論

隨著嵌入式系統(tǒng)的飛速發(fā)展，社會(huì)對(duì)技術(shù)的要求越來(lái)越高，對(duì)非接觸式電能傳輸技術(shù)的需求也日益增長(zhǎng)，而嵌入式系統(tǒng)的加入使得本CPT系統(tǒng)的性能和工作效率得到了大大的提高，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，CPT系統(tǒng)中相關(guān)控制問(wèn)題均可應(yīng)用嵌入式控制技術(shù)解決。