謝小軍++昝繼業(yè)++孫長(zhǎng)翔

摘要：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量無(wú)線傳感器構(gòu)成的自組織網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)對(duì)象信息，并將信息傳送給需要的用戶。針對(duì)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)供電可靠性問(wèn)題，通過(guò)對(duì)磁共振技術(shù)進(jìn)行研究，分析能量傳輸技術(shù)特性和補(bǔ)給技術(shù)的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)與不足。根據(jù)調(diào)研與研究結(jié)果，制定無(wú)線傳感網(wǎng)無(wú)線供電技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案，保障無(wú)線傳感網(wǎng)能源的持續(xù)穩(wěn)定供給。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)；無(wú)線供電；磁共振；電能

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）02-0097-03

無(wú)線充電技術(shù)是指具有電池的裝置不需要借助于電導(dǎo)線，利用電磁波感應(yīng)原理或者其他相關(guān)的交流感應(yīng)技術(shù)，在發(fā)送端和接收端用相應(yīng)的設(shè)備來(lái)發(fā)送和接收產(chǎn)生感應(yīng)的交流信號(hào)來(lái)進(jìn)行充電的一項(xiàng)技術(shù)。目前無(wú)線充電技術(shù)主要有電磁感應(yīng)式、磁共振式、無(wú)線電波式、電場(chǎng)耦合式四種基本方式。這幾種技術(shù)分別適用于近程、中短程與遠(yuǎn)程電力傳送。以下對(duì)當(dāng)前四種主要無(wú)線充電方式進(jìn)行比較。如表1所示。

考慮到無(wú)線傳感網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用需求，磁共振式無(wú)線供電技術(shù)，以其傳輸距離較遠(yuǎn)，效率高、輸出功率大，可以在復(fù)雜的環(huán)境下工作的優(yōu)點(diǎn)，非常適合在電力無(wú)線傳感網(wǎng)中進(jìn)行能量補(bǔ)給。

1 無(wú)線供電系統(tǒng)原理

磁共振式無(wú)線充電包含兩個(gè)線圈，每一個(gè)線圈都是一個(gè)自振系統(tǒng)，其中一個(gè)是發(fā)射裝置，與能量源連接，它并不向外發(fā)射電磁波，而是利用振蕩器產(chǎn)生高頻振蕩電流，通過(guò)發(fā)射線圈向外發(fā)射電磁波，在周?chē)纬梢粋€(gè)非輻射磁場(chǎng)，即將電能轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng)；當(dāng)接收裝置的固有頻率與收到的電磁波頻率相同時(shí)，接受電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強(qiáng)，完成磁場(chǎng)到電能的轉(zhuǎn)換。下圖利用電磁共振耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線電力傳輸?shù)脑韴D。電磁波的頻率越高其向空間輻射能量越大，傳輸效率越高。如圖1所示。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 電能發(fā)射與拾取機(jī)構(gòu)

無(wú)線充供電系統(tǒng)的原邊的輸入電能經(jīng)過(guò)能量變換后通過(guò)能量發(fā)射機(jī)構(gòu)后向受端發(fā)射，拾取線圈拾取到電能后，經(jīng)過(guò)能量變換裝置把高頻的交流電能轉(zhuǎn)化成所需要的電能。本裝置研究的無(wú)線供電系統(tǒng)諧振頻率為數(shù)百kHz、輸出電壓為5V、最大輸出功率為0.5W，因此發(fā)射與拾取機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足上述參數(shù)指標(biāo)要求。

高頻發(fā)射與接收線圈繞法的不同決定著磁通的分布，基于磁諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)原理的無(wú)線輸電系統(tǒng)，其發(fā)射線圈與接收線圈在磁通的分布上應(yīng)該盡量滿足均勻分布。輸電系統(tǒng)的電能發(fā)射部分所在位置，與電能接收部分所在的受電負(fù)載之間的位置直接影響著接收線圈與發(fā)射線圈之間的耦合共振關(guān)系，不同的相對(duì)位置、不同的方向磁通耦合效率不同，影響著輸電效率。針對(duì)這種“磁通分布不均”的問(wèn)題，可以通過(guò)研究線圈繞法來(lái)解決。提出用磁場(chǎng)分布特性不同的繞組，集中繞組和螺旋繞組復(fù)合，解決磁通分布不均的問(wèn)題。集中繞組由一匝或多匝線圈集中繞制，螺旋繞組包含于集中繞組內(nèi)，兩者可位于同一平面或不同平面。由于集中繞組的磁場(chǎng)中間低、四周高，與螺旋繞組正好相反，組成復(fù)合繞組就可實(shí)現(xiàn)充電平臺(tái)中的磁場(chǎng)均勻分布，該繞組方式的磁場(chǎng)仿真結(jié)果如下圖2所示。

考慮到實(shí)際情況，由于更大的線圈面積更適合傳輸較大的距離，而當(dāng)正方形的邊長(zhǎng)與圓的直徑一致時(shí)，正方形面積要大于圓的面積，因此在本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，采用了正方形的線圈繞組方式，如下圖3所示。

在磁共振式無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)中，接收端和發(fā)射端之間的能量主要通過(guò)磁場(chǎng)來(lái)傳遞，現(xiàn)對(duì)兩線圈之間的互感進(jìn)行仿真，如下圖4圖5所示。

2.2 高頻逆變電源設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)發(fā)射端控制電路結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。發(fā)射端控制電路主要包括四個(gè)部分：ARM處理器、傳感測(cè)量環(huán)節(jié)、通信環(huán)節(jié)、頻率合成環(huán)節(jié)。傳感測(cè)量環(huán)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電壓/電流的測(cè)量，并提供給ARM處理器用以判斷系統(tǒng)是否處于諧振工作狀態(tài)；通信環(huán)節(jié)主要實(shí)現(xiàn)和接收端電池模組管理系統(tǒng)的通信，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射功率的協(xié)調(diào)控制；頻率合成環(huán)節(jié)接受ARM處理器的控制信號(hào)，用以實(shí)現(xiàn)特定頻率和相位的控制信號(hào)；ARM處理器綜合分析系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射功率及頻率的控制，并與接收端進(jìn)行通信協(xié)調(diào)。

2.3 逆變橋驅(qū)動(dòng)電路

相控逆變器驅(qū)動(dòng)電路是相控逆變器的核心，是其將直流電壓逆變?yōu)闈M足系統(tǒng)需求頻率電壓主要驅(qū)動(dòng)力量，通過(guò)相位控制技術(shù)控制系統(tǒng)輸出電能的方法主要依靠相控逆變器驅(qū)動(dòng)電路來(lái)執(zhí)行相移指令，其靈敏度是最主要的技術(shù)指標(biāo)。驅(qū)動(dòng)電路的核心元器件選擇IXDE514SIA型電橋驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器對(duì)MOS管驅(qū)動(dòng)有很好的效果，其峰值電流為14A，基本滿足本方案設(shè)計(jì)需求。頻率合成模塊通過(guò)鎖相調(diào)制后的驅(qū)動(dòng)信號(hào)往往帶有較大的模擬信號(hào)噪聲，因此頻率合成模塊信號(hào)需要經(jīng)過(guò)光耦處理，降低系統(tǒng)噪聲，信號(hào)通過(guò)電橋驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)由MOS管組成的橋路，調(diào)節(jié)橋路電壓相位。驅(qū)動(dòng)電路原理圖如下圖7所示。

2.4 軟件控制

實(shí)際應(yīng)用中，傳輸線圈的電容、電感會(huì)受環(huán)境影響產(chǎn)生參數(shù)漂移，很難使2個(gè)線圈的諧振頻率相同。而傳輸過(guò)程中對(duì)頻率的選擇性較強(qiáng)，電源激勵(lì)頻率或電路參數(shù)的微小偏差也可能導(dǎo)致能量傳輸性能的下降；因此需跟蹤最大功率點(diǎn)，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整裝置的工作頻率.使其工作在最大功率點(diǎn)，保證在線監(jiān)測(cè)設(shè)備較優(yōu)的工作狀態(tài)。

本研究通過(guò)對(duì)發(fā)射端電流進(jìn)行掃頻分析，檢測(cè)峰值點(diǎn)的個(gè)數(shù)，選擇將發(fā)射端電流峰值波峰或波谷值對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)作為無(wú)線供能裝置的工作頻率點(diǎn)，以獲取最大輸出功率。發(fā)射端控制電路的原理圖如下圖8所示。發(fā)射端由控制用單片機(jī)MCU控制數(shù)字式頻率發(fā)生器模塊DDS產(chǎn)生方波頻率信號(hào)，通過(guò)逆變電路給發(fā)射線圈供電，通過(guò)設(shè)定DDS控制字，調(diào)節(jié)裝置工作頻率；電流傳感器采集發(fā)射端逆變前的直流電流經(jīng)低通濾波后送至MCU。

3 結(jié)語(yǔ)

本文系統(tǒng)地描述了磁共振無(wú)線傳輸技術(shù)，通過(guò)對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)的能量補(bǔ)給技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究，考慮到無(wú)線傳感網(wǎng)的實(shí)際需求，分析和總結(jié)了其普適性與局限性。綜合分析，利用共振式無(wú)線供電技術(shù)對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)進(jìn)行供電的可行性和實(shí)用性較強(qiáng)。針對(duì)共振式無(wú)線供電技術(shù)，提出解決方案，實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的無(wú)線電能傳輸，保障無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)可靠運(yùn)行。

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