一種無(wú)線電能傳輸變頻器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李　江，馬　騰，李國(guó)慶，郭鎮(zhèn)齊，王學(xué)斌

（1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.國(guó)網(wǎng)蘭州供電公司，甘肅 蘭州 730070）

一種無(wú)線電能傳輸變頻器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李江1，馬騰1，李國(guó)慶1，郭鎮(zhèn)齊1，王學(xué)斌2

（1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.國(guó)網(wǎng)蘭州供電公司，甘肅 蘭州 730070）

無(wú)線電能傳輸是全新的能量傳輸方式，針對(duì)無(wú)線電能傳輸?shù)母哳l能量變換問(wèn)題，設(shè)計(jì)了以ATmega64單片機(jī)為核心的高頻變頻器。首先，結(jié)合無(wú)線電能的傳輸特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了主電路，驅(qū)動(dòng)電路、采樣電路、保護(hù)電路等控制電路；然后，基于PWM控制技術(shù)，提出了瞬時(shí)輸出電壓外環(huán)和電容電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，并仿真驗(yàn)證了該策略的正確性；最后，通過(guò)開(kāi)發(fā)的樣機(jī)證實(shí)了該變頻器的有效性。所開(kāi)發(fā)的變頻器包含了無(wú)線電能傳輸?shù)暮诵募夹g(shù)，具有穩(wěn)定性好、損耗小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

無(wú)線電能傳輸；變頻器；雙閉環(huán)控制

0　引言

無(wú)線電能傳輸作為近幾年發(fā)展起來(lái)的新型能量傳輸方式，已成為國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)和學(xué)者的研究熱點(diǎn)［1］。目前無(wú)線電能傳輸分為3大類：第一類是微波傳輸；第二類是電磁感應(yīng)式，利用電磁感應(yīng)耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線電能傳輸；第三類是磁耦合共振式，兩個(gè)諧振頻率相同的物體通過(guò)磁耦合的形式進(jìn)行無(wú)線電能的傳輸，可實(shí)現(xiàn)中等距離的高效傳輸。以上3類方式在傳輸過(guò)程中都以高頻信號(hào)的形式進(jìn)行傳輸［2］。目前國(guó)內(nèi)外大多學(xué)者的研究是將高頻電能通過(guò)整流，以直流的方式供給負(fù)載。然而，絕大多數(shù)場(chǎng)合仍然需要交流電源。本文提出了一種適用于無(wú)線電能傳輸?shù)淖冾l器，能夠?qū)⒏哳l電壓轉(zhuǎn)換為工頻電壓，進(jìn)而方便人們?nèi)粘Ｊ褂?，顯著地提高無(wú)線電能傳輸?shù)膽?yīng)用范圍［3］。

變頻器按照有無(wú)中間直流環(huán)節(jié)分為交-交變頻器（AC-AC）和交-直-交變頻器（AC-DC-AC）［4］。交-交型主要是將工頻交流電調(diào)節(jié)為其他可調(diào)頻率的交流電，廣泛應(yīng)用于交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。交-直-交型存在中間直流環(huán)節(jié)，由整流和逆變兩部分構(gòu)成，具有輸出容量大、無(wú)電氣隔離、變頻范圍寬等特點(diǎn)。由于設(shè)計(jì)是將高頻交流電轉(zhuǎn)換為低頻交流電，因此本文變頻器選用常用的交-直-交變頻方式。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示，由主電路和控制電路兩部分構(gòu)成。其中，控制電路以 ATmega64為核心，驅(qū)動(dòng)電路、采樣反饋電路、保護(hù)電路以及通信顯示電路等構(gòu)成控制電路的外圍電路。無(wú)線電能接收端接收生成的高頻交流電，再經(jīng)過(guò)全橋整流、濾波得到直流電壓，由ATmega64可調(diào)的 PWM信號(hào)控制，最后經(jīng)過(guò)全橋逆變電路、變壓電路和濾波電路輸出正弦電壓波形［5］?；陔妷浩钚盘?hào)，采用雙閉環(huán)控制方法，控制逆變器系統(tǒng)的功率穩(wěn)定輸出。同時(shí)，變頻器具備過(guò)壓過(guò)流保護(hù)功能及電壓電流顯示功能。

圖1　系統(tǒng)功能框圖

變頻器的主電路如圖2所示，主要由整流濾波電路、全橋逆變電路、高頻變壓電路及濾波電路4部分構(gòu)成。整流濾波部分由 4個(gè)二極管D1～D4構(gòu)成橋堆進(jìn)行整流，電容C1和C2進(jìn)行濾波和穩(wěn)壓。逆變電路采用4個(gè)MOSFET管組成兩組橋臂形式的單相全橋式電路，并且MOSFET并聯(lián)二極管進(jìn)行續(xù)流，由ATmega64產(chǎn)生的兩路互補(bǔ)SPWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)MOSFET管。在逆變電路前串聯(lián)一個(gè)熔斷器F，以防止發(fā)生過(guò)流、短路等現(xiàn)象，起保護(hù)作用。高頻變壓器主要用于變壓和電氣隔離，輸出濾波電路采用LC濾波，濾除輸出波形中所包含的高次諧波，輸出220 V/50 Hz正弦波形［6］。

圖2　無(wú)線電能傳輸變頻器主電路

2　控制電路設(shè)計(jì)

2.1主控制器

控制電路的主芯片選用ATMEL公司生產(chǎn)的ATmega64單片機(jī)。它是一款基于增強(qiáng)的AVR RISC體系結(jié)構(gòu)的低功耗的8位CMOS微控制器，擁有先進(jìn)的指令集和單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz。

2.2驅(qū)動(dòng)電路

由單片機(jī)產(chǎn)生的控制信號(hào)幅值只有5 V，因此需要驅(qū)動(dòng)電路將控制信號(hào)進(jìn)行放大，使其能夠驅(qū)動(dòng)MOSFET管的正常工作。本設(shè)計(jì)中選取IR2110作為驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)芯片，它能夠提供最大為2 A的驅(qū)動(dòng)電流，而且還具有快速的驅(qū)動(dòng)能力，驅(qū)動(dòng)芯片輸出柵極驅(qū)動(dòng)電壓10～20 V，芯片內(nèi)部針對(duì)橋式逆變器等開(kāi)關(guān)管的浮地情況也作了專門的設(shè)計(jì)，且不需要專用的供電電源，使用簡(jiǎn)單［7］。

IR2110驅(qū)動(dòng)電路圖如圖3所示，本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)相同的IR2110作為驅(qū)動(dòng)電路。一個(gè)芯片的HIN端和 LIN端分別連接另一個(gè)芯片的LIN端和HIN端，分別接入單片機(jī)輸出互補(bǔ)的兩路SPWM控制信號(hào)。其輸出的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，分別通過(guò)HO和LO端驅(qū)動(dòng)單相全橋電路中同一橋臂的上下兩個(gè)MOSFET功率管相互導(dǎo)通。

圖3　IR2110驅(qū)動(dòng)電路

2.3采樣電路

通過(guò)逆變輸出的電壓和電流采樣信號(hào)，實(shí)現(xiàn)逆變器輸出的閉環(huán)控制。電壓采樣電路如圖4所示，使用電壓互感器對(duì)輸出電壓進(jìn)行變壓和電氣隔離后，利用運(yùn)算放大電路將信號(hào)調(diào)整到-2.5 V～+2.5 V范圍內(nèi)，再疊加2.5 V的直流偏置量，從而得到0～5 V范圍內(nèi)的交流電壓，同時(shí)在引腳輸入前添加二極管以確保輸入電壓值不會(huì)超過(guò)5 V。

圖4　電壓采樣電路

電流采樣電路如圖5所示，使用電流互感器對(duì)輸出的電感電流瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，接入電阻將電流值轉(zhuǎn)換為電壓值，再經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器TL082將電壓值進(jìn)行放大，轉(zhuǎn)換成0～5 V的直流電壓接入A/D轉(zhuǎn)換接口。

圖5　電流采樣電路

3　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

3.1控制器設(shè)計(jì)

在變頻器的逆變部分，采用了瞬時(shí)輸出電壓外環(huán)和電容電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方法，結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。瞬時(shí)輸出電壓Uo與參考電壓Uc進(jìn)行比較，誤差信號(hào)經(jīng)電壓PI控制器調(diào)節(jié)后作為電流內(nèi)環(huán)的參考電流Ic。電容電流瞬時(shí)值 If與參考電流 Ic比較產(chǎn)生的誤差信號(hào)再經(jīng)過(guò)電流P控制器產(chǎn)生調(diào)制波，通過(guò)調(diào)制波與三角波載波的比較產(chǎn)生SPWM波，從而作為MOSFET管的控制信號(hào)。逆變輸出調(diào)制電壓經(jīng)LC濾波電路則可得到正弦電壓［8］。

圖6　雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

電壓和電流控制器分別為：Gu(s)=K1p+K1i/s，Gi(s)=K2p。設(shè)計(jì)中電壓外環(huán)采用比例積分控制器PI，使輸出電壓波形瞬時(shí)跟蹤給定值；電容電流內(nèi)環(huán)采用比例控制器P，用來(lái)增加逆變電路的阻尼系數(shù)，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，并且保證較強(qiáng)的魯棒性。

3.2仿真研究

基于對(duì)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的研究，在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境中，搭建電壓電流雙閉環(huán)控制逆變器仿真模型。系統(tǒng)參數(shù)為：輸入直流電壓 400 V；開(kāi)關(guān)頻率 10 kHz；輸出濾波電感L=1 mH、濾波電容C=10μF，負(fù)載R=20 Ω，L=1 mH；控制器參數(shù) K1p=1.2，K1i=0.32，K2p=0.8。

如圖7所示分別是在開(kāi)環(huán)和雙閉環(huán)條件下空載增加負(fù)載，逆變器輸出電壓電流波形圖。仿真結(jié)果表明逆變器在開(kāi)環(huán)條件下，空載時(shí)輸出電壓波形正弦度不高，輸出電壓諧波畸變率THD=3.22%。而在電壓電流雙閉環(huán)控制條件下，諧波含量少，電壓諧波畸變率為THD= 0.60%。并且當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，輸出電壓波形變化小，逆變器動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，很快將輸出電壓調(diào)整至穩(wěn)態(tài)，從而仿真驗(yàn)證了雙閉環(huán)控制策略具有較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。

圖7　逆變器輸出電壓電流波形圖

4　軟件設(shè)計(jì)

變頻器軟件設(shè)計(jì)中，主程序流程圖如圖8所示，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，系統(tǒng)初始化包括系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、寄存器初始化、變量初始化、中斷初始化、PWM初始化、輸入與輸出初始化。初始化完成后，進(jìn)入中斷，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。系統(tǒng)對(duì)一些故障信號(hào)進(jìn)行判斷，當(dāng)檢測(cè)到故障標(biāo)志位被置位，則進(jìn)入故障處理，如果中斷發(fā)生則進(jìn)入中斷服務(wù)子程序。

中斷服務(wù)子程序流程圖如圖9所示，主要用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字處理運(yùn)算，如A/D轉(zhuǎn)換、查詢建立正弦表、生成SPWM信號(hào)、基于雙閉環(huán)控制的算法等。系統(tǒng)首先保護(hù)中斷現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò) A/D采樣，取得逆變輸出的電流、電壓值，并讀取正弦表上的正弦參考值，對(duì)采樣所得的數(shù)據(jù)和正弦表參考值一起作為雙閉環(huán)控制的反饋參數(shù)進(jìn)行PID控制，通過(guò)改變占空比，算出相應(yīng)的比較寄存器值，從而生成SPWM脈沖。

圖8　主程序流程圖

圖9　中斷服務(wù)程序流程圖

圖10　無(wú)線電能輸出電壓波形

5　樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照所設(shè)計(jì)的變頻電路，以單片機(jī)ATmega64作為主控制器，制作了變頻器樣機(jī)，應(yīng)用于磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸電路。無(wú)線電能傳輸電路接收端高頻電壓信號(hào)如圖10所示，頻率為10MHz。將高頻信號(hào)接入變頻電路，采用雙閉環(huán)控制策略，最終輸出電壓波形如圖11所示，電壓幅值約為 220 V，頻率近似等于50 Hz，輸出波形正弦度高，從而實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了變頻器設(shè)計(jì)的正確性。所設(shè)計(jì)的變頻器最大功率為60 W，可適用于小功率無(wú)線電能傳輸裝置。

圖11　變頻器輸出電壓波形

6　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了以ATmega64數(shù)控技術(shù)為控制核心的無(wú)線電能傳輸接收端的變頻器。首先設(shè)計(jì)了無(wú)線電能傳輸變頻器的主電路和控制電路，然后提出了雙閉環(huán)控制策略，仿真驗(yàn)證了方法的可行性，最后開(kāi)發(fā)了變頻器樣機(jī)，有效將無(wú)線電能高頻電轉(zhuǎn)變?yōu)楣ゎl電，驗(yàn)證了控制方法的有效性。設(shè)計(jì)的變頻器控制簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、保護(hù)功能齊全，應(yīng)用前景廣闊。

［1］黃學(xué)良，譚林林，陳中，等.無(wú)線電能傳輸技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28(10)：1-11.

［2］Jonghoon Kim，Hongseok Kim，Mijoo Kim，et al.Analysis of EMF noise from the receiving coil topologies for wireless power transfer［J］.2012 Asia-Pacific Symposium on Electromagnetic Compatibility(APEMC)，2012：645-648.

［3］王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［4］馬化盛，張波.AC-AC變換器特性與應(yīng)用研究［J］.開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，2006(9)：5-9.

［5］郝靜，尹維春，孫澄宇.基于 ATT7022B的多功能防竊電三相電能表［J］.東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27(1)：46-48.

［6］陳富，黃大貴，黃逸平.基于 AVR單片機(jī)的數(shù)字正弦逆變電源設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2010，18(8)：165-167.

［7］傅勝陽(yáng)，陳輝明，王正仕.基于AVR單片機(jī)的SPWM控制技術(shù)［J］.機(jī)電工程，2007，24(9)：26-28.

［8］蔡宣三，倪本來(lái).開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)與制作基礎(chǔ)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

Design and application of a frequency transformer for wireless power transmission

Li Jiang1，Ma Teng1，Li Guoqing1，Guo Zhenqi1，Wang Xuebin2
(1.School of Electrical Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China；2.Lanzhou Power Supply Company of State Grid，Lanzhou 730070，China)

The wireless power transmission is a new way of energy transmission.According to the problem of high-frequency energy conversion in the wireless power transmission,the high-frequency transformer of ATmega64 microcontroller as the core is designed.Firstly,combined the characteristics of the wireless power transmission,the main circuit and the control circuit which included the driving circuit,the sampling circuit,protection circuit are designed.Then,based on the PWM control technology,the instantaneous dual-loop control strategy with outer voltage and inner capacitor current is proposed.And the correctness of the method is verified by simulation.Finally,through the development of the prototype,the effectiveness of the frequency transformer is verified.The design of frequency transformer has the core technology of wireless power transmission,which have many advantages such as good stability,low loss,high reliability.

wireless power transmission；frequency transformer；dual-loop control

TM46

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.034

2015-10-27)

李江（1979-），男，博士，副教授，主要研究方向：無(wú)線電能傳輸。

馬騰（1993-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：無(wú)線電能傳輸，E-mail：matengk@126.com。

李國(guó)慶（1963-），男，博士，教授，主要研究方向：無(wú)線電能傳輸。

中文引用格式：李江，馬騰，李國(guó)慶，等.一種無(wú)線電能傳輸變頻器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(4)：124-126，131.

英文引用格式：Li Jiang，Ma Teng，Li Guoqing，et al.Design and application of a frequency transformer for wireless power transmission［J］.Application of Electronic Technique，2016，42(4)：124-126，131.