自適應(yīng)磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)研究

劉宜成，宋俊霖，涂海燕，張軍歌,吳　星

（四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065）

自適應(yīng)磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)研究

劉宜成，宋俊霖，涂海燕，張軍歌,吳星

（四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065）

研究了基于距離檢測(cè)的自適應(yīng)磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)。首先采用耦合模理論分析磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸特性。隨后運(yùn)用ADS仿真軟件和負(fù)載牽引技術(shù)設(shè)計(jì)制作E類功率放大器。然后利用PCB印制平面螺旋電感構(gòu)造高品質(zhì)因數(shù)、高集成度諧振體。針對(duì)頻率分裂現(xiàn)象，采用超聲波傳感器進(jìn)行傳輸距離檢測(cè)，基于專家控制算法提出頻率自適應(yīng)調(diào)節(jié)方案以提高傳輸效率。最后采用FPGA處理器和直接數(shù)字頻率合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻率調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在頻率分裂距離內(nèi)，相對(duì)于固定頻率，提出方案明顯提高了傳輸效率。

無(wú)線電能傳輸；磁耦合諧振；頻率自適應(yīng)調(diào)節(jié)；PCB印制平面螺旋電感；直接數(shù)字頻率合成

0　引言

無(wú)線電能傳輸技術(shù)使得人們得以擺脫令人煩惱的電纜束縛。2007年 MIT提出了磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸(Magnetically Coupled Resonant Wireless Power Transfer，MCR-WPT)，為無(wú)線電能傳輸帶來(lái)了新的突破[1-2]。近幾年國(guó)內(nèi)外對(duì)強(qiáng)磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究[3]。

目前的研究大都集中在傳輸效率與傳輸距離的提升，以及對(duì)線圈結(jié)構(gòu)和線圈材料的設(shè)計(jì)[4]，這些研究大都屬于靜態(tài)下的高效能量傳輸。然而在實(shí)際應(yīng)用中常常會(huì)遇到被供電設(shè)備需要移動(dòng)的情況，而MCR-WPT系統(tǒng)在高效能量傳輸距離內(nèi)存在頻率分裂現(xiàn)象，這就需要MCR-WPT系統(tǒng)能根據(jù)傳輸距離對(duì)傳輸頻率進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)高效的電能傳輸。目前已有文獻(xiàn)針對(duì)MCR-WPT系統(tǒng)頻率分裂現(xiàn)象提出了對(duì)傳輸頻率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的方案[5-7]。這些研究大都通過(guò)檢測(cè)發(fā)射和接收功率，計(jì)算傳輸效率來(lái)進(jìn)行控制。

從MCR-WPT系統(tǒng)的傳輸特性可以看出，系統(tǒng)的頻率分裂是伴隨距離改變發(fā)生的，系統(tǒng)在不同傳輸距離處的最優(yōu)頻率點(diǎn)與距離是一一對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系，測(cè)量距離等同于測(cè)效率，相對(duì)于實(shí)時(shí)檢測(cè)發(fā)射與接收功率，測(cè)量傳輸距離實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單，也更便于應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)中。本文首先基于耦合模理論對(duì)MCR-WPT系統(tǒng)進(jìn)行理論分析，然后使用高集成度PCB印制平面螺旋電感構(gòu)造諧振體，并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)相關(guān)測(cè)試對(duì)理論分析的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。最后利用直接數(shù)字合成技術(shù)[8](Direct DigitalSynthesis，DDS)，以FPGA為處理器設(shè)計(jì)頻率自適應(yīng)調(diào)節(jié)器，并將其加載到傳輸系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的能量傳輸特性進(jìn)行測(cè)試。

1　磁耦合諧振理論分析

磁耦合諧振的基本原理可以用耦合模理論(Coupled Mode Theory，CMT)解釋如下[9]。如圖1，基于耦合模理論，將源諧振體和目標(biāo)諧振體的模式幅度分別用兩個(gè)復(fù)變量 a1、a2表示，進(jìn)一步可以將兩諧振體的能量歸一化為，并且滿足如下方程組[1-2]：

圖1　耦合模理論模型

其中，ω1、ω2分別表示兩諧振體的固有頻率，Γ1、Γ2分別為諧振體的固有損耗率，κ為系統(tǒng)的耦合系數(shù)。

對(duì)于兩個(gè)相同的諧振體，有 ω1=ω2=ω0和 Γ1=Γ2=Γ，由此可得：

這說(shuō)明當(dāng)兩諧振體耦合時(shí)，耦合系統(tǒng)的頻率以2κ被分開，即“頻率分裂”現(xiàn)象，并且耦合越強(qiáng)頻率分裂越厲害。頻率分裂是MCR-WPT系統(tǒng)中比較重要的現(xiàn)象，在強(qiáng)耦合狀態(tài)下系統(tǒng)傳輸效率最高的頻率不再是原來(lái)諧振體的自諧振頻率ω0，而分裂為高低兩個(gè)不同的頻率。兩諧振體之間的距離直接影響耦合系數(shù)κ，隨著距離的改變系統(tǒng)最優(yōu)的工作頻率也將隨之改變。

頻率分裂現(xiàn)象表明：若能根據(jù)傳輸距離對(duì)系統(tǒng)工作頻率進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)，則可以在有效傳輸距離內(nèi)使系統(tǒng)始終保持最高的傳輸效率進(jìn)行無(wú)線電能傳輸。

2　MCR-WPT系統(tǒng)平臺(tái)搭建

2.1系統(tǒng)框架

目前MCR-WPT系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要分為兩類：兩線圈結(jié)構(gòu)和四線圈結(jié)構(gòu)。四線圈結(jié)構(gòu)的MCR-WPT系統(tǒng)如圖2所示。由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的高頻振蕩信號(hào)，經(jīng)過(guò)功率放大器輸出到驅(qū)動(dòng)線圈，驅(qū)動(dòng)線圈通過(guò)電磁感應(yīng)將能量感應(yīng)到發(fā)射諧振體中。發(fā)射與接收諧振體具有相同諧振頻率，發(fā)射諧振體通過(guò)強(qiáng)磁耦合諧振將能量傳輸?shù)浇邮罩C振體中，接收諧振體再通過(guò)電磁感應(yīng)將能量感應(yīng)給負(fù)載線圈，最終將能量傳輸?shù)截?fù)載處。

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2高Q諧振體設(shè)計(jì)

諧振體的品質(zhì)因數(shù)Q主要由電感電容決定，耦合因數(shù)主要由電感線圈的結(jié)構(gòu)和尺寸等決定。如果系統(tǒng)中諧振體的品質(zhì)因數(shù)Q足夠大，在諧振體的體積不是很大的情況下，系統(tǒng)依然可以工作于強(qiáng)耦合狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)高效的中距離無(wú)線電能傳輸[10]。MCR-WPT系統(tǒng)采用的是LC諧振，構(gòu)造高Q諧振體的關(guān)鍵在于高Q電感線圈的設(shè)計(jì)以及高Q電容器的選擇。

本文實(shí)驗(yàn)使用的平面螺旋電感如圖3所示，線圈內(nèi)徑為 96mm，外徑為180mm。諧振體的諧振頻率配置為9.23 MHz。

圖3　平面螺旋電感

2.3功率放大器設(shè)計(jì)

本文選用E類放大器進(jìn)行功率驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。由于MCR-WPT系統(tǒng)存在頻率分裂現(xiàn)象，因此要求功率放大器具有一定的帶寬，E類功率放大器設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：工作頻率：6 MHz～10 MHz；輸出功率≥5 W；效率≥50%；工作電壓20 V。本文采用的開關(guān)管為Microsemi公司的ARF460系列射頻開關(guān)管。E類功率放大器實(shí)物如圖4。由于信號(hào)發(fā)生器不具備帶負(fù)載能力，不能直接連接功率放大器，因此還需要為功率放大器設(shè)計(jì)前級(jí)驅(qū)動(dòng)。本文以凌力爾特公司的LT1210功率電流反饋運(yùn)算放大器為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)前級(jí)驅(qū)動(dòng)。

圖4　E類功率放大器實(shí)物

2.4實(shí)驗(yàn)裝置

搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示，測(cè)試傳輸效果，在20 cm距離時(shí)點(diǎn)亮5 W的LED。

2.5性能測(cè)試

負(fù)載連接50 Ω，測(cè)試系統(tǒng)的傳輸特性，測(cè)試結(jié)果如圖6。

可以看出，系統(tǒng)最優(yōu)頻率隨距離改變而改變。隨著距離的減小，系統(tǒng)最優(yōu)頻率越偏離諧振體固有頻率9.23 MHz，即發(fā)生了頻率分裂；當(dāng)距離增加，系統(tǒng)最優(yōu)頻率恢復(fù)為自諧振頻率，即頻率分裂現(xiàn)象消失。此外傳輸系統(tǒng)的有效傳輸距離與線圈尺寸達(dá)到了同一數(shù)量級(jí)，也說(shuō)明了本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)耦合狀態(tài)下的無(wú)線電能傳輸。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用PCB印制平面螺旋電感制作高Q值諧振體，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)磁耦合無(wú)線電能傳輸是可行性的。平面螺旋電感適用于便攜式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，但目前主要是通過(guò)金屬繞線或薄片制作，而本文通過(guò)在PCB上印制可以進(jìn)一步提高集成度，從而更適用于便攜式應(yīng)用。

圖5　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖6　系統(tǒng)傳輸特性測(cè)試結(jié)果

3　自適應(yīng)MCR-WPT系統(tǒng)設(shè)計(jì)

從上一節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)于一個(gè)固定負(fù)載的MCR-WPT系統(tǒng)，其頻率分裂特性是可以預(yù)知的。圖6可以看出在MCR-WPT系統(tǒng)頻率分裂距離內(nèi)，由于趨膚效應(yīng)設(shè)計(jì)時(shí)采用頻率較低的頻率點(diǎn)(式(2)中的低頻點(diǎn))作為最優(yōu)效率點(diǎn)。同時(shí)可以看出，系統(tǒng)的效率和距離是一一對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系，因此設(shè)計(jì)控制器時(shí)選用距離作為推理量，設(shè)計(jì)出的自適應(yīng)MCR-WPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示?？刂破鞲鶕?jù)外部測(cè)距模塊檢測(cè)發(fā)射諧振體與接收諧振體的距離，然后根據(jù)圖6做出推理并改變系統(tǒng)頻率。

自適應(yīng)控制器需要根據(jù)測(cè)距模塊傳輸回的距離改變輸出頻率，所以控制器必須具備輸出可調(diào)頻率信號(hào)的能力，控制器必須包含信號(hào)發(fā)生器模塊。本文以FPGA作為系統(tǒng)處理器，基于DDS技術(shù)設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制器。

決策表模塊為整個(gè)算法的核心，根據(jù)測(cè)距模塊計(jì)算出的距離，配置DDS模塊的頻率控制字，從而改變系統(tǒng)的輸出頻率。由于超聲波測(cè)距模塊的有效測(cè)量距離為2 cm以上，同時(shí) 2 cm距離比較近，實(shí)用效果不大，本文設(shè)計(jì)時(shí)只考慮距離大于2 cm的情況。決策表參考圖1設(shè)計(jì)，最后設(shè)計(jì)出的決策表如表1所示。

圖7　自適應(yīng)MCR-WPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

表1　決策表設(shè)計(jì)

將自適應(yīng)控制系統(tǒng)加載到MCR-WPT系統(tǒng)上，負(fù)載為50 Ω高頻電阻。調(diào)節(jié)頻率與固定為自諧振頻率對(duì)比測(cè)試結(jié)果如圖8所示。從對(duì)比結(jié)果可以看出，相較于將系統(tǒng)頻率固定在諧振體的自諧振頻率，通過(guò)調(diào)節(jié)頻率，在強(qiáng)耦合距離內(nèi)不同距離處，系統(tǒng)都處于該距離處的最高傳輸效率，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)高效的無(wú)線電能傳輸。由于每次實(shí)驗(yàn)兩線圈的擺放位置會(huì)出現(xiàn)誤差，導(dǎo)致最終階段兩條曲線沒(méi)有重合，但這在允許的誤差范圍內(nèi)。

圖8　頻率控制效果

4　結(jié)論

本文首先基于CMT對(duì)MCR-WPT系統(tǒng)進(jìn)行建模分析。然后搭建由高Q平面螺旋電感組成的系統(tǒng)，并驗(yàn)證了理論推導(dǎo)結(jié)果。最后，設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制系統(tǒng)，并將系統(tǒng)加載到MCR-WPT系統(tǒng)中，測(cè)試系統(tǒng)工作特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于固定頻率，系統(tǒng)的傳輸效率得到明顯改善。相關(guān)研究自適應(yīng)頻率調(diào)節(jié)方法需要在線檢測(cè)發(fā)射和接收功率，計(jì)算傳輸效率來(lái)進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，本文提出通過(guò)超聲波測(cè)距來(lái)對(duì)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，因而更易于技術(shù)實(shí)現(xiàn)，并且開發(fā)成本更低，從而更便于應(yīng)用。此外本文采用PCB印制平面螺旋電感制作高集成度、高Q諧振體，這對(duì)于便攜式無(wú)線電能傳輸具有重要意義。

[1]KURS A，KARALIS A，MOFFATT R，et al.Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances[J].Science，2007，317(5834)：83-86.

[2]KARALIS A，JOANNOPOULOS J D，SOLJACIC M.Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer[J].Annals of Physics，2008，323：34-48.

[3]趙爭(zhēng)鳴，張藝明，陳凱楠.磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)新進(jìn)展[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(9)：1-13.

[4]黃曉生，陳為.線圈高頻損耗解析算法改進(jìn)及在無(wú)線電能傳輸磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30(8)：62-70.

[5]BEH T C，KATO M，IMURA T，et al.Automated impedance matching system for robust wireless power transfer via magnetic resonance coupling[J].Industrial Electronics，IEEE Transactions on，2012，60(9)：3689-3698.

[6]LEE W S，LEE H L，OH K S，et al.Switchable distancebased impedance matching network for a tunable HF system[J].Progress In Electromagnetics Research，2012，128：19-34.

[7]KIM N Y，KIM K Y，KIM C.Automated frequency tracking system for efficient mid-range magnetic resonance wireless power transfer[J].Microwave and Optical Technology Letters，2012，54(6)：1423-1426.

[8]高士友，胡學(xué)深，杜興莉，等.基于 FPGA的 DDS信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009(16)：35-37.

[9]HAUS H A.Waves and fields in optoelectronics[M].1984.

[10]宋俊霖，劉宜成，趙耀，等.面向便攜式電子設(shè)備的無(wú)線電能傳輸研究[J].電力電子技術(shù)，2014，48(10)：64-66.

Research of adaptive magnetically coupled resonant wireless power transfer system

Liu Yicheng，Song Junlin，Tu Haiyan，Zhang Junge，Wu Xing
(School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China)

This paper addresses adaptive Magnetically Coupled Resonant Wireless Power Transfer(MCR-WPT)system based on distance detection.Firstly transmission characteristics is analyzed for the MCR-WPT system using coupled mode theory.Subsequently, a class E power amplifier is designed by employing ADS and load-pull technology.Then a high Q highly and integrated resonator is constructed with PCB printed planar spiral inductor.Aiming at the phenomenon of frequency splitting,transmission distance is measured by an ultrasonic sensor,and an adaptive frequency adjustment scheme is proposed to improve transmission efficiency based on Expert Control algorithm.A FPGA processor and Direct Digital Synthesis technology are applied to implement dynamic frequency adjustment.The experimental results show that the transmission efficiency of the proposed scheme is significantly improved in the frequency splitting range compared with a fixed frequency one.

wireless power transfer；magnetically coupled resonant；adaptive frequency adjustment；PCB printed planar spiral inductor；direct digital frequency synthesis

TN75；C34

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.10.036

（2016-03-21）

劉宜成（1975-），男，博士，副教授，主要研究方向：無(wú)線電能傳輸、機(jī)器人建模、軌跡規(guī)劃與控制。

宋俊霖（1990-），男，碩士，主要研究方向：無(wú)線電能傳輸。

涂海燕（1971-），通信作者，女，博士，副教授，主要研究方向：智能控制，E-mail：haiyantu@163.com。

中文引用格式：劉宜成，宋俊霖，涂海燕，等.自適應(yīng)磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42 (10)：138-141.

英文引用格式：Liu Yicheng，Song Junlin，Tu Haiyan，et al.Research of adaptive magnetically coupled resonant wireless power transfer system[J].Application of Electronic Technique，2016，42(10)：138-141.