FPGA的磁耦合諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(遵義鋁業(yè)股份有限公司，遵義 563000)

引 言

目前，由于無線能量傳輸系統(tǒng)無需接觸式電氣連接、自動化程度高、無需人工操作等優(yōu)點(diǎn)受到關(guān)注[1]，其已經(jīng)被用于電動汽車[2]、工業(yè)機(jī)器人[3]、植入式醫(yī)療設(shè)備[4]、水下設(shè)備[5]等充電及供電操作。本文提出了一種以FPGA為控制芯片的串串結(jié)構(gòu)無線能量傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案,實(shí)現(xiàn)了原邊恒流輸出控制與系統(tǒng)諧振頻率跟蹤，提升了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1 無線能量傳輸系統(tǒng)基本原理

基本的無線能量傳輸系統(tǒng)主電路通常由以下幾部分構(gòu)成：低頻整流及濾波電路、DC-DC電路、高頻逆變電路、諧振電路、高頻整流及濾波電路、負(fù)載。系統(tǒng)通過低頻整流電路從電網(wǎng)獲取能量并轉(zhuǎn)化為直流電源，通過DC-DC電路調(diào)節(jié)高頻逆變電路的輸出電流，高頻逆變電路將直流電源的能量轉(zhuǎn)化為高頻交流電流并通過磁耦合諧振電路將能量輸送至副邊電路。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 無線能量傳輸系統(tǒng)原理框圖

在進(jìn)行理論分析時，系統(tǒng)電路可等效為如圖2所示的電路模型。

圖2 無線能量傳輸系統(tǒng)電路模型

系統(tǒng)電源等效為一個輸出電壓為方波的高頻交流電壓源，根據(jù)一次諧波等效原理，方波電源輸出的高頻方波電壓可以近似為高頻正弦交流電，計(jì)算方法為：

(1)

其中，Uin為高頻逆變電路的直流供電電壓，D=0～1為占空比，ω為輸出角頻率，根據(jù)基爾霍夫電壓電流定律有：

(2)

(3)

其中：

(4)

可以看出，影響原邊電流與系統(tǒng)諧振狀態(tài)的因素很多，如原邊虛部X1、副邊虛部X2、負(fù)載RL_eq、輸出頻率ω等，對于無線能量傳輸系統(tǒng)來說，原副邊設(shè)備沒有直接的電氣連接與信號連接，所以原邊恒流輸出是一種比較穩(wěn)定的解決方案，同時維持系統(tǒng)的諧振狀態(tài)對于系統(tǒng)穩(wěn)定性與能效特性也尤為重要。如果要實(shí)現(xiàn)原邊電流恒定，只需調(diào)節(jié)高頻逆變電路的直流供電電壓Uin即可，而維持系統(tǒng)的諧振狀態(tài)，通常的方法是通過調(diào)節(jié)輸出頻率來達(dá)到調(diào)節(jié)原邊輸出電壓與電流的相位的目的。

圖3 無線能量傳輸系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)電路硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)電路方案設(shè)計(jì)

由圖3可知，系統(tǒng)控制電路主要由FPGA控制器電路、高速A/D電路、IGBT驅(qū)動電路、霍爾電流傳感器電路構(gòu)成。FPGA控制器為IGBT驅(qū)動電路提供PWM信號，對主電路進(jìn)行控制，使原邊輸出電流穩(wěn)定在期望值，調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行頻率，保持系統(tǒng)諧振狀態(tài)；同時，不斷檢測系統(tǒng)各部分的運(yùn)行狀態(tài)，一旦系統(tǒng)某部分發(fā)生故障，立即進(jìn)行相應(yīng)處理,對各部分電路進(jìn)行保護(hù)并輸出系統(tǒng)故障信息。

系統(tǒng)通過霍爾電流傳感器不斷將原邊輸出電流輸送至高速A/D電路，并由FPGA進(jìn)行采集，通過不斷調(diào)整DC-DC電路的PWM信號占空比來調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出電流。同時，通過高速A/D采集電路可以實(shí)時監(jiān)測輸出電壓與電流的相位關(guān)系，通過不斷調(diào)整高頻逆變電路的輸出頻率來保持系統(tǒng)諧振狀態(tài)。

2.2 逆變模塊及大功率DCDC模塊設(shè)計(jì)

在WPT系統(tǒng)中，耦合機(jī)構(gòu)通過高頻交變磁場實(shí)現(xiàn)能量傳輸，所以發(fā)射端線圈中需要高頻勵磁電流，系統(tǒng)主電路采用的是三級能量變換結(jié)構(gòu)，使用工頻整流橋從電網(wǎng)獲取能量，利用大功率DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)輸出電流調(diào)控，使用單相橋式逆變電路實(shí)現(xiàn)高頻電流輸出，控制器FPGA芯片提供PWM控制信號。系統(tǒng)開關(guān)器件采用英飛凌公司的100 A/1200 V IGBT，配合落木源公司生產(chǎn)的驅(qū)動芯片K962，構(gòu)成大功率DC-DC及逆變主回路。220 V工頻交流電通過整流濾波后，變?yōu)?10 V直流電，再經(jīng)過DC-DC變換電路后送入高頻逆變模塊，可以得到所需要的單相高頻交流電源，用于耦合機(jī)構(gòu)的諧振電流。

在FPGA控制器中，通過外部I/O端口提供5路PWM信號，其中一路供給DC-DC變換電路，其余4路提供給高頻逆變電路，受到開關(guān)器件使用頻率的限制，故DC-DC變換使用的開關(guān)頻率選為16 kHz，高頻逆變電路開關(guān)頻率選用18～22 kHz。主電路形式如圖3所示，F(xiàn)PGA通過I/O端口將PWM信號送入IGBT驅(qū)動芯片K962，驅(qū)動芯片輸出高電平為+14.5 V，低電平為-8.5 V的驅(qū)動電壓，保證IGBT可靠的開通與關(guān)斷。K1～K4構(gòu)成高頻逆變電路，上下橋臂不允許同時導(dǎo)通，所以在提供4路驅(qū)動信號時，上下橋臂的控制信號需要留有適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)時間，防止上下橋臂同時導(dǎo)通燒毀開關(guān)器件。

2.3 控制器最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

選用的FPGA控制芯片型號為EP4CE6E22C8，其I/O端口供電為3.3 V，內(nèi)部鎖相環(huán)電路模擬部分供電電壓為2.5 V，內(nèi)核供電電壓為1.2 V，對于工業(yè)控制系統(tǒng)來說，廣泛使用的電平標(biāo)準(zhǔn)為24 V，可以使用隔離DC-DC模塊將24 V直流電源轉(zhuǎn)換為+5 V電平，再通過集成穩(wěn)壓芯片LM1117-3.3，LM1117-2.5，LM1117-1.2分別獲得FPGA供電電源所需的三種電平，硬件電路如圖4所示。

圖4 控制器供電電源電路

FGPA內(nèi)部沒有集成振蕩電路，需要外部提供時鐘源，目前比較常用的是50 MHz的有源晶振，如圖5所示，外部提供的時鐘源可通過FPGA內(nèi)部的PLL 獲得所需的時鐘頻率。

圖5 外部時鐘震蕩電路

圖6 負(fù)壓產(chǎn)生電路

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路需要外擴(kuò)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。在此系統(tǒng)中，選用ADI公司生產(chǎn)的12位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD9226。其在選擇內(nèi)部2 V基準(zhǔn)電壓的情況下，輸入電壓范圍為1～3 V，所以必須將傳感器回傳的電壓信號進(jìn)行預(yù)處理，目前使用的電流霍爾傳感器回傳的信號通常為±5 V，所以前端預(yù)處理電路一般需要±5 V供電，電路中已有+5 V供電電源，所以僅需要將+5 V電源轉(zhuǎn)換為-5 V電源即可。LM2663為電荷泵型開關(guān)電容器電壓轉(zhuǎn)換器，僅需兩個電容器即可實(shí)現(xiàn)電壓反轉(zhuǎn)的功能。所使用的電路如圖6所示，為了降低輸出紋波，在輸出端增加了π型濾波電路。

高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路如圖7所示，電路被設(shè)計(jì)成直流耦合方式，使用AD9226內(nèi)部2 V基準(zhǔn)源并設(shè)計(jì)成單端模式，輸入電壓范圍為1～3 V(2Vp-p)。在本系統(tǒng)中，輸出電流采樣使用霍爾電流傳感器，其輸出電壓為±5 V，所以需要將霍爾傳感器輸出電壓調(diào)整至A/D芯片可接受的電壓范圍。電路通過U12A(OPA2690)跟隨A/D芯片內(nèi)部2 V基準(zhǔn)，送至U12B(OPA2690)的同相輸入端，構(gòu)成加法電路，實(shí)現(xiàn)對輸入電壓的抬升。在信號輸入端，使用R34、R32進(jìn)行分壓，將±5 V信號分壓至±0.5 V，經(jīng)過U13B跟隨送入加法器電路，選取R41=R42=10 kΩ，在實(shí)現(xiàn)信號2 V抬升的同時實(shí)現(xiàn)信號兩倍放大，這樣就能實(shí)現(xiàn)外部±5 V信號全范圍轉(zhuǎn)換為1～3 V信號供A/D芯片采集。

3 控制器軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的核心功能有兩個部分：原邊恒流控制和諧振頻率跟蹤。控制系統(tǒng)采用雙環(huán)運(yùn)行方式，分別為電流環(huán)與頻率環(huán)，如圖8所示。

系統(tǒng)電流環(huán)作用于DC-DC變換模塊電路，通過調(diào)整PWM信號的占空比實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出電流的調(diào)節(jié)。頻率環(huán)作用于逆變電路，通過改變輸出頻率，達(dá)到系統(tǒng)諧振狀態(tài)跟蹤的作用。

系統(tǒng)輸出電流檢測主要由霍爾電流傳感器與高速A/D電路完成，霍爾電流傳感器選用萊姆公司生產(chǎn)的LA100P霍爾電流傳感器，電流變換比為1:1000，使用外部50 Ω精密采樣電阻情況下，對交流有效值100 A的輸出電流采樣可以獲得±5 V的同步交流信號輸出。通過高速A/D電路的實(shí)時采樣以及FPGA的并行數(shù)據(jù)處理能力，即可實(shí)時計(jì)算輸出電流的有效值，供后續(xù)PID控制器調(diào)控系統(tǒng)輸出電流。

圖7 高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

圖8 系統(tǒng)控制方案框圖

當(dāng)輸入信號為0 V時，A/D電路輸出值為2 048，也即數(shù)據(jù)的最高位表示輸入信號的正負(fù)，當(dāng)數(shù)據(jù)的最高位為1時，表示輸出電流為正，當(dāng)數(shù)據(jù)最高位為0時，表示輸出電流為負(fù)。所以可以利用A/D數(shù)據(jù)的最高位與高頻逆變電路其中一路驅(qū)動信號進(jìn)行系統(tǒng)輸出電壓與電流相位檢測。將相位信息送入頻率環(huán)PID控制器后，調(diào)節(jié)信號輸出頻率實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)諧振狀態(tài)跟蹤。

結(jié) 語