無線能量傳輸耦合器測試平臺的研究與實現

摘 要:為滿足對耦合器的頻繁、大量實驗測試需求，獲取最優無線能量傳輸耦合器，本文提出并實現了一種便捷的無線能量傳輸耦合器測試平臺，該測試平臺提供了耦合器測試所需的各類相關環境，能夠實現對輸入端、輸出端電壓電流的實時監測，并具有人機界面對被測試的耦合器進行理論仿真、性能評估等，可大幅降低耦合器設計的復雜度。借助該測試平臺，本文完成了一種應用于水下非接觸式無線能量傳輸的耦合器的制作，實驗結果證明了該測試平臺的有效性與通用性。

關鍵詞:無線供電 電磁耦合 耦合器 測試平臺

中圖分類號:O437文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)02(c)-0008-02

引言

無線供電技術雖然早在百年以前就已經有人提出，但是與現今如火如荼的無線通信發展形勢相比，其真正的能作為一種實用的新興技術還是最近的十年。無線供電技術的發展主要得益于計算機仿真技術的發展和相關電子器件的制造工藝的進步。與傳統的導線連接相比，無線連接可以避免裸露導體的導電危險和接觸火花的危險，同時它提高了設備的移動動作靈活性，免去線纜拖曳的活動的累贅，拓展用電設備的應用領域。

目前，無線能量傳輸實現方式主要有三種:電磁耦合，電磁輻射，電磁諧振。一般來說電磁諧振的傳輸功率最大，電磁輻射的距離最遠，而電磁耦合的穩定性最好。同時電磁諧振的諧振頻率的控制較難，易受到微小參數漂移影響，電磁輻射則在應用場合有嚴格限制，存在危害人身安全的隱患，而電磁耦合雖然在功率方面不一定是最大，但其表現的穩定性較好，實現較為便捷[1]，因此，電磁耦合在許多對功率大小或傳輸效率要求不高的場合，如無線充電器[2]、人體內微小醫療系統[3]、水下非接觸式供電系統[4]等，均獲得了廣泛應用。

在基于電磁耦合的無線能量傳輸系統中，耦合器的性能至關重要，直接決定了系統的電能傳輸效率。盡管耦合器的參數設計可結合理論分析借助仿真工具實現，但由于理論模型均經過高度抽象簡化，難以直接應用于復雜的實際環境，因此，在耦合器的設計制作過程中，大量的實驗測試是必須的。通過反復實驗，發現理論模型應用于實際環境中出現的問題，以不斷調整各項參數，實現適合當前應用環境的最優耦合器，是目前耦合器設計的通用方法。針對耦合器設計過程中的頻繁、大量實驗測試需求，本文提出并設計、實現了一種便捷的無線能量傳輸耦合器測試平臺，該測試平臺可提供耦合器測試所需的各類相關環境，如提供幅值、頻率可變的功率電壓輸入，能實現對輸入端電壓電流和輸出端電壓電流的實時監測，具有人機界面對被測試的耦合器進行理論仿真、性能評估等。

1 系統簡介

無線能量傳輸耦合器測試平臺主要包含以下幾個模塊:功率因素調整和整流變壓模塊，逆變模塊，控制監測模塊，后端負載、監控PC機以及監控軟件。在應用該測試平臺進行耦合器設計時，應遵從如下步驟:(1)根據耦合器的應用環境，如頻率、氣隙、電壓、功率等得到相關的耦合器理論設計參數；(2)借助監控PC機上的仿真工具對理論參數進行論證；(3)根據理論參數制作耦合器實物或根據實測數據對原有實物進行改進；(4)實物放入測試平臺進行實驗測試；(5)在監控PC機上獲取實測數據，對數據進行分析，獲得耦合器改進方案；(6)重復(3)～(5)，直至獲得最優耦合器實物。

2 系統設計

系統設計涉及到的方面比較多，下面將偏重下位機相關軟硬件的設計特色進行闡述，主要包括功率部分，耦合拓撲，濾波，控制電路。

2.1 功率部分

對進入的三相交流電源，首先通過PQAiii電源模塊做功率補償與整流穩壓，以得到0～1000V最大持續電流6A可變直流電源，輸出至逆變器。逆變器將逆變后的高頻交流電源經過無線耦合器發送接收后，得到的能量經過整流穩壓輸出給最終負載。同時，PWM控制信號通過波形整形、功率驅動和后端再次整形電路后輸入構建成H橋的高速MOS管柵極，對直流電流實現逆變。

其中前端的波形整形電路采用的是兩路6N137高速光耦，最快可實現10Mbit/s傳輸速率，另一方面光耦可以有效避免后端電路損毀時高壓對控制核心的威脅。后端的推動MOS動作的電路采用的是IR2110驅動芯片。IR2110是雙路MOS驅動芯片自舉電路，其上臂自舉電路能減少所需的驅動電源數目，廣泛應用在各種MOS管與IGBT驅動電路中。IR2110同時帶有關斷功能，外部控制電路可以在認為有必要的時候切斷IR2110的驅動電源輸出，關斷MOS管。

常見的一種兩路MOS管的驅動SPWM電壓信號，還可以根據實際需要設計各種PWM輸出波形，以驅動H橋將直流電壓逆變成為所需的正弦電源，提供給無線耦合器使用。同時仔細對比上下波形可發現兩波形中有死區存在。驅動信號的頻率、死區、載波頻率均可以按實驗實際需要對MCU STM32的PWM控制器進行設計，保證其輸出的MOS驅動信號平整光滑。

2.2 耦合拓撲

平臺采用的是全橋式的逆變結構，與半橋逆變電路相比，具有逆變功率大，MOS管所需的耐壓較小，耦合器利用效率更高等優勢。補償電容與耦合器連接方式采用初級次級均并聯的方式。

如圖1所示。

根據上述拓撲結構，經過推算可以得到電壓增益為:

其中，，，，，。

為耦合器原副邊之間的互感，為逆變的角頻率。

可見，在特定的耦合器拓撲結構連接下對傳輸電壓增益的影響因素有很多，如原副邊的電感，電容，耦合系數，負載，工作頻率等。同理，其他拓撲結構(如原邊電感電容并聯，副邊電感串聯；原邊串聯，副邊并聯；原邊串聯，副邊串聯)都可以求出其電壓增益函數。這些拓撲結構下的電壓增益函數雖然各不相同，但均與第一種一樣有很多的相關系數。這也是無線能量傳輸耦合器設計中最大的難點所在，理論計算值跟實際參數值總會存在較大差異，比如等值很難具體測算，從而導致設計困難。

2.3 低通濾波器

系統的待測電源電壓的變化相對緩慢，考慮到系統在工作過程中會產生大量的干擾，如電脈沖對直接反饋對電源的干擾，EMS干擾等。為了盡可能抑制這些干擾，更好的測量電路參數，實際電路應用中將濾波測量電路獨立制板，以有效的隔離逆變電路對測量電路的影響。同時，考慮到一階濾波電路的過渡帶較寬，濾波效果較差，本文采用的濾波電路為如圖2所示的二階低通濾波電路。

圖2所示的二階低通濾波電路有正負兩條反饋路徑。當信號頻率趨近零時，的電抗趨于無窮大，因而正反饋很弱；當信號頻率趨于無窮大時，由于的電抗趨于零，因而趨于零。取，則可以根據電路計算得到電壓放大倍數為

其中:，

整理后的幅頻響應關系為:

其中:

當時，；當時，；

由此可知二階低通濾波器的特性要明顯優于一階低通濾波器，能獲得更好的濾波隔離效果。

2.4 控制部分

實驗平臺中控制監測模塊所采用的嵌入式處理器型號為STM32F103。此芯片是一款高性價比的32位ARM芯片，在哈佛架構上實現1.25DMIPS/MHz單周期乘法和硬件除法[5]。其自帶的3通道6路互補PWM控制器可以提供向上計數，向下計數，循環計數，輸出比較，提供互不輸出與死區插入等PWM產生方式，對于逆變控制而言方便快捷。其16通道的12位AD最快到達0.11μs的采樣周期，能快速的對各種信號量進行測量。平臺應用此芯片實現了對輸入輸出電壓電流的實時監控，同時留有兩路備用通道滿足臨時的觀測需要。與控制電源模塊和上位機采用串口通信，可以方便的控制輸入電源電壓電流，并將實時測量的電壓電流值發送給監控PC端的監控軟件，同時可接收來自PC端的控制命令。

具體的固件架構如圖3所示。下位機主要實現以下6個任務:

任務一:Usart1開啟，接收上位機的數據，對數據進行解析，得到命令及其命令參數。配置好相關參數，并觸發對應的任務執行。此任務為常駐的任務，系統開始運行后，立即執行，此任務常駐內存不退出，優先級中。

任務二:通過Usart2向PQAiii發送電源設置參數，數據格式由PQAiii決定。具體參數可以是默認值或是由任務一根據接收的數據設置。此任務在成功配置后，自動自我刪除，任務優先級低。

任務三:配置各個PWM控制器包括:具體的頻率，死區設置，關斷設置，具體參數可以是默認值或是由任務一根據接收的數據設置。此任務在成功配置后，自動自我刪除，任務優先級高。

任務四:配置AD，DMA:設置AD采樣頻率，觸發模式等；DMA的傳輸方式，取值地址(AD保存地址)，發送地址(Usart1的發送寄存器)。使用DMA實現AD采樣數據發送能設置完成后，不會AD數據發送過程將不再占用CPU運算時間，能最大限度的提高CPU的效率。具體參數可以是默認值或是由任務一根據接收的數據設置。此任務在成功配置后，自動自我刪除，任務優先級低。

任務五:根據LED的點亮數目顯示當前工作狀態，狀態轉變由任務一觸發。任務運行后，通過查詢相關寄存器的狀態，來改變顯示狀態，任務不退出，優先級低。

任務六:提供一種緊急關斷功能，在Usart1的通信失敗的情況下，可以用此鍵進行強制關斷功能:關斷PWM信號輸出。關斷所用MOS管驅動輸出。任務有高優先級，由任務一觸發執行，接收來自按鍵的外部中斷信號。

3 實驗結果

無線能量傳輸耦合器測試平臺的實物中，監控PC端運行的監控軟件界面所示。借助該無線能量傳輸耦合器測試平臺，本文完成了一種應用于水下的非接觸式無線能量傳輸耦合器的設計和制作。該耦合器經過測試平臺的反復實驗測試，達到了能量傳輸效果的最優。實驗結果表明，若耦合器采用GU50磁芯，則當輸入電壓為100V(100kHz)時，可在水下5mm氣隙內點亮60W燈泡，實現最大350W的功率輸出。

4 結論

本文提出并實現了一種可用于耦合器輔助設計制作的無線能量傳輸耦合器測試平臺，并針對該測試平臺的功率供給，耦合拓撲，濾波，驅動電路、控制電路以及控制固件等展開了詳細論述。該測試平臺可提供耦合器測試所需的各類相關環境，通過參數的不斷調整與反復測試實現耦合器的最優化設計，極大地改善了耦合器設計過程中由于理論模型與實際應用環境差異過大導致的不確定性，從而大幅降低了耦合器設計的復雜度。實驗結果證實了該測試平臺的有效性，可廣泛應用于各類基于電磁耦合的能量傳輸耦合器的設計制作。

參考文獻

[1]杜貴平等.感應耦合式電能無線傳輸發展及其亟待解決的關鍵問題[J].國際電子變壓器，2009.

[2]黃潔琳，張磊.無線充電器的設計[J].山西電子技術，2009.

[3] 馬官營，顏國正，何秀.基于電磁感應的消化道內微系統的無線供能[J].上海交通大學學報，2008.