水下自主航行器非接觸式充電系統頻率控制

唐 凡，張克涵，嚴衛生，宋保維

(西北工業大學航海學院，陜西西安 710072）

水下自主航行器非接觸式充電系統頻率控制

唐 凡，張克涵，嚴衛生，宋保維

(西北工業大學航海學院，陜西西安 710072）

水下自主航行器(AUV）非接觸式充電系統通過補償電容與系統電感的諧振作用，使系統的功率因數達到最大，以實現電能的高效傳輸。在深海環境下，系統初、次級磁芯在受到水流沖擊后會產生偏心和間隙，引起耦合系數發生變化，系統的諧振頻率點也會發生改變，充電能力下降。本文研究在水流沖擊作用下，通過頻率控制使系統始終在諧振頻率點運行以提高系統的傳輸能力，并提出了基于鎖相環控制的AUV非接觸式充電系統的頻率控制實現方式。

非接觸式;頻率控制;水流沖擊;頻率;鎖相環

0 引言

水下自主航行器 (AUV）與海底基站對接［1］，在水下完成充電是增加AUV水下作業時間、提高工作效率和增加隱蔽性的有效措施。非接觸式充電系統在電源側和負載側的電路完全隔離，通過線圈之間的電磁耦合將電能以無接觸的方式進行傳輸，兩側電路可獨立封裝，不僅消除了摩擦和漏電的危險，而且采用簡單的密封方式可獲得理想的防水耐壓效果。因此，在水下尤其是深海條件下，非接觸式充電系統具有更高的安全性和可靠性，更適合在AUV上應用。

1 系統模型的建立及分析

典型的AUV非接觸式充電系統如圖1所示，交流電經整流濾波后成為直流電，經過高頻逆變給初級繞組提供高頻交流電，將在次級繞組感生出同頻率的交變電流;同理，次級繞組感生出的交變電流經過整流濾波后，再為用電設備供電。

圖1 AUV非接觸式充電系統電路原理圖Fig.1 Schematic circuit diagram of contactless charging system of AUV

由于AUV非接觸式充電系統的分離式結構，漏電感大，功率因數小，系統的傳輸能力弱，因此需要采用補償技術通過補償電容與系統電感的諧振作用，使系統的功率因數達到最大，以實現電能的高效傳輸。在深海高壓條件下，系統的對接完全自動完成，為了提高系統的使用壽命，其對接需要較大的冗余，初、次級磁芯在受到水流沖擊后會產生偏心和間隙，如圖2所示［2－3］，磁芯偏離對耦合系數產生較大影響，系統的諧振頻率點也會發生改變，充電能力下降。為了提高系統的自適應能力，采用頻率控制可以控制系統一直運行在電源端負載阻抗的零相角頻率點，降低對電源的視在功率要求，提高系統的傳輸能力。

圖2 耦合系數隨磁芯間隙和偏芯的變化曲線Fig.2 The curve of coupling coefficientwith the core gap and the eccentricity

AUV非接觸式充電系統典型的補償結構為初級串聯電容與次級并聯電容補償SP結構，其互感電路模型和初級反映阻抗模型如圖3所示。其中LP和LS分別為初級線圈和次級線圈的自電感，M為兩線圈之間的互感，RP和RS分別為初級線圈和次級線圈的內阻，CP和CS分別為初級側和次級側的補償電容，RL為負載電阻，w為交流電角頻率，Zt和Zr為系統阻抗與次級側反映阻抗。

圖3 SP結構互感電路模型和次級側反映阻抗模型Fig.3 Mutual inductance circuitmodel and secondary reflect impedancemodel of SP structure

次級側反映阻抗表達式為

式中:Rz和Xz為反映電阻和反映電抗，反映電阻從初級側吸收的功率即為負載消耗的功率，代表了系統的功率傳輸能力。Rz，Xz，Zt的表達式為:

當次級側并聯電容時，得到次級回路本身發生諧振時補償電容值為

利用初級等效電路發生諧振，可得到初級補償電容值為

取系統模型參數為LP=LS=0.2 mH，RP=RS=0.03Ω。設計系統K為0.75，考慮系統的體積和鐵氧體磁芯的工作頻率［4］，工作頻率 f取為100 kHz左右，由式(6）和式(7）得到補償電容值CP=27.995 nF，CS=12.665 nF。不計鐵芯損耗，得到系統的傳輸效率、功率因數和系統阻抗模隨耦合系數K和工作頻率f變化的曲線如圖4所示。

圖4 系統性能曲線 (RL=200Ω）Fig.4 System performance curve(RL=200Ω）

由圖4(a）可知，當耦合系數較大時，系統的傳輸效率不易受頻率影響;當耦合系數較小時，系統的傳輸效率受頻率影響較大。由圖4(b）可知，由磁芯偏離引起的耦合系數變化對系統的功率因數影響很大，在不同的K值處，系統的最佳工作頻率點會不同。在電壓源條件下，系統阻抗模越小，視在功率就越大，由圖4(c）可知，系統在100 kHz附近，耦合系數變化對系統的視在功率影響很大。因此，通過對AUV非接觸式充電系統實現頻率控制是改善系統性能的必要措施。

2 頻率選擇及分析

由式(3）和式(5）可知，當耦合系數發生變化時，可能出現多個諧振頻率點，使系統的頻率控制發生混亂，可能導致系統不穩定［5］。對于頻率分叉現象，文獻 ［6－7］作了仔細分析。

在不同的諧振頻率點上，系統的功率因數均達到最大。視在功率最大的頻率點，就是系統的傳輸功率最大的頻率點。如圖5所示，對應不同的耦合系數K值，系統的0相角點個數不同。當K=0.7時，系統有3個諧振頻率點，第2頻率點的阻抗模最大，可作為電流源頻率控制的最佳頻率，第1頻率點和第3頻率點阻抗模較小，可作為電壓源頻率控制的最佳頻率。當K=0.9時，系統有2個諧振頻率點，第1頻率點阻抗模較小，可作為電壓源頻率控制的最佳頻率，第2頻率點阻抗模較大，可作為電流源頻率控制的最佳頻率。因此，在電壓源的條件下，將具有多諧振頻率點的系統的第1諧振頻率點作為工作頻率可以獲得較高的傳輸能力。

圖5 系統相位角和阻抗模頻率特性曲線 (RL=200Ω）Fig.5 Frequency characteristic curves of phase angle and impedancemodulus(RL=200Ω）

重新設計補償電容值CP為14.643 nF，CS為5.271 7 nF，系統的相位角和系統阻抗模頻率特性曲線如圖6所示。當耦合系數K變化時，系統的第1諧振頻率可控制在90～100 kHz范圍內，系統阻抗模的值較小，在電壓源條件下可以獲得較大的輸出功率。由圖6(a）可知，在90～100 kHz范圍內，耦合系數K值越大，系統的諧振頻率就越大。

圖6 系統相位角和阻抗模頻率特性曲線 (RL=200Ω）Fig.6 Frequency characteristic curves of phase angle and impedancemodulus(RL=200Ω）

3 頻率控制策略及穩定性分析

基于鎖相環控制的AUV非接觸式充電系統如圖7所示，鑒相器(PD）把輸入信號UP和IP的的相位進行比較，輸出的電壓信號是相位誤差的度量［8］。該誤差電壓信號由環路濾波器(LF）進行濾波后，被用作控制電壓送入壓控振蕩器(VCO），通過驅動電路改變高頻逆變器的頻率，以減小UP和IP的相位誤差。因此，通過鎖相環控制的AUV非接觸式充電系統可以實現頻率控制，并且在一定頻率范圍內能夠追蹤諧振頻率。

圖7 AUV非接觸式充電系統頻率控制原理圖Fig.7 Frequency control diagram of contactless charging system of AUV

基于鎖相環的頻率控制模塊的傳遞函數結構如圖8所示，其開環傳遞函數C(S）表達式為

圖8 頻率控制模塊傳遞函數結構框圖Fig.8 Transfer function block diagram of frequency controlmodule

G(S）的Bode圖如圖9所示，由圖9可知，基于鎖相環的頻率控制模塊是穩定的。當系統工作在諧振狀態時，UP和IP的相位相同，PD輸出為0，LF輸出的控制電壓為0，VCO的頻率保持不變，驅動電路無動作，系統穩定在諧振狀態;當系統受水流沖擊作用偏離諧振狀態時，UP和IP的相位差輸入PD，經LF濾波后，從而改變VCO的頻率，通過驅動電路控制高頻逆變器的開關管頻率變化，直至UP和IP同相位，系統重新回到諧振狀態。

圖9 開環傳遞函數Bode圖Fig.9 Bode diagram of the open-loop transfer function

4 結語

AUV非接觸式充電系統在水流沖擊條件下，耦合系數發生變化，偏離諧振頻率點時，通過頻率控制保證系統始終工作在諧振狀態，使系統的傳輸能力達到最大，這對AUV非接觸充電技術的實際應用具有重要意義。

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Research on frequency control of contactless charging system of AUV

TANG Fan，ZHANG Ke-han，YANWei-sheng，SONG Bao-wei
(School of Marine Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China）

Through resonance oscillation between compensating capacitor and system inductance，the power factor of the contactless charging system of AUV ismaximized，and thus the realization the high-efficient transmission of electrical energy.In deep-sea environment，eccentricity and space will be created in the primary and secondarymagnetic core of the system under the impact of water，which result in the change of coupling factor and the resonant frequency，and untimately lead to the decrease of charging capability.In this thesis，the author tries to study how tomaintain the running of the charging system through the control of frequecy under the impact ofwater，and thus the improvement of the transmission capacity;what'smore，the author also puts forward themethods to realize the frequency control of contactless charging system of AUV under the control of PLL.

contactless;frequency control;water impact;frequency;PLL

TM762

A

1672－7649(2013）02－0043－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2013.02.010

2012－07－30;

2012－09－11

唐凡(1987－），男，碩士研究生，研究方向為控制理論與控制工程。

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