非接觸感應(yīng)供電技術(shù)及其在扭矩測試中的應(yīng)用

摘 要： 非接觸感應(yīng)供電結(jié)合了電子電力技術(shù)與電磁感應(yīng)耦合技術(shù)，已在電動汽車、手機充電及機器人等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。通過對非接觸感應(yīng)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理的分析，研究了原、副邊電路的補償以及頻率選擇等關(guān)鍵技術(shù)，得出了原、副邊補償電容的計算方法。根據(jù)扭矩測試的供電需求設(shè)計了具體電路，并對設(shè)計電路的輸出電壓進行了測試，結(jié)果表明，在一定距離范圍內(nèi)本供電電路能夠滿足扭矩測試的供電需要，為扭矩測試供電提供了新思路。

關(guān)鍵字： 非接觸感應(yīng)供電技術(shù)； 原、副邊補償； 頻率選擇； 扭矩測試； 電路設(shè)計

中圖分類號： TN710?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）23?0154?04

Contactless inductive power supply technique and its application in torque test

DING Chuang， ZHAO Yong?dong， JIANG Peng?cheng， FENG Fu?zhou

（Department of Mechanical Engineering， Academy of Armored Forces Engineering， Beijing 100072， China）

Abstract： Contactless inductive power supply combined power electronics with electromagnetic induction coupling technology， and it has been used widely in many fields， such as electric vehicle， mobile phone charging， and robot and so on. Through the analysis on the structure and principle of the contactless inductive power supply system， the key technology of primary and secondary circuit compensation and frequency selection are researched， and the computing method of primary and secondary compensation electric capacity is obtained. It provided specific circuit according to the need of torque test， and tested the output voltage characteristic. The results show that the circuit could meet the need of power supply in torque test in a certain scope， and it provided a new idea.

Keywords： contactless inductive power supply technique； primary and secondary compensation； frequency selection； torque test； circuit design

0 引 言

目前，向處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的扭矩測試系統(tǒng)提供能量的方法主要有兩種：滑環(huán)供電，電池供電[1]。滑環(huán)供電采用電刷與集電環(huán)滑動接觸的方式，在使用上存在諸如滑動磨損，接觸火花，碳積和不安全裸露導(dǎo)體等局限；而電池供電存在電能有限以及對供電環(huán)境要求高等一系列缺點和不足，使得這兩種供電方式均不能滿足扭矩測試的需要，所以研究一種為旋轉(zhuǎn)軸扭矩測試系統(tǒng)供電的方式尤為重要。非接觸感應(yīng)供電技術(shù)的發(fā)展為旋轉(zhuǎn)軸扭矩測試供電提供了新的方向[2?3]。

非接觸感應(yīng)供電結(jié)合電子電力技術(shù)與電磁感應(yīng)耦合技術(shù)，實現(xiàn)了不通過物理連接或接觸進行電能傳輸，克服了傳統(tǒng)供電方式存在的缺點與不足，從而保證了傳輸過程中的安全、可靠。相對于傳統(tǒng)的變壓器感應(yīng)供電，非接觸感應(yīng)供電屬于疏松耦合供電，通過采用原、副邊諧振補償技術(shù)并控制電源輸出電流頻率，不但提高了傳輸性能，同時降低了成本[4]。

國外對該技術(shù)的研究始于20世紀(jì)70年代，目前已取得了一定的進展，有關(guān)非接觸供電系統(tǒng)項目的開發(fā)研究仍在不斷進行中，而國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究還是一片空白[5?6]。

1 非接觸感應(yīng)供電系統(tǒng)構(gòu)成及原理

非接觸感應(yīng)供電系統(tǒng)利用電磁感應(yīng)原理通過非接觸的耦合方式實現(xiàn)能量傳遞，圖1給出了能量傳輸框圖[7]。

圖1 能量傳輸框圖

系統(tǒng)通過逆變電路將直流電轉(zhuǎn)換為高頻等幅交流信號驅(qū)動原邊繞組，使其在周圍一定范圍的空間內(nèi)產(chǎn)生磁場強度不大但高頻變化的電磁場。副邊繞組位于該電磁場中，副邊繞組磁通量的高頻變化使得副邊繞組中產(chǎn)生一定幅值的高頻感應(yīng)電動勢，經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓可得到具有一定驅(qū)動能力的直流電，為扭矩測試提供能量。感應(yīng)供電系統(tǒng)的原邊繞組和副邊繞組之間沒有任何直接的接觸，實現(xiàn)了電能的無線傳輸。

該供電系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的變壓器感應(yīng)能量傳輸系統(tǒng)，其原、副邊組之間耦合性能較差，處于松耦合狀態(tài)，漏感不能忽略不計，原、副邊繞組電壓不滿足繞組匝數(shù)比例關(guān)系。為了改善系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)功率傳輸能力，本文通過建立互感模型，對原、副邊繞組分別采用諧振補償技術(shù)[2，4]。副邊補償能夠有效提高系統(tǒng)的傳輸功率，原邊補償能夠有效改善原邊的功率因數(shù)，降低對直流電源的視在功率要求。

1.1 非接觸感應(yīng)供電系統(tǒng)的互感模型

非接觸原、副邊繞組耦合的互感模型如圖2所示，忽略原、副邊繞組的電阻。圖中，[Vp、][Vs]分別表示可非接觸感應(yīng)供電系統(tǒng)的原、副邊繞組電壓，[Lp、][Ls]分別表示原邊電感和副邊電感，[M]表示原、副邊繞組的互感系數(shù)，[ω]是逆變電流角頻率，原、副邊繞組電流[ILp、][ILs]參考方向如圖所示。[jωMILp]表示原邊繞組電流[ILp]在副邊繞組上的感應(yīng)電壓，[-jωMILs]是副邊繞組電流[ILs]在原邊繞組上的反映電壓[8]。

圖2 原、副邊繞組耦合的互感模型

因此，原邊繞組和副邊繞組兩端的電壓分別為：

[Vp=jωLpILp-jωMILs] （1）

[Vs=jωMILp-jωLsILs] （2）

1.2 原、副邊補償

1.2.1 副邊補償

在松耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中， 如果副邊沒有補償電路， 副邊繞組直接與電阻為[R]的負(fù)載相連， 則副邊輸出電壓[Uo]、輸出電流[Io]以及輸出功率[Po]分別為：[Uo=VocRR2+（ωLs）2] （3）

[Io=VocR2+（ωLs）2] （4）

[Po=UoIo=V2ocRR2+（ωLs）2] （5）

其中：

[Voc=jωMILp] （6）

由公式（3）～公式（6）可知，系統(tǒng)輸出電壓和電流隨負(fù)載大小的變化而變化， 限制了功率輸出。為此， 必須對副邊繞組進行有效的補償設(shè)計，如圖3所示，基本的補償拓?fù)溆须娙荽?lián)補償和電容并聯(lián)補償兩種形式。

圖3（b）中，補償電容[Cs]與副邊電感[Ls]在諧振頻率處，副邊等效為一純電阻，輸出電壓與負(fù)載無關(guān)，等效于輸出電壓為副邊感應(yīng)電壓的恒壓源，圖3（d）給出了副邊串聯(lián)補償且處于諧振時的等效變換電路，[Voc]是副邊繞組感應(yīng)電壓。

圖3 副邊補償電路

[Voc=jωMILp] （7）

圖3（c）中，補償電容[Cs]與副邊電感[Ls]在諧振頻率處，副邊等效為純電導(dǎo)，輸出電流與負(fù)載無關(guān)，等效于輸出電流為恒流源，圖3（e）給出了副邊并聯(lián)補償且處于諧振時的等效變換電路，[Isc]是副邊短路電流。

[Isc=VocjωLs] （8）

在副邊串聯(lián)和副邊并聯(lián)補償中，補償電容和電感繞組組成諧振電路時滿足下面關(guān)系：

[ω2LsCs=1] （9）

式中：[ω=2πf；][f]為逆變電路輸出交變電流的頻率。

即副邊補償電容的選取應(yīng)滿足：

[Cs=1ω2Ls] （10）

實際工作時，副邊補償電路不一定處于完全諧振狀態(tài)，然而越接近諧振狀態(tài)，電路的輸出特性越好。

1.2.2 原邊補償

由于原邊電路電感參數(shù)比較大，系統(tǒng)工作在高頻下，必然要消耗大量的無功功率，從而導(dǎo)致原邊電路的功率因數(shù)較低。為了改善原邊功率因數(shù)，降低對供電電源的視在功率要求，需要采用原邊補償技術(shù)，最基本的原邊補償拓?fù)溆袃煞N——串聯(lián)補償和并聯(lián)補償。串聯(lián)補償時，串聯(lián)電容上的電壓降與原邊繞組的感抗壓降相抵消，降低了電壓要求；并聯(lián)補償時，流過并聯(lián)電容的電流補償了原邊繞組中電流的無功分量，從而降低了對供電電源的電流要求[6]。如圖4所示。

圖4 原邊補償電路

由于副邊同樣存在兩種補償方式，因此，非接觸感應(yīng)供電系統(tǒng)的補償電路共四種：原邊串聯(lián)?副邊串聯(lián)補償（SS），原邊串聯(lián)?副邊并聯(lián)補償（SP），原邊并聯(lián)?副邊串聯(lián)補償（PS），原邊并聯(lián)?副邊并聯(lián)補償（PP）。

當(dāng)原邊電路中的電感與電容組成諧振電路時，輸入電壓和電流同相位，電路的無功功率為零，視在功率最小，對供電電源的要求也最低。

在原邊串聯(lián)補償電路中，電源的負(fù)載阻抗為：

[Zt=Zr+jωLp+1jωCp] （11）

在原邊并聯(lián)補償電路中，電源的負(fù)載導(dǎo)納為：[Yt=jωCp+1jωLp+Zr] （12）

其中：[Zr]為副邊反映到原邊的阻抗。

當(dāng)副邊采用串聯(lián)補償形式且處于諧振時：

[Zr=ω2M2R] （13）

當(dāng)副邊采用并聯(lián)補償形式且處于諧振時：

[Zr=M2RL2s-jωM2Ls] （14）

設(shè)計原邊補償電容時保證式（11）和（12）的虛部為零，系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)，可以有效降低電源的電壓電流定額，使得原邊電壓電流同相位，輸入具有高功率因數(shù)。原、副線圈處于諧振時，原邊補償電容計算結(jié)果見表1。

表1 原邊補償電容值Cp

[SS架構(gòu)＼SP架構(gòu)＼PP架構(gòu)＼PS架構(gòu)＼[1ω2Lp]＼[1ω2Lp-M2Ls]＼[Lp-M2LsM2RL2s2+ω2Lp-M2Ls2]＼[Lpω2M2R2+ω2L2p]＼]

1.3 頻率選擇

通過前文原、副邊補償以及互感模型可知，選擇系統(tǒng)工作頻率是非接觸感應(yīng)供電系統(tǒng)設(shè)計的第一步，從式（6）中可以看出，頻率越高，副邊感應(yīng)輸出的電壓越大，傳輸功率越高，因而非接觸供電系統(tǒng)宜采用高頻逆變系統(tǒng)。然而逆變電路提供的交變電流頻率受限于目前電子器件技術(shù)水平和磁場發(fā)射相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，另一方面頻率的提高使得原、副邊互感繞組兩端的感應(yīng)電壓迅速提高，這將對逆變電路的開關(guān)管和副邊整流電路提出更高的要求。因此，應(yīng)該綜合考慮非接觸感應(yīng)供電的復(fù)雜程度、現(xiàn)場對系統(tǒng)的體積重量要求及系統(tǒng)成本等因素來選取系統(tǒng)工作頻率。通常，在低功耗供電時，選擇工作頻率處于10～100 kHz之間比較合理。隨著科技水平的不斷進步，系統(tǒng)頻率可望進一步提高，從而使得系統(tǒng)體積更小、重量更輕。

2 非接觸感應(yīng)供電技術(shù)在扭矩測試中的應(yīng)用

一個典型的無線扭矩測試系統(tǒng)應(yīng)該包括測量電路、信號放大電路、數(shù)據(jù)采集及無線傳輸模塊等部分。其中測量電路由應(yīng)變片搭建惠斯通電橋?qū)崿F(xiàn)扭矩物理信號和微弱電壓信號的轉(zhuǎn)換，信號放大電路由高性能運算放大器搭成差動放大電路組成，數(shù)據(jù)采集模塊將變化的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，由無線數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送至固定在軸承座或箱體特定位置的接收裝置，接收裝置將接收的信號轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)軸的扭矩值，從而完成對旋轉(zhuǎn)軸的扭矩測試。扭矩應(yīng)變片、信號放大電路、數(shù)據(jù)采集模塊和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的工作電壓一般為5～12 V，工作電流為10～100 mA，屬于低功耗模塊[9]。

2.1 非接觸感應(yīng)供電模塊的電路設(shè)計

綜合考慮非接觸感應(yīng)供電模塊的復(fù)雜程度、體積、成本以及扭矩測試的工作電壓和工作電流需求，設(shè)計扭矩測試系統(tǒng)的非接觸供電模塊的原邊電路和副邊電路如圖5所示。

圖5 非接觸感應(yīng)供電系統(tǒng)電路圖

原、副邊繞組均設(shè)計為圓環(huán)，原邊繞組固定在支架上靜止不動，副邊繞組隨軸旋轉(zhuǎn)，原、副邊繞組同軸且間隔一定距離，此種設(shè)計簡便可靠，在安裝時不需要破壞旋轉(zhuǎn)軸的物理結(jié)構(gòu)，原、副繞組的安裝方式如圖6所示。原、副繞組之間沒有任何直接的接觸，因此實現(xiàn)了電能的非接觸傳輸。

非接觸供電模塊的體積大小對于系統(tǒng)安裝至關(guān)重要，體積越小越能滿足更多場合的需要，故選取芯片時在滿足功能要求的前提下選擇封裝小的高集成芯片，本系統(tǒng)采用XKT?408A集成PWM方波調(diào)制發(fā)生器芯片、T5336集成晶閘管芯片和T3168開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片。

圖6 原、副繞組的安裝方式

原、副邊繞組可根據(jù)具體要求設(shè)計，這里設(shè)計原、副邊繞組匝數(shù)為30匝，繞組直徑為40 mm，繞組的電感量[Ls=Lp=]25 μH。

XKT?408A集成芯片產(chǎn)生67 kHz的方波信號，通過驅(qū)動T5336集成晶閘管在原邊繞組中產(chǎn)生頻率為67 kHz的高頻交變電流，副邊繞組感應(yīng)得到的交變電流經(jīng)過整流濾波穩(wěn)壓電路得到紋波很小的直流電。

為了確保負(fù)載能夠獲得穩(wěn)定的電流，副邊采用并聯(lián)補償；為了降低對電源電流的要求，原邊采用并聯(lián)補償。

由式（11）可計算得到副邊電路的補償電容，[C1=]226 pF。

在根據(jù)表1中的PP架構(gòu)公式計算原邊電路的補償電容時，因公式中存在變量負(fù)載電阻[R]和互感系數(shù)[M，]滿足原邊電路處于諧振的補償電容是一個變化值。對于扭矩測試，負(fù)載電阻為90～900 Ω，互感系數(shù)為[0～LpLs，]計算原邊補償電容，[C3=0～]1 100 pF，為了使電路盡量處于諧振附近，這里取中間值，[C3=]550 pF。

副邊輸出電壓可按照扭矩測試系統(tǒng)的要求通過調(diào)節(jié)電阻[R2]和[R4]的阻值在5～12 V之間調(diào)節(jié)。

[Vo=VREF×1+R2R4] （15）

式中：[VREF]為穩(wěn)壓模塊的參考電壓，本系統(tǒng)中T3168模塊的參考電壓值為1.25 V。

如扭矩測試的工作電壓為9 V，可設(shè)計[R2=]31 kΩ，[R4=]5 kΩ，得到輸出電壓：

[Vo=VREF×1+R2R4=1.25×1+315=9 V]

2.2 輸出特性分析

為了分析非接觸感應(yīng)供電模塊的輸出特性，本文測量了接入10～100 Ω范圍內(nèi)不同電阻時的輸出電壓結(jié)果。表2為原、副繞組距離為5 mm，接入不同負(fù)載電阻時的輸出電壓。輸出電壓與負(fù)載電阻的關(guān)系如圖7所示。

由表2和圖7可知，本文設(shè)計的非接觸感應(yīng)供電模塊在供應(yīng)電壓為9 V時，最大可提供180 mA的電流，能夠充分滿足低能耗扭矩測試的需要。

表2 接入不同電阻負(fù)載時的輸出電壓

圖7 輸出電壓與負(fù)載電阻的關(guān)系

3 結(jié) 論

本文利用互感模型研究原、副邊補償，得出了原、副邊補償電容的計算方法，改善了副邊電路的輸出特性，提高了原邊電路的功率因數(shù)；提高耦合頻率可提高傳輸功率，然而頻率的增大會使供電系統(tǒng)的體積和成本增加；本文設(shè)計的非接觸感應(yīng)供電模塊電路能夠在保證電壓穩(wěn)定的基礎(chǔ)上提供180 mA的電流，可滿足扭矩測試的供電需求。非接觸感應(yīng)供電技術(shù)研究及其在扭矩測試中的應(yīng)用將具有重要的理論研究意義和工程應(yīng)用價值。

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作者簡介：丁 闖 男，1989年出生，碩士。主要研究方向為機械電子。