基于ARM的CPT控制系統的相關問題分析

陳小娟

摘 要：介紹了在非接觸能量傳輸（Contactless Power Transfer）系統中引入嵌入式控制系統的必要性，并分析了利用ARM系列嵌入式系統處理器設計出的嵌入式控制系統的相關控制問題。

關鍵詞：ARM；嵌入式控制系統；CPT系統；控制問題

1 概述

1.1 CPT系統概述

隨著科學技術的不斷發展，社會經濟飛速前進，在社會、企業和家庭中電氣化設備日益成為現代化生產和生活工具的主流。對于一些電氣設備，傳統供電方式限制了它們的普及和使用靈活性，同時給安全供電和環境安全問題帶來了很大的影響。隨著人們生活以及生產活動范圍的擴大，人們迫切需要一種新型的電能傳輸技術來滿足新型電氣設備及各種特殊條件下的供電需求。非接觸電能傳輸技術是近年來備受國際學術界關注的一項新的能量傳輸技術，即用電設備以非接觸方式從固定電網取電的技術，所以又可稱為非接觸感應供電。信號的無線傳輸技術早已實現，電源線已成為用電設備靈活移動的羈絆，非接觸電能傳輸技術的出現使設備實現真正的“無線”成為可能。要使一個系統具有更高的性能，就需要對其進行適當的控制。

1.2 引入嵌入式技術的必要性

嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統[1]。它主要由嵌入式處理器、嵌入式操作系統、輸入輸出設備、外圍接口設備以及嵌入式應用軟件等組成，具有軟件代碼小、高度自動化和響應速度快等特點。它是可獨立工作的“器件”[2]。

在CPT系統中引入嵌入式技術的理由有以下兩點：

（1）從目前的角度出發，首先，CPT系統需要一個能夠提供監視、控制、多進程、可實現實時或非實時的任務、可人工手動控制亦可自動運行等功能的智能控制系統；其次，嵌入式系統體積小、結構緊湊，可作為一個部件埋藏于所控制的裝置中，它提供用戶接口、管理有關信息的輸入輸出、監控設備工作，使設備及應用系統有較高智能和性價比；再者，目前微處理器可選用DSP、單片機和ARM系列等，而ARM微處理器在工業控制、手持設備中的應用則比較多，更主要的是ARM能夠很容易地實現以上的功能。

（2）從未來的角度出發，首先，嵌入式系統是CPT系統的部件，適用于對功能、體積、

成本、可靠性、功耗有嚴格要求的CPT系統或其它系統；其次，嵌入式控制系統還可應用于CPT系統的故障診斷，且嵌入式系統接口的可擴展性和軟硬件可裁減的靈活性也是一大優點，對將來系統的擴展或者裁減都十分方便。

2 CPT系統的相關控制問題分析

本文所介紹的非接觸電能傳輸系統主要由兩大部分組成。一部分是電能變換與發送電路，又稱初級電路；另一部分是可在一定范圍內沿導軌線圈移動的能量拾取電路，又稱次級電路。

在CPT系統中應用嵌入式技術需重點解決以下三個控制問題。

2.1 軟啟動控制

整流濾波電路將工頻交流電流轉換為平穩的直流電流提供給后面的高頻逆變部分。

未加入軟啟動時會形成很大的沖激電流，而電容電壓不能突變，所以加電瞬間電容是短路的，如果沒有電阻Rlimit緩沖，則系統會因過流而導致元器件的損壞。

只要Rlimit的阻值足夠大，就可以避免產生沖激電流燒壞元器件。在該電路中，整流后的電壓有效值為Vin=220V，輸出電壓為Vo，通過電阻Rlimit給電容C充電，繼電器斷開，同時ARM控制平臺采集濾波電容兩端的電壓Vo，檢測Vo的大小，當達到設定電壓峰值時，ARM控制平臺發出一個高電平脈沖閉合開關，軟啟動結束。

2.2 逆變控制

能量的非接觸傳輸是通過磁場的松耦合原理實現的，而要得到這個交變磁場，必須有一個相應的變化電流作為勵磁電流，在本系統中即為在導軌中產生較高頻率的正弦電流Icp，該電流的理想形式應該為標準正弦波，表達式為：

Icp=Ipmsin（2πft+θ）= 式（2.1）

式（2.1）中Ipm和f分別決定了磁場的強度和磁場的頻率。在負載拾取電路確定的情況下，磁場強度越強，傳輸的功率就越大。因此，在一定的功率容量下要求逆變器能夠產生足夠大的正弦電流。

下面給出CPT系統對逆變電路的要求，進而得出CPT系統對ARM控制系統的要求。

在負載拾取和導軌形式確定，二者之間的位置相對確定（即互感基本不變）的情況下，非接觸電能傳輸系統正常工作需要以下條件：首先，導軌電流的有效值應該達到設計的容量要求，以保證足夠的能量傳輸；其次，系統的工作頻率應該穩定，以保證傳輸功率恒定。所以，高頻逆變電路必須能夠輸出相應強度的電流，并且能夠保持電流頻率不變，或者其偏移必須在允許的范圍內（能夠使負載正常工作）。另外，因為非接觸電能傳輸系統實現的是大功率的傳輸，必須限制其高次諧波的含量以減小其電磁輻射。這就要求逆變電路能夠為導軌提供一個諧波含量較小的準正弦波電流。根據不同系統的要求，導軌的形式和距離各有不同，為了達到同樣的輸出，其對逆變電路的驅動能力要求也有不同。

由以上分析得出，CPT系統對逆變電路的基本要求有：能夠為導軌提供足夠大的電流，使導軌產生所需的磁場；逆變電流在導軌中產生的電流的頻率保持穩定；導軌電流波形的諧波含量必須很小。

綜上所述，導軌電流幅值若發生變化就會影響負載拾取功率的變化，而負載的變化也會引起導軌電流的變化，這樣將導致系統不能正常工作。所以，CPT系統對ARM控制系統有如下要求：保證諧振網絡中的頻率不變，即保持導軌電流的幅值和頻率不變。通過控制高頻逆變電路的四個IGBT的脈沖頻率，使諧振電容的電壓與導軌電流保持同相位，這就是CPT系統對本ARM控制系統的控制要求。

2.3 顯示采集的波形

CPT系統工作的部分參數波形需要進行及時的監控，以便需要的時候進行手動調節，進一步提高系統的工作效率。因此，人機交互界面的加入將更好地保證用戶對質量和效率的要求。本嵌入式控制系統主要顯示的是導軌電流Ip和補償電容兩端的電壓Vp的波形，在導軌電流頻率發生變化時，手動或者由控制算法自動調整頻率，這對保證系統長期正常工作非常重要。CPT系統的工作頻率為20 KHz。ARM CPU自帶的A/D轉換器的采樣速率為500ksps，同時采集三路信號，則采樣的頻率約為166.67KHz，即約6?s采集一次，可以達到CPT系統的要求。

3 結論

隨著嵌入式系統的飛速發展，社會對技術的要求越來越高，對非接觸式電能傳輸技術的需求也日益增長，而嵌入式系統的加入使得本CPT系統的性能和工作效率得到了大大的提高，通過實驗分析，CPT系統中相關控制問題均可應用嵌入式控制技術解決。