CPT系統中的技術問題之硬件解決方案

摘 要：介紹了非接觸能量傳輸（Contactless Power Transfer）系統中存在的三大技術問題，并分析了利用嵌入式控制系統來完成的解決方案。

關鍵詞：嵌入式控制系統；技術問題；硬件解決方案

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。在過去十年中，嵌入式系統的開發發生了很大的變化：以前嵌入式設備是一個孤立的、資源有限的系統，而今天人們對嵌入式設備在智能化和互連性上提出了要求，這使得嵌入式設備不再是孤立的，而是通過互聯網、無線或是其他的方式實現相互連接[1]。嵌入式系統幾乎包括了生活中所有電器設備，如PDA、數碼相機、電視機頂盒、數字電視、工業自動化儀表與醫療儀器等。在CPT系統中應用嵌入式系統會存在軟啟動控制、逆變控制和顯示模塊設計三種技術問題，其硬件解決方案已完成。

1 軟啟動控制

軟啟動控制的作用是避免電路中產生很大的的沖激電流而燒壞元器件。本控制系統通過采集濾波電容兩端的電壓Vo以檢測電容電壓，經過霍爾電壓傳感器后電壓值為Vos，再經由port1端口接入變送電路，轉換為ARM 能夠接收的電壓值Vsoft，接著送入A/D采集器的AIN 0端，當電容電壓達到設定電壓值，ARM由I/O口輸出至驅動電路，關閉繼電器，切除緩沖電阻Rlimit。控制電路如圖1所示。并且，ARM CPU所能接入的模擬信號電壓范圍為0V～+3.3V，本嵌入式控制系統選擇3.3V為ARM CPU的工作電壓，而濾波電容兩端的電壓Vo經過霍爾傳感器之后被轉換為+1.5V左右的直流電壓，因此必須經過變送電路，以輸出3V的電壓送入ARM控制平臺。

2 逆變控制

（1）逆變方式的選擇[2]

由前可知，非接觸電能傳輸系統的高頻逆變電路的作用是在導軌中得到一個高頻的正弦電流。實現這種高頻逆變的電路拓撲結構較多，下面將對各種高頻逆變電路進行比較并闡述這些逆變電路在CPT系統中應用時存在的優缺點。

現代逆變技術的種類很多，可以按照不同的形式分類，文獻[3]對逆變電路進行了九種分類。結合非接觸電能傳輸系統的特點，將逆變器按逆變開關電路的工作方式進行分類，可分為硬開關式逆變和諧振軟開關式逆變。

硬開關式逆變技術采用固定的工作頻率，調節開關管導通工作的占空比，如采用PWM（Pulse-Width Modulation）方式來調節或穩定輸出。產生的電磁干擾EMI比較嚴重，給系統的電磁兼容EMC（Electro Magnetic Compatibility）設計帶來了一定的麻煩。

諧振軟開關式逆變技術是通過采用諧振或準諧振技術，在開關管導通期間或關斷期間進行半周期的諧振，使得開關管開關時電流或電壓為零。前者為零電流諧振開關ZCS（Zero Current Switching），后者為零電壓諧振開關ZVS（Zero Voltage Switching）。由此可以看出，各種逆變技術各有優缺點，下面給出CPT系統對高頻逆變電路的要求和具體逆變電路在本系統中應用的特點。

CPT系統的工作頻率為20KHz，在電力系統能量傳輸中屬于高頻。為了減少電流紋波，硬開關PWM方式必須提高開關頻率。硬開關PWM方式并不適合逆變頻率太高的場合，因為這將大大增加和，使開關損耗增大，從而影響開關器件正常工作。其次，CPT系統要求導軌電流的頻率穩定，且諧波含量和紋波盡可能少。而硬開關PWM方式的電流波形紋波含量較大，高次諧波含量也較大。為了減小紋波和諧波，就必須提高開關頻率，這與前面相矛盾。因此，硬開關逆變技術雖然可以保證系統的工作頻率保持穩定，但由于其存在的缺點，限制了其在高頻大功率長距離供電的CPT系統中的應用。

采用諧振軟開關逆變技術的目的是使開關器件在開通或關斷時實現或者，以降低開關器件的開關損耗和開關應力，以及減小和，以達到更好性能、更高效率和更高功率密度。正是由于這個原因，本CPT系統比較傾向于采取軟開關逆變技術以實現大功率高效率的能量傳輸。

（2）逆變控制硬件方案

當拾取機構參數變化時，將引起原邊諧振參數的變化，從而諧振頻率點出現漂移使得諧振電壓發生畸變，嚴重時將導致系統軟開關工作模式的丟失，開關損耗加大，效率降低。因此有必要使系統的控制頻率f0始終等于系統原邊諧振頻率以確保高效率的能量傳輸。

CPT系統對本ARM控制系統的控制要求就是要確保諧振網絡中的頻率保持不變，保持導軌電流的幅值和頻率不變。解決方案即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。解決逆變控制問題的電路圖中，逆變橋由T1、T2、T3、T4四個IGBT組成，逆變之后，諧振電容電壓Vcp經霍爾電壓傳感器轉換成電壓Vp，大小為±1.5V，由于ARM控制平臺接收的模擬信號輸入電壓范圍為0～3.3V，故Vp需從port2端口輸入至變送電路，經變送電路放大后的電壓為Vsyn，值為+3V。Vsyn經ARM控制系統的AD采集通道AIN 5 ADC轉換后，經過反相器輸出足以驅動光耦隔離電路的電壓。此處光耦隔離電路的作用是避免ARM控制系統與逆變電路之間的相互干擾，提高系統的可靠性。

導軌電流Icp經霍爾電流傳感器后轉換成電壓大小為±1.5V，其后的轉換方法與諧振電容電壓Vcp相同，在此不再贅述（經變送電路放大后電壓為Vrail，輸入ARM控制系統的AD采集通道AIN 7）。

本嵌入式控制系統選擇3.3V為ARM CPU的工作電壓，而諧振電容兩端的電壓Vcp以及導軌電流Icp經過霍爾傳感器之后均被轉換為±1.5V左右的直流電壓，因此需經過變送電路，以輸出3V的電壓送入ARM。下面計算霍爾電壓傳感器的原邊電阻R3和測量電阻Rm1，以及霍爾電流傳感器的副邊電阻Rm2。

系統中諧振電容兩端的電壓Vcp=±70V，選擇的霍爾電壓傳感器為CHV-100，匝數比為Np：Ns=10000：2000，首先需要確定霍爾電壓傳感器的原邊串接的電阻的大小，設此電阻為R3。原邊串接電阻R3是為了保證得到額定值時原邊電流為Ip1=10mA，額定電壓Vcp=Vp1=±70V有效值，Vpmax=±99V，當Vp1=±99V時得到Vs=±1.5V的輸出電壓。

3 顯示模塊設計

硬件框圖如圖2所示。本嵌入式控制系統主要顯示的是軟啟動輸出電壓Vo、導軌電流Icp和補償電容兩端的電壓Vcp的波形，圖中Vos、Ip、Vp分別是經過霍爾傳感器變換之后前三者的值。（Vos如圖1所示）。

4 結論

隨著嵌入式系統的飛速發展，嵌入式系統的應用領域也大幅增加，社會對嵌入式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系統中上述技術問題均可應用嵌入式控制技術解決。

參考文獻

[1]王華.嵌入式控制系統在物流實驗系統Lego中的應用研究.[學位論文].江蘇：南京航空航天大學，2004：1.

[2]王智慧.非接觸電能傳輸系統穩頻技術研究[學位論文].重慶，重慶大學，2006：7-10.

[3]李愛文，張承慧. 現代逆變技術及應用.北京：科學出版社，2000.9，1-2.

作者簡介

陳小娟（1981-），女，江蘇大豐，碩士，講師，主要從事機械及其自動化的教學與科研工作，所在單位：重慶電子工程職業學院。