文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.10.036
中文引用格式： 劉宜成，宋俊霖，涂海燕，等. 自適應(yīng)磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(10)：138-141.
英文引用格式： Liu Yicheng，Song Junlin，Tu Haiyan，et al. Research of adaptive magnetically coupled resonant wireless power transfer system[J].Application of Electronic Technique，2016，42(10)：138-141.
0 引言
無(wú)線電能傳輸技術(shù)使得人們得以擺脫令人煩惱的電纜束縛。2007年MIT提出了磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸(Magnetically Coupled Resonant Wireless Power Transfer，MCR-WPT)，為無(wú)線電能傳輸帶來(lái)了新的突破[1-2]。近幾年國(guó)內(nèi)外對(duì)強(qiáng)磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究[3]。
目前的研究大都集中在傳輸效率與傳輸距離的提升，以及對(duì)線圈結(jié)構(gòu)和線圈材料的設(shè)計(jì)[4]，這些研究大都屬于靜態(tài)下的高效能量傳輸。然而在實(shí)際應(yīng)用中常常會(huì)遇到被供電設(shè)備需要移動(dòng)的情況，而MCR-WPT系統(tǒng)在高效能量傳輸距離內(nèi)存在頻率分裂現(xiàn)象，這就需要MCR-WPT系統(tǒng)能根據(jù)傳輸距離對(duì)傳輸頻率進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)高效的電能傳輸。目前已有文獻(xiàn)針對(duì)MCR-WPT系統(tǒng)頻率分裂現(xiàn)象提出了對(duì)傳輸頻率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的方案[5-7]。這些研究大都通過(guò)檢測(cè)發(fā)射和接收功率，計(jì)算傳輸效率來(lái)進(jìn)行控制。
從MCR-WPT系統(tǒng)的傳輸特性可以看出，系統(tǒng)的頻率分裂是伴隨距離改變發(fā)生的，系統(tǒng)在不同傳輸距離處的最優(yōu)頻率點(diǎn)與距離是一一對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系，測(cè)量距離等同于測(cè)效率，相對(duì)于實(shí)時(shí)檢測(cè)發(fā)射與接收功率，測(cè)量傳輸距離實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單，也更便于應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)中。本文首先基于耦合模理論對(duì)MCR-WPT系統(tǒng)進(jìn)行理論分析，然后使用高集成度PCB印制平面螺旋電感構(gòu)造諧振體，并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)相關(guān)測(cè)試對(duì)理論分析的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。最后利用直接數(shù)字合成技術(shù)[8](Direct Digital Synthesis，DDS)，以FPGA為處理器設(shè)計(jì)頻率自適應(yīng)調(diào)節(jié)器，并將其加載到傳輸系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的能量傳輸特性進(jìn)行測(cè)試。
1 磁耦合諧振理論分析
磁耦合諧振的基本原理可以用耦合模理論(Coupled Mode Theory，CMT)解釋如下[9]。如圖1，基于耦合模理論，將源諧振體和目標(biāo)諧振體的模式幅度分別用兩個(gè)復(fù)變量a1、a2表示，進(jìn)一步可以將兩諧振體的能量歸一化為
并且滿足如下方程組[1-2]：
這說(shuō)明當(dāng)兩諧振體耦合時(shí)，耦合系統(tǒng)的頻率以2κ被分開(kāi)，即“頻率分裂”現(xiàn)象，并且耦合越強(qiáng)頻率分裂越厲害。頻率分裂是MCR-WPT系統(tǒng)中比較重要的現(xiàn)象，在強(qiáng)耦合狀態(tài)下系統(tǒng)傳輸效率最高的頻率不再是原來(lái)諧振體的自諧振頻率ω0，而分裂為高低兩個(gè)不同的頻率。兩諧振體之間的距離直接影響耦合系數(shù)κ，隨著距離的改變系統(tǒng)最優(yōu)的工作頻率也將隨之改變。
頻率分裂現(xiàn)象表明：若能根據(jù)傳輸距離對(duì)系統(tǒng)工作頻率進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)，則可以在有效傳輸距離內(nèi)使系統(tǒng)始終保持最高的傳輸效率進(jìn)行無(wú)線電能傳輸。
2 MCR-WPT系統(tǒng)平臺(tái)搭建
2.1 系統(tǒng)框架
目前MCR-WPT系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要分為兩類：兩線圈結(jié)構(gòu)和四線圈結(jié)構(gòu)。四線圈結(jié)構(gòu)的MCR-WPT系統(tǒng)如圖2所示。由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的高頻振蕩信號(hào)，經(jīng)過(guò)功率放大器輸出到驅(qū)動(dòng)線圈，驅(qū)動(dòng)線圈通過(guò)電磁感應(yīng)將能量感應(yīng)到發(fā)射諧振體中。發(fā)射與接收諧振體具有相同諧振頻率，發(fā)射諧振體通過(guò)強(qiáng)磁耦合諧振將能量傳輸?shù)浇邮罩C振體中，接收諧振體再通過(guò)電磁感應(yīng)將能量感應(yīng)給負(fù)載線圈，最終將能量傳輸?shù)截?fù)載處。
2.2 高Q諧振體設(shè)計(jì)
諧振體的品質(zhì)因數(shù)Q主要由電感電容決定，耦合因數(shù)主要由電感線圈的結(jié)構(gòu)和尺寸等決定。如果系統(tǒng)中諧振體的品質(zhì)因數(shù)Q足夠大，在諧振體的體積不是很大的情況下，系統(tǒng)依然可以工作于強(qiáng)耦合狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)高效的中距離無(wú)線電能傳輸[10]。MCR-WPT系統(tǒng)采用的是LC諧振，構(gòu)造高Q諧振體的關(guān)鍵在于高Q電感線圈的設(shè)計(jì)以及高Q電容器的選擇。
本文實(shí)驗(yàn)使用的平面螺旋電感如圖3所示，線圈內(nèi)徑為96 mm，外徑為180 mm。諧振體的諧振頻率配置為9.23 MHz。
2.3 功率放大器設(shè)計(jì)
本文選用E類放大器進(jìn)行功率驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。由于MCR-WPT系統(tǒng)存在頻率分裂現(xiàn)象，因此要求功率放大器具有一定的帶寬，E類功率放大器設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：工作頻率：6 MHz~10 MHz；輸出功率≥5 W；效率≥50%；工作電壓20 V。本文采用的開(kāi)關(guān)管為Microsemi公司的ARF460系列射頻開(kāi)關(guān)管。E類功率放大器實(shí)物如圖4。由于信號(hào)發(fā)生器不具備帶負(fù)載能力，不能直接連接功率放大器，因此還需要為功率放大器設(shè)計(jì)前級(jí)驅(qū)動(dòng)。本文以凌力爾特公司的LT1210功率電流反饋運(yùn)算放大器為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)前級(jí)驅(qū)動(dòng)。
2.4 實(shí)驗(yàn)裝置
搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示，測(cè)試傳輸效果，在20 cm距離時(shí)點(diǎn)亮5 W的LED。
2.5 性能測(cè)試
負(fù)載連接50 Ω，測(cè)試系統(tǒng)的傳輸特性，測(cè)試結(jié)果如圖6。
可以看出，系統(tǒng)最優(yōu)頻率隨距離改變而改變。隨著距離的減小，系統(tǒng)最優(yōu)頻率越偏離諧振體固有頻率9.23 MHz，即發(fā)生了頻率分裂；當(dāng)距離增加，系統(tǒng)最優(yōu)頻率恢復(fù)為自諧振頻率，即頻率分裂現(xiàn)象消失。此外傳輸系統(tǒng)的有效傳輸距離與線圈尺寸達(dá)到了同一數(shù)量級(jí)，也說(shuō)明了本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)耦合狀態(tài)下的無(wú)線電能傳輸。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用PCB印制平面螺旋電感制作高Q值諧振體，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)磁耦合無(wú)線電能傳輸是可行性的。平面螺旋電感適用于便攜式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，但目前主要是通過(guò)金屬繞線或薄片制作，而本文通過(guò)在PCB上印制可以進(jìn)一步提高集成度，從而更適用于便攜式應(yīng)用。
3 自適應(yīng)MCR-WPT系統(tǒng)設(shè)計(jì)
從上一節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)于一個(gè)固定負(fù)載的MCR-WPT系統(tǒng)，其頻率分裂特性是可以預(yù)知的。圖6可以看出在MCR-WPT系統(tǒng)頻率分裂距離內(nèi)，由于趨膚效應(yīng)設(shè)計(jì)時(shí)采用頻率較低的頻率點(diǎn)(式(2)中的低頻點(diǎn))作為最優(yōu)效率點(diǎn)。同時(shí)可以看出，系統(tǒng)的效率和距離是一一對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系，因此設(shè)計(jì)控制器時(shí)選用距離作為推理量，設(shè)計(jì)出的自適應(yīng)MCR-WPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。控制器根據(jù)外部測(cè)距模塊檢測(cè)發(fā)射諧振體與接收諧振體的距離，然后根據(jù)圖6做出推理并改變系統(tǒng)頻率。
自適應(yīng)控制器需要根據(jù)測(cè)距模塊傳輸回的距離改變輸出頻率，所以控制器必須具備輸出可調(diào)頻率信號(hào)的能力，控制器必須包含信號(hào)發(fā)生器模塊。本文以FPGA作為系統(tǒng)處理器，基于DDS技術(shù)設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制器。
決策表模塊為整個(gè)算法的核心，根據(jù)測(cè)距模塊計(jì)算出的距離，配置DDS模塊的頻率控制字，從而改變系統(tǒng)的輸出頻率。由于超聲波測(cè)距模塊的有效測(cè)量距離為2 cm以上，同時(shí)2 cm距離比較近，實(shí)用效果不大，本文設(shè)計(jì)時(shí)只考慮距離大于2 cm的情況。決策表參考圖1設(shè)計(jì)，最后設(shè)計(jì)出的決策表如表1所示。
將自適應(yīng)控制系統(tǒng)加載到MCR-WPT系統(tǒng)上，負(fù)載為50 Ω高頻電阻。調(diào)節(jié)頻率與固定為自諧振頻率對(duì)比測(cè)試結(jié)果如圖8所示。從對(duì)比結(jié)果可以看出，相較于將系統(tǒng)頻率固定在諧振體的自諧振頻率，通過(guò)調(diào)節(jié)頻率，在強(qiáng)耦合距離內(nèi)不同距離處，系統(tǒng)都處于該距離處的最高傳輸效率，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)高效的無(wú)線電能傳輸。由于每次實(shí)驗(yàn)兩線圈的擺放位置會(huì)出現(xiàn)誤差，導(dǎo)致最終階段兩條曲線沒(méi)有重合，但這在允許的誤差范圍內(nèi)。
4 結(jié)論
本文首先基于CMT對(duì)MCR-WPT系統(tǒng)進(jìn)行建模分析。然后搭建由高Q平面螺旋電感組成的系統(tǒng)，并驗(yàn)證了理論推導(dǎo)結(jié)果。最后，設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制系統(tǒng)，并將系統(tǒng)加載到MCR-WPT系統(tǒng)中，測(cè)試系統(tǒng)工作特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于固定頻率，系統(tǒng)的傳輸效率得到明顯改善。相關(guān)研究自適應(yīng)頻率調(diào)節(jié)方法需要在線檢測(cè)發(fā)射和接收功率，計(jì)算傳輸效率來(lái)進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，本文提出通過(guò)超聲波測(cè)距來(lái)對(duì)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，因而更易于技術(shù)實(shí)現(xiàn)，并且開(kāi)發(fā)成本更低，從而更便于應(yīng)用。此外本文采用PCB印制平面螺旋電感制作高集成度、高Q諧振體，這對(duì)于便攜式無(wú)線電能傳輸具有重要意義。
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