CPT系統(tǒng)中的技術(shù)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(tǒng)中存在的三大技術(shù)問題，并分析了利用嵌入式控制系統(tǒng)來完成的解決方案。

關(guān)鍵詞：嵌入式控制系統(tǒng)；技術(shù)問題；硬件解決方案

非接觸電能傳輸技術(shù)是近年來備受國際學(xué)術(shù)界關(guān)注的一項(xiàng)新的能量傳輸技術(shù)，即用電設(shè)備以非接觸方式從固定電網(wǎng)取電的技術(shù)，所以又可稱為非接觸感應(yīng)供電。在過去十年中，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)發(fā)生了很大的變化：以前嵌入式設(shè)備是一個(gè)孤立的、資源有限的系統(tǒng)，而今天人們對(duì)嵌入式設(shè)備在智能化和互連性上提出了要求，這使得嵌入式設(shè)備不再是孤立的，而是通過互聯(lián)網(wǎng)、無線或是其他的方式實(shí)現(xiàn)相互連接[1]。嵌入式系統(tǒng)幾乎包括了生活中所有電器設(shè)備，如PDA、數(shù)碼相機(jī)、電視機(jī)頂盒、數(shù)字電視、工業(yè)自動(dòng)化儀表與醫(yī)療儀器等。在CPT系統(tǒng)中應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)會(huì)存在軟啟動(dòng)控制、逆變控制和顯示模塊設(shè)計(jì)三種技術(shù)問題，其硬件解決方案已完成。

1 軟啟動(dòng)控制

軟啟動(dòng)控制的作用是避免電路中產(chǎn)生很大的的沖激電流而燒壞元器件。本控制系統(tǒng)通過采集濾波電容兩端的電壓Vo以檢測(cè)電容電壓，經(jīng)過霍爾電壓傳感器后電壓值為Vos，再經(jīng)由port1端口接入變送電路，轉(zhuǎn)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(dāng)電容電壓達(dá)到設(shè)定電壓值，ARM由I/O口輸出至驅(qū)動(dòng)電路，關(guān)閉繼電器，切除緩沖電阻Rlimit?？刂齐娐啡鐖D1所示。并且，ARM CPU所能接入的模擬信號(hào)電壓范圍為0V～+3.3V，本嵌入式控制系統(tǒng)選擇3.3V為ARM CPU的工作電壓，而濾波電容兩端的電壓Vo經(jīng)過霍爾傳感器之后被轉(zhuǎn)換為+1.5V左右的直流電壓，因此必須經(jīng)過變送電路，以輸出3V的電壓送入ARM控制平臺(tái)。

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(tǒng)的高頻逆變電路的作用是在導(dǎo)軌中得到一個(gè)高頻的正弦電流。實(shí)現(xiàn)這種高頻逆變的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較多，下面將對(duì)各種高頻逆變電路進(jìn)行比較并闡述這些逆變電路在CPT系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)存在的優(yōu)缺點(diǎn)。

現(xiàn)代逆變技術(shù)的種類很多，可以按照不同的形式分類，文獻(xiàn)[3]對(duì)逆變電路進(jìn)行了九種分類。結(jié)合非接觸電能傳輸系統(tǒng)的特點(diǎn)，將逆變器按逆變開關(guān)電路的工作方式進(jìn)行分類，可分為硬開關(guān)式逆變和諧振軟開關(guān)式逆變。

硬開關(guān)式逆變技術(shù)采用固定的工作頻率，調(diào)節(jié)開關(guān)管導(dǎo)通工作的占空比，如采用PWM（Pulse-Width Modulation）方式來調(diào)節(jié)或穩(wěn)定輸出。產(chǎn)生的電磁干擾EMI比較嚴(yán)重，給系統(tǒng)的電磁兼容EMC（Electro Magnetic Compatibility）設(shè)計(jì)帶來了一定的麻煩。

諧振軟開關(guān)式逆變技術(shù)是通過采用諧振或準(zhǔn)諧振技術(shù)，在開關(guān)管導(dǎo)通期間或關(guān)斷期間進(jìn)行半周期的諧振，使得開關(guān)管開關(guān)時(shí)電流或電壓為零。前者為零電流諧振開關(guān)ZCS（Zero Current Switching），后者為零電壓諧振開關(guān)ZVS（Zero Voltage Switching）。由此可以看出，各種逆變技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，下面給出CPT系統(tǒng)對(duì)高頻逆變電路的要求和具體逆變電路在本系統(tǒng)中應(yīng)用的特點(diǎn)。

CPT系統(tǒng)的工作頻率為20KHz，在電力系統(tǒng)能量傳輸中屬于高頻。為了減少電流紋波，硬開關(guān)PWM方式必須提高開關(guān)頻率。硬開關(guān)PWM方式并不適合逆變頻率太高的場(chǎng)合，因?yàn)檫@將大大增加和，使開關(guān)損耗增大，從而影響開關(guān)器件正常工作。其次，CPT系統(tǒng)要求導(dǎo)軌電流的頻率穩(wěn)定，且諧波含量和紋波盡可能少。而硬開關(guān)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(guān)頻率，這與前面相矛盾。因此，硬開關(guān)逆變技術(shù)雖然可以保證系統(tǒng)的工作頻率保持穩(wěn)定，但由于其存在的缺點(diǎn)，限制了其在高頻大功率長(zhǎng)距離供電的CPT系統(tǒng)中的應(yīng)用。

采用諧振軟開關(guān)逆變技術(shù)的目的是使開關(guān)器件在開通或關(guān)斷時(shí)實(shí)現(xiàn)或者，以降低開關(guān)器件的開關(guān)損耗和開關(guān)應(yīng)力，以及減小和，以達(dá)到更好性能、更高效率和更高功率密度。正是由于這個(gè)原因，本CPT系統(tǒng)比較傾向于采取軟開關(guān)逆變技術(shù)以實(shí)現(xiàn)大功率高效率的能量傳輸。

（2）逆變控制硬件方案

當(dāng)拾取機(jī)構(gòu)參數(shù)變化時(shí)，將引起原邊諧振參數(shù)的變化，從而諧振頻率點(diǎn)出現(xiàn)漂移使得諧振電壓發(fā)生畸變，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致系統(tǒng)軟開關(guān)工作模式的丟失，開關(guān)損耗加大，效率降低。因此有必要使系統(tǒng)的控制頻率f0始終等于系統(tǒng)原邊諧振頻率以確保高效率的能量傳輸。

CPT系統(tǒng)對(duì)本ARM控制系統(tǒng)的控制要求就是要確保諧振網(wǎng)絡(luò)中的頻率保持不變，保持導(dǎo)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(gè)IGBT的脈沖頻率，使諧振電容的電壓與導(dǎo)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(gè)IGBT組成，逆變之后，諧振電容電壓Vcp經(jīng)霍爾電壓傳感器轉(zhuǎn)換成電壓Vp，大小為±1.5V，由于ARM控制平臺(tái)接收的模擬信號(hào)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(jīng)變送電路放大后的電壓為Vsyn，值為+3V。Vsyn經(jīng)ARM控制系統(tǒng)的AD采集通道AIN 5 ADC轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過反相器輸出足以驅(qū)動(dòng)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(tǒng)與逆變電路之間的相互干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。

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

本嵌入式控制系統(tǒng)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(dǎo)軌電流Icp經(jīng)過霍爾傳感器之后均被轉(zhuǎn)換為±1.5V左右的直流電壓，因此需經(jīng)過變送電路，以輸出3V的電壓送入ARM。下面計(jì)算霍爾電壓傳感器的原邊電阻R3和測(cè)量電阻Rm1，以及霍爾電流傳感器的副邊電阻Rm2。

系統(tǒng)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(shù)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(shè)此電阻為R3。原邊串接電阻R3是為了保證得到額定值時(shí)原邊電流為Ip1=10mA，額定電壓Vcp=Vp1=±70V有效值，Vpmax=±99V，當(dāng)Vp1=±99V時(shí)得到Vs=±1.5V的輸出電壓。

3 顯示模塊設(shè)計(jì)

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

4 結(jié)論

隨著嵌入式系統(tǒng)的飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域也大幅增加，社會(huì)對(duì)嵌入式技術(shù)的要求越來越高，對(duì)非接觸式電能傳輸技術(shù)的需求也日益增長(zhǎng)，而嵌入式系統(tǒng)的加入使得本CPT系統(tǒng)的性能和工作效率得到了大大的提高，通過實(shí)驗(yàn)分析，CPT系統(tǒng)中上述技術(shù)問題均可應(yīng)用嵌入式控制技術(shù)解決。

參考文獻(xiàn)

[1]王華.嵌入式控制系統(tǒng)在物流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Lego中的應(yīng)用研究.[學(xué)位論文].江蘇：南京航空航天大學(xué)，2004：1.

[2]王智慧.非接觸電能傳輸系統(tǒng)穩(wěn)頻技術(shù)研究[學(xué)位論文].重慶，重慶大學(xué)，2006：7-10.

[3]李愛文，張承慧. 現(xiàn)代逆變技術(shù)及應(yīng)用.北京：科學(xué)出版社，2000.9，1-2.

作者簡(jiǎn)介

陳小娟（1981-），女，江蘇大豐，碩士，講師，主要從事機(jī)械及其自動(dòng)化的教學(xué)與科研工作，所在單位：重慶電子工程職業(yè)學(xué)院。