路燈杰， 張海燕， 俞高偉， 柳 毅， 金 月

(1. 上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院， 上海 201306；2. 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 電氣所， 上海 200240)

隨著無線電能傳輸技術(shù)的興起，該技術(shù)在工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊[1-2]。因其工作環(huán)境含有高頻電磁場(chǎng)，金屬會(huì)干擾傳輸?shù)男?，并?huì)對(duì)體內(nèi)含有金屬的人群造成傷害[3]。因此，對(duì)于無線電能傳輸監(jiān)控系統(tǒng)的研究具有重要意義。目前大多數(shù)無線電能傳輸?shù)难芯坎⑽纯紤]監(jiān)控系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[4]闡述了無線電能傳輸在礦井監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用前景，但并未介紹監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了磁耦合式無線傳輸系統(tǒng)以及配套的監(jiān)控系統(tǒng)，但其監(jiān)控系統(tǒng)在通信協(xié)議的可靠性、應(yīng)用場(chǎng)合的通用性、成本、速度和功能方面都存在不足之處。文獻(xiàn)[6-7]分別分析了磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)木€圈優(yōu)化和頻率特性，但并未對(duì)無線電能傳輸系統(tǒng)的整體運(yùn)行進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。針對(duì)上述情況，本文基于1 kW以下的無線電能傳輸場(chǎng)景，設(shè)計(jì)一個(gè)基于LabVIEW與數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processing, DSP)通信的無線電能傳輸無線監(jiān)控系統(tǒng)。通過無線通信技術(shù)，高可靠性的Modbus協(xié)議，磁耦合諧振式無線充電技術(shù)，采用SiC器件實(shí)現(xiàn)大電流的高頻逆變和整流，實(shí)現(xiàn)高效率、遠(yuǎn)距離的無線電能傳輸，并基于LabVIEW建立可視化監(jiān)控界面實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)和參數(shù)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無人作業(yè)環(huán)境、避免造成人體危害、保障無外物干擾其效率。其具有設(shè)計(jì)靈活、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，并且可維護(hù)性好，是一種安全、智能和經(jīng)濟(jì)的方案。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括：① 基于DSP和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)芯片組成CPU的下位機(jī)；② 基于LabVIEW設(shè)計(jì)的上位機(jī)，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要功能包括：① 采用ESP8266wifi模塊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)建立基于Modbus協(xié)議的無線通信；② 可視化監(jiān)控界面實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)工作的各參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)對(duì)緊急情況作出相應(yīng)處理；③ DSP結(jié)合FPGA作為CPU輸出高分辨率的MHz級(jí)別脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation, PWM)脈沖，配合SiC器件實(shí)現(xiàn)高頻逆變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效率、遠(yuǎn)距離的無線電能傳輸；④ 帶電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory, EEPROM)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的存儲(chǔ)，保證再次通電保持之前的運(yùn)行參數(shù)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要分為主控制器模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、無線收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、無線電能傳輸模塊。

2.1 主控制器模塊

系統(tǒng)采用DSP+FPGA結(jié)合產(chǎn)生高分辨率的MHz脈沖。DSP型號(hào)為Ti公司的TMS320F28035，F(xiàn)PGA型號(hào)為ALTERA的EP4CE10F17C8N。完全滿足本控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理及控制要求。

2.2 傳感器數(shù)據(jù)采集模塊

為了監(jiān)控系統(tǒng)的安全性，系統(tǒng)需對(duì)其工作環(huán)境的溫度和濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，故選用溫濕度傳感器進(jìn)行檢測(cè)。針對(duì)系統(tǒng)工作環(huán)境的溫度、濕度監(jiān)測(cè)的范圍與精度，選取DHT11傳感器。

2.3 無線收發(fā)模塊

根據(jù)系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的功能需求，選取ESP8266Wifi模塊用于上位機(jī)和下位機(jī)進(jìn)行通信，可連接同一Wifi進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。優(yōu)勢(shì)在于傳輸速率高、成本低、體積小、功耗低，且十分便于調(diào)試開發(fā)。

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

為防止系統(tǒng)出現(xiàn)異常后丟失運(yùn)行的重要參數(shù)，本設(shè)計(jì)加入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。模塊使用Atmel公司的AT25128B型號(hào)EEPROM，通過DSP的SPI模塊與EEPROM硬件連接并進(jìn)行軟件編程，將系統(tǒng)運(yùn)行的高頻脈沖的頻率和死區(qū)等參數(shù)存入存儲(chǔ)模塊中。

2.5 無線電能傳輸模塊

相比其他一般類別的無線電能傳輸技術(shù)[8-11]，本設(shè)計(jì)利用磁耦合諧振式無線充電原理；采用適合高頻逆變的雙E逆變器進(jìn)行高頻逆變，開關(guān)管采用CREE公司生產(chǎn)的SiC功率器件，最大電壓UDS為900 V，導(dǎo)通電阻RDS(on)為65 mΩ，常溫時(shí)最大導(dǎo)通電流ID為36 A，開通延遲時(shí)間td(on)為21 ns，上升時(shí)間tr為36 ns，關(guān)斷延遲td(off)為28 ns，關(guān)斷時(shí)間tf為25 ns，并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間為30 ns，一個(gè)周期運(yùn)行需要的時(shí)間為110 ns，理論上最大運(yùn)行頻率近9 MHz；采用非隔離的高速驅(qū)動(dòng)芯片；使用參數(shù)相同的平面螺旋線圈，同時(shí)采用COMSOL有限元分析軟件分析線圈的電磁場(chǎng)分布；使用高速SiC功率二極管實(shí)現(xiàn)高頻整流，型號(hào)為CREE公司的C4D30120D；使用大功率可調(diào)電容實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。得到最大功率為1 kW的傳輸距離更遠(yuǎn)、功率更大、效率更高的無線電能傳輸系統(tǒng)。在高頻逆變?cè)O(shè)計(jì)中，根據(jù)不同需求采用不同耐壓值和耐流值的SiC開關(guān)管，得到不同最大功率的無線電能傳輸模塊，整體設(shè)計(jì)如圖2所示。首先，交流電源經(jīng)過整流、降壓電路之后得到可變直流電源；接著，直流電源經(jīng)過雙E逆變器得到高頻逆變電源；然后，高頻逆變電源經(jīng)過諧振耦合將電能從原邊無線傳輸?shù)礁边吘€圈；最后，經(jīng)過高頻整流和升降壓電路得到可控的直流電供負(fù)載使用。其中，uac為系統(tǒng)交流輸入電源，Uout為系統(tǒng)直流輸出電源；原邊整流電路由D1～D44個(gè)二極管組成；降壓電路由開關(guān)管V1、二極管D5、電感L1和電容C1組成；高頻逆變電路由開關(guān)管V2和V3、扼流電感L2和L3、旁路電容C2和C3組成；LⅠ和LⅡ分別為原邊和副邊的諧振電感，CⅠ和CⅡ分別是原邊和副邊的諧振電容，RⅠ和RⅡ?yàn)樨?fù)載電阻；副邊整流電路由D6～D74個(gè)二極管和電容C4組成；升降壓電路由開光V4、電感L4、二極管D10、電容C5組成；R3為負(fù)載。

圖2 無線電能傳輸主電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)與下位機(jī)的通信協(xié)議

通信協(xié)議是上位機(jī)與下位機(jī)之間通信中不可或缺的，為了確保通信的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，需要制定通信協(xié)議，包括基本通信協(xié)議與應(yīng)用層數(shù)據(jù)協(xié)議[12]。上位機(jī)與下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信為基本通信協(xié)議，其參數(shù)設(shè)定為:波特率(115 200)，數(shù)據(jù)位(8)，奇偶校驗(yàn)位(N)，停止位(1)。應(yīng)用層數(shù)據(jù)協(xié)議采用Modbus協(xié)議，主要應(yīng)用其讀取寄存器(03)和寫入寄存器功能(06、10)[13]。

3.2 LabVIEW上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)上位機(jī)是通過LabVIEW 2017進(jìn)行開發(fā)，功能流程如圖3所示。在系統(tǒng)開始工作之前，首先進(jìn)行通信參數(shù)的配置并按下通信連接按鈕，當(dāng)無線通信正常時(shí)，設(shè)置相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，按下PWM開關(guān)，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送開關(guān)指令使系統(tǒng)處于輸出運(yùn)行狀態(tài)。與此同時(shí)上位機(jī)可以準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)接收到下位機(jī)回傳的各種數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)處理后反饋到前面板得到系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和各類參數(shù)。

圖3 上位機(jī)功能流程

3.2.1 前面板設(shè)計(jì) 根據(jù)系統(tǒng)的功能需要，本系統(tǒng)可視化監(jiān)控界面的前面板包括控制面板和通信配置。控制面板界面包括通信連接、參數(shù)輸入、模擬量監(jiān)控、溫濕度監(jiān)控、PWM輸出、狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要功能窗口；通信配置界面包括對(duì)波特率、校驗(yàn)位等通信參數(shù)的修改、以及實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)送和接收的詳細(xì)數(shù)據(jù)及字節(jié)，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)可視化監(jiān)控界面

3.2.2 后面板設(shè)計(jì) LabVIEW后面板設(shè)計(jì)框架為兩個(gè)while循環(huán)，各嵌套一個(gè)條件判斷環(huán)。第1個(gè)while循環(huán)中包括1個(gè)觸發(fā)條件，即通信連接以及通信參數(shù)的設(shè)置；第2個(gè)while循環(huán)包括設(shè)置發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的時(shí)間和順序、編寫發(fā)送的數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)并分析計(jì)算、在前面板中顯示數(shù)據(jù)、監(jiān)控收發(fā)數(shù)據(jù)和關(guān)斷時(shí)清空數(shù)據(jù)顯示等功能。

當(dāng)前面板設(shè)置好通信參數(shù)并按下連接按鈕后，數(shù)據(jù)處理模塊開始工作，在前面板各窗口可以進(jìn)行操作并發(fā)送相應(yīng)指令，如輸入相應(yīng)工作電壓、頻率、死區(qū)等設(shè)定值，并按下設(shè)置按鈕，發(fā)送指令到下位機(jī)中，改變系統(tǒng)輸出。同時(shí)將串口中讀到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，隨后數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)顯示條件判斷框后進(jìn)行狀態(tài)燈和圖表顯示。簡化后的程序框架如圖5所示，包括通信連接模塊、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)并顯示數(shù)據(jù)的程序設(shè)計(jì)。其中，在寫入基于Modbus協(xié)議的數(shù)據(jù)時(shí)，還需要使用循環(huán)冗余校驗(yàn)(Cyclic Redundancy Check, CRC)子程序獲取數(shù)值CRC的校驗(yàn)碼，圖中只顯示個(gè)別指令。

圖5 LabVIEW程序框圖

3.2.3 LabVIEW串口程序設(shè)計(jì) 上位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)使用到儀器I/O串口目錄下的VISA打開、VISA配置串口、VISA設(shè)置I/O緩沖區(qū)大小、VISA清空I/O緩沖區(qū)大小、VISA寫入、VISA讀取等模塊，通過這些軟件自身集成的串口功能模塊，能便捷地配置串口的通信參數(shù)并寫入和讀取數(shù)據(jù)[14-15]。

3.2.4 數(shù)據(jù)寫入和順序 可視化監(jiān)控界面需要向下位機(jī)發(fā)送不同的指令數(shù)據(jù)，進(jìn)而收到不同的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，分析后得到系統(tǒng)運(yùn)行的輸出參數(shù)和狀態(tài)，包括0X03讀取、0X06寫入等指令，故使用條件指令，按下前面板各窗口的功能按鍵，則觸發(fā)不同的條件指令進(jìn)而寫入不同的數(shù)據(jù)發(fā)送到下位機(jī)。其中，PWM開關(guān)、輸入電壓、輸入頻率和輸入死區(qū)等按鍵指令使用了單個(gè)寄存器寫入功能(0X06)；參數(shù)輸入按鍵則使用了多個(gè)寄存器寫入功能(0X10)。界面默認(rèn)為周期1 s的讀取數(shù)據(jù)指令(0X03)。

3.2.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 為防止系統(tǒng)發(fā)生突然斷電等突發(fā)情況，本設(shè)計(jì)使用其CPU中DSP的串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface, SPI)模塊與EEPROM進(jìn)行通信存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。通過軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)重新通電后，能保持之前運(yùn)行的參數(shù)。在前面板中，選擇相應(yīng)的儲(chǔ)存對(duì)象，如頻率、死區(qū)等參數(shù)，按下單個(gè)按鍵，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)的存儲(chǔ)；按下全部，則存儲(chǔ)系統(tǒng)全部的運(yùn)行參數(shù)。

3.2.6 監(jiān)測(cè)并保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài) 狀態(tài)監(jiān)控窗口監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)并判斷是否發(fā)生錯(cuò)誤。使用下位機(jī)軟件設(shè)置各參數(shù)的上下閾值，防止損害整體系統(tǒng)運(yùn)行。如果系統(tǒng)發(fā)生電壓、電流、頻率、死區(qū)、溫度、濕度過高或過低、EEPROM存儲(chǔ)模塊等錯(cuò)誤，則相應(yīng)狀態(tài)燈將會(huì)點(diǎn)亮。

3.2.7 收發(fā)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 通信配置圖能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；選擇通信波特率和奇偶校驗(yàn)位；清理發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

檢測(cè)系統(tǒng)各功能，通信連接正常，設(shè)置通信的波特率為115 200，COM口選擇COM3。

系統(tǒng)運(yùn)行如圖6所示，各模塊在圖中已標(biāo)出，均工作正常，監(jiān)控系統(tǒng)中的無線通信正常且精準(zhǔn)。運(yùn)行時(shí)，平面線圈距離為11 cm，工作頻率為1.153 MHz，原邊輸入電壓為10 V，電流為1.3 A，原邊輸入功率為13 W。經(jīng)測(cè)量，副邊負(fù)載電壓為26.233 V，電流為0.469 A，副邊輸出功率約為12.3 W，總效率約為94.6%。

圖6 系統(tǒng)運(yùn)行

5 結(jié) 語

系統(tǒng)經(jīng)過測(cè)試，能夠?qū)崿F(xiàn)高效率、遠(yuǎn)距離的無線電能傳輸技術(shù)，在距離為11 cm時(shí)，效率為94.6%。對(duì)溫度、濕度、電壓、電流、頻率和死區(qū)等系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集，通過無線傳輸數(shù)據(jù)的方式避免了傳統(tǒng)布線所產(chǎn)生的隱患，且通信穩(wěn)定，效率高。LabVIEW可視化監(jiān)控界面簡潔、運(yùn)行穩(wěn)定，且具有報(bào)警功能，對(duì)于保證生產(chǎn)穩(wěn)定、人員安全具有一定的意義。該系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)使用Modbus協(xié)議，具有較強(qiáng)的可靠性和通用性，其通用性架構(gòu)為其他控制器測(cè)試系統(tǒng)搭建具有一定參考價(jià)值。