《电子技术应用》

一种无线电能传输变频器的设计与应用

2016年电子技术应用第4期 作者:李 江1,马 腾1,李国庆1,郭镇齐1,王学斌2
2016/5/18 14:00:00

李  江1,马  腾1,李国庆1,郭镇齐1,王学斌2

(1.东北电力大学 电气工程学院,吉林 吉林132012;2.国网兰州供电公司,甘肃 兰州730070)


    摘  要: 无线电能传输是全新的能量传输方式,针对无线电能传输的高频能量变换问题,设计了以ATmega64单片机为核心的高频变频器。首先,结合无线电能的传输特点,设计了主电路,驱动电路、采样电路、保护电路等控制电路;然后,基于PWM控制技术,提出了瞬时输出电压外环和电容电流内环的双闭环控制策略,并仿真验证了该策略的正确性;最后,通过开发的样机证实了该变频器的有效性。所开发的变频器包含了无线电能传输的核心技术,具有稳定性好、损耗小、可靠性高等优点。

    关键词: 无线电能传输;变频器;双闭环控制

    中图分类号: TM46

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.034


    中文引用格式: 李江,马腾,李国庆,等. 一种无线电能传输变频器的设计与应用[J].电子技术应用,2016,42(4):124-126,131.

    英文引用格式: Li Jiang,Ma Teng,Li Guoqing,et al. Design and application of a frequency transformer for wireless power transmission[J].Application of Electronic Technique,2016,42(4):124-126,131.

0 引言

    无线电能传输作为近几年发展起来的新型能量传输方式,已成为国内外机构和学者的研究热点[1]。目前无线电能传输分为3大类:第一类是微波传输;第二类是电磁感应式,利用电磁感应耦合来实现无线电能传输;第三类是磁耦合共振式,两个谐振频率相同的物体通过磁耦合的形式进行无线电能的传输,可实现中等距离的高效传输。以上3类方式在传输过程中都以高频信号的形式进行传输[2]。目前国内外大多学者的研究是将高频电能通过整流,以直流的方式供给负载。然而,绝大多数场合仍然需要交流电源。本文提出了一种适用于无线电能传输的变频器,能够将高频电压转换为工频电压,进而方便人们日常使用,显著地提高无线电能传输的应用范围[3]

    变频器按照有无中间直流环节分为交-交变频器(AC-AC)和交-直-交变频器(AC-DC-AC)[4]。交-交型主要是将工频交流电调节为其他可调频率的交流电,广泛应用于交流电动机调速系统。交-直-交型存在中间直流环节,由整流和逆变两部分构成,具有输出容量大、无电气隔离、变频范围宽等特点。由于设计是将高频交流电转换为低频交流电,因此本文变频器选用常用的交-直-交变频方式。

1 系统总体设计

    系统的总体设计如图1所示,由主电路和控制电路两部分构成。其中,控制电路以ATmega64为核心,驱动电路、采样反馈电路、保护电路以及通信显示电路等构成控制电路的外围电路。无线电能接收端接收生成的高频交流电,再经过全桥整流、滤波得到直流电压,由ATmega64可调的PWM信号控制,最后经过全桥逆变电路、变压电路和滤波电路输出正弦电压波形[5]。基于电压偏差信号,采用双闭环控制方法,控制逆变器系统的功率稳定输出。同时,变频器具备过压过流保护功能及电压电流显示功能。

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    变频器的主电路如图2所示,主要由整流滤波电路、全桥逆变电路、高频变压电路及滤波电路4部分构成。整流滤波部分由4个二极管D1~D4构成桥堆进行整流,电容C1和C2进行滤波和稳压。逆变电路采用4个MOSFET管组成两组桥臂形式的单相全桥式电路,并且MOSFET并联二极管进行续流,由ATmega64产生的两路互补SPWM信号驱动MOSFET管。在逆变电路前串联一个熔断器F,以防止发生过流、短路等现象,起保护作用。高频变压器主要用于变压和电气隔离,输出滤波电路采用LC滤波,滤除输出波形中所包含的高次谐波,输出220 V/50 Hz正弦波形[6]

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2 控制电路设计

2.1 主控制器

    控制电路的主芯片选用ATMEL公司生产的ATmega64单片机。它是一款基于增强的AVR RISC体系结构的低功耗的8位CMOS微控制器,拥有先进的指令集和单时钟周期指令执行时间,数据吞吐率高达1 MIPS/MHz。

2.2 驱动电路

    由单片机产生的控制信号幅值只有5 V,因此需要驱动电路将控制信号进行放大,使其能够驱动MOSFET管的正常工作。本设计中选取IR2110作为驱动电路的驱动芯片,它能够提供最大为2 A的驱动电流,而且还具有快速的驱动能力,驱动芯片输出栅极驱动电压10~20 V,芯片内部针对桥式逆变器等开关管的浮地情况也作了专门的设计,且不需要专用的供电电源,使用简单[7]

    IR2110驱动电路图如图3所示,本设计采用两个相同的IR2110作为驱动电路。一个芯片的HIN端和LIN端分别连接另一个芯片的LIN端和HIN端,分别接入单片机输出互补的两路SPWM控制信号。其输出的驱动电压信号,分别通过HO和LO端驱动单相全桥电路中同一桥臂的上下两个MOSFET功率管相互导通。

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2.3 采样电路

    通过逆变输出的电压和电流采样信号,实现逆变器输出的闭环控制。电压采样电路如图4所示,使用电压互感器对输出电压进行变压和电气隔离后,利用运算放大电路将信号调整到-2.5 V~+2.5 V范围内,再叠加2.5 V的直流偏置量,从而得到0~5 V范围内的交流电压,同时在引脚输入前添加二极管以确保输入电压值不会超过5 V。

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    电流采样电路如图5所示,使用电流互感器对输出的电感电流瞬时值进行采样,接入电阻将电流值转换为电压值,再经过运算放大器TL082将电压值进行放大,转换成0~5 V的直流电压接入A/D转换接口。

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3 控制系统设计与仿真

3.1 控制器设计

    在变频器的逆变部分,采用了瞬时输出电压外环和电容电流内环的双闭环控制方法,结构框图如图6所示。瞬时输出电压Uo与参考电压Uc进行比较,误差信号经电压PI控制器调节后作为电流内环的参考电流Ic。电容电流瞬时值If与参考电流Ic比较产生的误差信号再经过电流P控制器产生调制波,通过调制波与三角波载波的比较产生SPWM波,从而作为MOSFET管的控制信号。逆变输出调制电压经LC滤波电路则可得到正弦电压[8]

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    电压和电流控制器分别为:Gu(s)=K1p+K1i/s,Gi(s)=K2p。设计中电压外环采用比例积分控制器PI,使输出电压波形瞬时跟踪给定值;电容电流内环采用比例控制器P,用来增加逆变电路的阻尼系数,增加系统稳定性,并且保证较强的鲁棒性。

3.2 仿真研究

    基于对双闭环控制系统的研究,在MATLAB/Simulink仿真环境中,搭建电压电流双闭环控制逆变器仿真模型。系统参数为:输入直流电压400 V;开关频率10 kHz;输出滤波电感L=1 mH、滤波电容C=10 μF,负载R=20 Ω,L=1 mH;控制器参数K1p=1.2,K1i=0.32,K2p=0.8。

    如图7所示分别是在开环和双闭环条件下空载增加负载,逆变器输出电压电流波形图。仿真结果表明逆变器在开环条件下,空载时输出电压波形正弦度不高,输出电压谐波畸变率THD=3.22%。而在电压电流双闭环控制条件下,谐波含量少,电压谐波畸变率为THD=0.60%。并且当负载发生突变时,输出电压波形变化小,逆变器动态响应速度快,很快将输出电压调整至稳态,从而仿真验证了双闭环控制策略具有较高的动态响应速度和稳定性。

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4 软件设计

    变频器软件设计中,主程序流程图如图8所示,首先对系统进行初始化,系统初始化包括系统时钟初始化、寄存器初始化、变量初始化、中断初始化、PWM初始化、输入与输出初始化。初始化完成后,进入中断,并对数据进行处理。系统对一些故障信号进行判断,当检测到故障标志位被置位,则进入故障处理,如果中断发生则进入中断服务子程序。

    中断服务子程序流程图如图9所示,主要用于实现数字处理运算,如A/D转换、查询建立正弦表、生成SPWM信号、基于双闭环控制的算法等。系统首先保护中断现场,通过A/D采样,取得逆变输出的电流、电压值,并读取正弦表上的正弦参考值,对采样所得的数据和正弦表参考值一起作为双闭环控制的反馈参数进行PID控制,通过改变占空比,算出相应的比较寄存器值,从而生成SPWM脉冲。

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5 样机实验结果

    按照所设计的变频电路,以单片机ATmega64作为主控制器,制作了变频器样机,应用于磁耦合谐振式无线电能传输电路。无线电能传输电路接收端高频电压信号如图10所示,频率为10 MHz。将高频信号接入变频电路,采用双闭环控制策略,最终输出电压波形如图11所示,电压幅值约为220 V,频率近似等于50 Hz,输出波形正弦度高,从而实验结果验证了变频器设计的正确性。所设计的变频器最大功率为60 W,可适用于小功率无线电能传输装置。

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6 结论

    本文设计了以ATmega64数控技术为控制核心的无线电能传输接收端的变频器。首先设计了无线电能传输变频器的主电路和控制电路,然后提出了双闭环控制策略,仿真验证了方法的可行性,最后开发了变频器样机,有效将无线电能高频电转变为工频电,验证了控制方法的有效性。设计的变频器控制简单、稳定性高、保护功能齐全,应用前景广阔。

参考文献

[1] 黄学良,谭林林,陈中,等.无线电能传输技术研究与应用[J].电工技术学报,2013,28(10):1-11.

[2] Jonghoon Kim,Hongseok Kim,Mijoo Kim,et al.Analysis of EMF noise from the receiving coil topologies for wireless power transfer[J].2012 Asia-Pacific Symposium on Electro-magnetic Compatibility(APEMC),2012:645-648.

[3] 王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2005.

[4] 马化盛,张波.AC-AC变换器特性与应用研究[J].开关电源技术,2006(9):5-9.

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[6] 陈富,黄大贵,黄逸平.基于AVR单片机的数字正弦逆变电源设计[J].电子设计工程,2010,18(8):165-167.

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[8] 蔡宣三,倪本来.开关电源设计与制作基础[M].北京:电子工业出版社,2012.

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