[论文] 开题报告最终版（王小霞） .doc

基于dsp的cpt控制系统及算法研究1.文献综述国内外现状 早在20世纪80年代，e. abel和s.m. third 就提出了非接触式功率传输概念error! reference source not found.，国外有许多科研院所和公司从事此项技术的研究，其功率级别从几个千瓦到几百个千瓦。比较有代表性的研究机构是新西兰奥克兰大学电子与电气工程系功率电子学研究中心，该中心从20世纪90年代开始主要从事滑动式icpt系统的研究。经过十多年的努力，该技术在理论和实践上已获得重大突破。美国byeong-mun song等研究了电磁机构的e-i型结构对耦合率的影响2，robert l. steigerwald 等对如何选择磁芯材料提出了依据3。韩国kyungpook national university的byungcho choi等研究了手机非接触充电装置的设计与制作，通过采用印刷电路板上刻制的线圈减小初次级线圈的体积，从而使得次级拾取及整流充电电路部分可以全部内置于手机4。文献5中研究了非接触电能传输系统中负载电压的稳定性。文献6综述了感应电能传输系统的理论与实际设计要点，因为很多实际icpt系统的耦合效果都是介于紧耦合与松耦合之间，这种情况下，在设计过程中，必须仔细考虑耦合效应以使其对相位或者频率的影响最小。对此，文中提出了一种新的初级回路补偿设计方法并在一个非接触汽车电池充电器上进行了验证。文献7研究了lcl负载谐振逆变器在感应电能传输系统中的应用，详细分析了电流断续模式下系统的功率传输特性，通过使用逆变器和谐振回路之间的功率平衡分析推导了稳态工作情况，理论预测了逆变器工作点并找到串联电感的最优值，分析结果在电动车非接触电池充电器中进行了实验验证。文献8通过旋转变压器实现了多层可录光盘层选型驱动机构的非接触能量供应，原型机可以为旋转盘提供足够的电能。在实际应用中，主要研究集中在给移动设备，特别是在恶劣环境下的供电问题，如电动汽车、起重机、运货车，以及水下、井下设备。目前实用的设备已达到200kw，数公里的传输距离和85%以上的传输效率。目前该技术己被成功的推广到日本、德国、美国等地，其典型的商业化产品有日本大阪富库公司的单轨行车和无电瓶自动运货车、新西兰奥克兰大学所属奇思公司开发的高速公路发光分道猫眼系统以及用于rotorua国家地热公园的30kw非接触充电电动机车、德国奥姆富尔公司的载人电动列车以及美国通用汽车公司推出的ev1型电车非接触感应充电系统。有关新型感应耦合功率传输系统项目的开发研究仍然在不断进行中，它涉及的领域也日渐广泛。除了有上述的交通、材料运输等领域外，还有生物医学、钻井、工矿、水下作业等领域。如飞机座位上的非接触供电系统用于给每个座位上的娱乐设施提供能量，每个单元大约消耗50w能量。该电能传输装置易拆装，使座位在飞机上可以灵活的移动，同时利用感应耦合技术提高了系统的安全性、可靠性和舒适度。生物医学领域正利用这一技术进行人工心脏和恶性肿瘤疗法等的研究。这些系统通过在病人皮肤下植入电路，由戴在病人腰间的感应耦合装置透过皮肤向体内进行能量传递，开辟了新型的损伤性较小的医疗天地。由于耦合装置的放置以及病人皮肤的厚度不同，系统的电力电子驱动设备必须能经受耦合参数的变化1。在国内，对非接触式电能接入技术及装置的研究起步较晚，在近两年才开始引起重视。香港城市大学的s.y. hui、h. chung和s.c. tang等人研究了非接触式电能接入技术及微型化应用。中国科学院电工研究所的武瑛、严陆光等对非接触供电系统的性能1和稳定性11进行了分析。湖南大学的欧阳红林对非接触电能传是系统的控制方法进行了相关研究12。重庆大学孙跃教授领导的课题组自2001年便开始了对非接触式电能传输技术的基础理论与实用技术的研究并在理论和技术成果上有了较大的突破12。河北工业大学的贾俊林、西安交通大学的王兆安12、浙江大学的陈辉明也对该技术进行了相关研究。在国内外发表的文章中，对cpt系统的研究主要集中在以下几个方面：1）对cpt系统的原理和结构分析；2）cpt系统的拾取电路研究；3）对cpt系统参数的分析，例如电流、电压、频率、传输效率等。然而，对于cpt控制系统和控制算法的研究非常少见。课题学术和实用意义目前，在给移动的用电设备(如电气化铁道的电力机车、地铁机车、城市有轨电车或无轨电车)供电中，一般均采用相对滑动接触的方式传递能量。这种方式在使用中存在诸如滑动磨损、接触火花、碳积和不安全裸露导体等弊端，它不仅限制了运动速度，而且还由于摩擦作用损伤了设备，影响了寿命，甚至还需要花费高昂代价通过停工、停运来检修维护设备。在化工、采矿等易燃易爆领域，采用滑动摩擦方法极易引燃或引爆火花引发事故。因而研究一种非接触的电能传输方法显得尤为重要。人们首先考虑到感应能量传输的方法12。感应能量传输技术己经在一系列进行能量传输的商业化产品和系统中使用了长达一个多世纪，比较典型的商业化产品是电机、变压器等。与变压器传输能量相比，电机有一个突出的优点，就是不受速度的影响，但这种传统的感应能量传输系统的显著特点是子系统之间相对位置固定。当用电设备与供电电源之间有相对运动时，这种系统的应用必然受到限制。感应耦合功率传输技术(inductively coupled power transfer简称icpt)弥补了供电电源和用电设备之间移动相对比较严格的限制，并能应用到一些特殊的工作环境，而受到人们的关注。它是基于功率半导体器件和电源转换技术发展的基础上产生的新技术12 。感应耦合功率传输技术利用电源转换技术，使直流电或工频交流电转变为高频交流电(10-l00khz)来传输能量，从而使通过较大气隙传输电能成为现实。非接触电能传输的核心技术是感应耦合功率传输技术(inductive coupled power transmission)，简称为icpt技术12。icpt系统和传统的供电系统相比有移动灵活、环境适应强、安全可靠、维护次数降低12等优点。它的应用潜力是巨大的，在交通运输、生产、生物医学以及人们的日常生活等领域中都有很大的使用价值和广阔的应用前景，具有巨大的经济和社会效益。cpt技术是世界上电能输送领域的前沿课题，虽然在国内已有关于这方面的研究和应用报道，但是，与国际水平相比还存在较大的差距，尤其是大功率的传输系统还比较少见。本课题以国家自然科学基金项目为背景，最终目的就是设计出3kw、50khz的大功率传输系统，该系统的开发将填补国内空白，其推广应用有着广阔的发展前景，必将推动我国电力电子及电气自动化技术的巨大进步12。目前，国内外的研究都主要集中在对cpt系统总体结构的研究，对cpt控制系统的专门研究非常少见。而cpt系统是一个复杂的电能传输系统，其性能的高低与控制系统的性能有着密切的关系，研究出一种数据运算能力强、实时性好且精度高的智能控制系统是非常有必要的。而dsp数据处理能力强、运行速度高、体积很小，能很好的满足控制系统的要求，目前广泛用于各种复杂控制系统中2。利用dsp作为cpt控制系统的核心必将大大提高整个系统的性能。2.课题研究目的、内容、技术路线研究目的该课题有两个研究目的：一是对cpt控制系统进行研究，利用新一代高速dsp处理器设计出独立的cpt智能控制系统；二是对控制算法进行研究，寻找一种先进的算法对系统进行最优控制，从而提高系统的稳定性和传输效率。研究内容1）cpt控制系统研究：根据系统要求，分析出主电路对控制电路的基本控制要求以及系统功能扩展的控制要求，将控制系统模块化，设计出具有丰富接口电路的通用控制系统，实现对主电路的基本运行控制（整机启停、逆变电路驱动）、保障控制（恒流、恒压）、特殊功能控制（软启动、显示）以及保护控制（过压、过流、失谐）；2）算法研究：对影响系统性能的重要参数进行分析，研究出一种能提高系统的稳定性和传输效率的控制算法。技术路线控制系统的优劣对cpt系统性能的高低有至关重要的作用。采用具有强大数据处理能力和高运行速度的dsp作为控制系统的核心，设计出具有丰富接口电路的通用控制系统；根据硬件电路的需求提出相应的软件设计方案，编程并用dsp专用软件ccs进行调试；在对整个cpt实验系统进行调试的过程中，利用dsp特有的fft模进对电流谐波分量进行分析，研究出一种能提高系统的稳定性和传输效率的控制算法。3.创新之处与拟解决的关键问题创新之处1）将cpt控制系统模块化，设计出具有丰富接口电路的通用cpt控制系统；2）基于dsp智能芯片，提出提高cpt系统稳定性及传输效率的控制算法。拟解决的关键问题1）解决cpt系统安全启停和逆变电路精确控制问题；2）解决复杂控制算法与dsp有限计算速度之间的矛盾；3）分析cpt系统电流谐波产生的主要原因，并提出解决办法。4.预期目标1）完成cpt控制系统要求的分析以及总体结构的设计；2）以dsp为主控制器，完成控制系统接口电路的设计与实现；3）完成对样机系统的整体运行调试；4）研究出一种更优的控制算法。5.可行性论证我们实验室自2001年便开始了对非接触式电能传输技术的基础理论与实用技术的研究，先后研发了小型系统、微型系统和大中型系统，在国内外期刊和会议发表论文十多篇并申报了基于该技术的3项专利。目前实验室具有对cpt技术进行进一步研究的理论基础和实验条件。cpt技术是世界上电能输送领域的前沿技术，cpt系统也是一个复杂的电能传输系统，其性能的高低主取决于控制系统的性能，采用智能心片设计出智能控制系统能大大提高整个cpt系统的性能。该控制系统对数据运算能力、实时性和精度都有很高的要求。在20世纪80年代初期出现了数字处理器（dsp），它提高了时钟频率，集成了硬件乘法器，既增强了微处理器的数据处理能力，又在片内集成了大量的外围接口。dsp不仅具有强大数据处理能力和高运行速度，而且它体积很小，采用软件编程具有高度的灵活性，为从事各种复杂的应用提供了一条有效途径，因而在控制系统中得到广泛应用。目前用于控制的dsp芯片最高可在150mhz主频下工作，指令运行速度可达到150mips，并带有16路12位adc（最快80ns转换时间），可兼顾控制和快速运算的双重功能。综上所述，dsp能实现对主电路的运行控制，能实时检测电流电压并且可以扩展丰富的接口电路。除此之外，通过对芯片合理的系统配置和编程可实现快速运算。使用dsp作为控制核心完全可以设计出满足系统要求的智能控制系统。6.参考文献：1 abel e,third s m.contactless power transfer-an exercise in topology j. ieee transaction on mahnetics,1984,20(5):1813-1815.2 byeong-mun song,kratz,r.,gurol,s.,contactless inductive power pickup system for maglev applications,”industry applications conference,2002.37th ias annual meeting,2002,3: 1586 1591.3 steigerwals, r.l.; 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