相对转动物体间的非接触式供电系统设计.pdf

第 4 9卷第 1 0期 2 0 1 5年 1 0月 电 力 电子 技 术 Po we r Ele ct r o nics Vo 1 4 9，No 1 0 Oct o b e r 2 0 1 5 相对转动物体问的非接触式供电系统设计 袁 国栋 ，马殿 光 ，姚 辰 ，唐厚君 ( 上海交通大学 ， 电子信息与电气工程学院，上海2 0 0 2 4 0 ) 摘要： 向具有相对转动状态 的用电设备供电时 ， 使用滑环接触方式存在滑动摩擦 ， 因而会产生磨损碎屑和电火 花等问题， 采用非接触式电能传输的方案可 以有效解决这些问题。研究了具有相对转动部件的非接触式供 电 系统的设计 ， 包括电能变换电路的设计、 补偿网络参数的选择和频率控制方法等。针对松耦合变压器在转动过 程中参数变化的特点， 通过绘制工作特性 曲线选取合适的补偿 网络参数 ， 能有效减小转动过程 中负载 电压 的 波动 ； 而频率控制在保持高电能传输效率的同时可增大提供给负载的电压范围。 关键词： 非接触式电能传输；相对转动；补偿网络 中图分类号： T M 7 2 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 0 1 o o x( 2 o 1 5 ) 1 0 - 0 0 3 8 0 4 De s ig n o f Co n t a ct le s s P o we r S u p p ly S y s t e m F o r Ro t a t in g Ap p lica t io n s Y U A N G u o d o n g ，MA D ia n - g u a n g ，Y A O C h e n ，T A N G Ho u - j u n ( S h a n g h ai J i a o U n i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0，C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e r e e x is t s s e v e r a l ri s k s s u ch a s s we a r a n d t e a r ， s p ark， w h e n s lip r in g is u s e d f o r t r a n s f e r e le ct r ic it y t o r o - t a ri n g p o w e r co n s u mp t io n e q u ip me n t w h ile w irele s s p o w e r t mn s r is a n e ff e ct iv e s u b s t it u t io n T h is p a p e r ma in ly f o cu s - e s o n t h e d e s i g n o f co n t a ct l e s s p o w e r s u p p l y s y s t e m for r o t a t in g a p p li ca t i o n s， in cl u d in g the d e s i gn o f co n v e r s io n c i r cu it ， ch o o s e o f co mp e n s a ti o n n e t wo r k p ara me t e r s ， co n t r o l me t h o d o f e q u e n cy a n d S O o n F o r lo o s e ly co u p l e d t r a n s f o r me t p a r a me t e r s ch a n g e d u ri n g r o t a t i o n， a p p r o p ri a t e co mp e n s a ti o n p ara me t e rs ca n red u ce the ch ang e o f lo a d v o l tag e An d f r e q u e n cy co n t r o l ca n ma i n tai n h ig h e ffi cie n cy Ke y wo r d s ： co n t a c fle s s p o we r t r an s f e r ；r o t a t in g ；co mp e n s a t io n n e t w o r k 1 引 言 非接触 式 电能传输技术能实现供 电侧 与用 电 侧隔离， 避免了裸露导体、 摩擦磨损和产生火花等 导体接触传输 电能时 的不便和隐 1 。因此 ， 将 此 技术应 用于具有相对转动 的用 电设备供 电能替 代传 统的滑环供 电方式 ， 具有 良好的应用前景 。 在此采用感应式 电能传输技术 。 即使用初 、 次 级分离的松耦合变压 器实现 电能传 输 。初级变压 器的输入 电能需通过 电能变换 电路转化为高频交 流 电， 提 高能量密度 ； 同时为减少系统功率输入要 求和提高有功功率输 出 需对初级能量发射和次 级拾取的变压器漏 感进行补偿 提高系统工作性 能【 2 】 。为确 定补偿 电容参数 ， 需对松耦 合变压器进 行建模分析 。此外 ， 为保 持电能高效率传输 ， 通过 频率控制 能使系统工作在接近谐振 的状态 。 频化。电路开关管选用 高速 N MO S ； 在其漏源两端 并联有缓冲 电容 ， 目的是 限制其两端 电压变化 率 在保护器件的 同时 ， 避 免在其开关过程 中 电压、 电 流 同时达到最大值 ， 减 小开关损耗 。 缓冲 电容的容 值一般取小于 1 1 0的初级补偿 电容 ，以减小缓冲 电容对谐振 网络 的影响【 3 。 驱动采用 I R 2 1 1 0高端 自举方 式 ，以减 少驱 动 电源的数 目； P WM信 号 的 产 生 通 过 T MS 3 2 0 F 2 8 O 2 7芯 片 的 e P WM 模 块 实 现 。图 l 为非接触式供 电系统设计示意 图。 直流 图 1 非接触式供电系统设计示意图 F ig 1 De s ig n s ch e ma t i c d ia g r a m o f w irel e s s p o w e r t r a n s f e r s y s t e m 2 初 级 电能 变换 电路设 计 3 松 耦合 变压 器 的结构 该 设计 使用 电压型全桥逆变 电路实现 电能高 定 稿 日期 ： 2 0 l5 0 9 1 0 作 者 简介 ： 袁 国栋 ( 1 9 9 2 一) ， 男 ， 江 苏启 东人 ， 硕 士研 究 生 ， 研 究 方 向 为 无 线 电 能 传 输 。 3 8 图 2为 能够实现初 、次级相对转动 的松耦合 变压器示意 图。固定侧( 外圈) 和旋转侧 ( 内圈) 均 使用 E型铁 心 ，且均匀分布 ，端面处于 同一水平 面上 ： 绕组使用利兹线绕制并填满窗 口， 且每一侧 相对 转动 物体 间的 非接 触式供 电系统设 计 的每个线圈互相 串联 。 此 设计具 有易组装 ， 易调节 变 压器参数的特点。制作完成 的实物在 转动过程 中参数有一定变化 ， 气隙约 2 m m。 测试 时 ， 转动旋 转侧 。 每转 动一定角度便测量一次变压器参数 ， 选 取有代表性 的几组数据记录在表 1中 ， 可见 ， 松耦 合变压器的参数不是常数， 且有一定波动。 图 2 旋转式松耦合变压器结构 Fig2 The s t r u ct ur e o f r o t a t ing lo o s e ly co u ple d t r a n s f o r me r 表 1 不 同转动 角度 时变压 器 的参数 Ta b le 1 Pa r a me t e r s f o r d i ffe r e n t a n g le s o f t h e t r a n s f o r me r 。 ， 分别为初、 次级自感； 肘为互感； k为耦合系数， k = M 、 ； 为有效匝比， ， l。 = 、 。 4 谐 振 网络 参数 的选 择 4 1建 模 分 析 由于主 电路 电源输入类型为 电压 型 。该设计 使用初 、 次级均串联 电容的补偿拓扑。 为研 究谐振 网络参数对系统工作特性 的影 响 需对松耦合变 压器进行建模分析。将该设计使用的松耦合变压 器视为双绕组变压器 ， 建立互感模型 。 图 3为加入 补偿电容和负载后系统等效电路。 C - ， 分 别为 初 、 次 级 的串 联补 偿 电容 ；五为 次 级映 射 到初 级 的 反映阻抗 ， Z , = a ,2 M2 Z ； Z , 为次级总阻抗 ， Z , = j t o L 2 + r 2 + ll( j t o C 2 ) + R L ； r - ， r 2 分别为初、 次级绕组的等效电阻； R 为次级的负载电阻。 图 3 互感模型等效电路 F ig 3 Eq u iv a le n t cir cu it o f mu t u a l in d u ct a n ce mo d e l 定义 眠 ， 分别为松耦 合变压器 的 电压增益 和电流增益， 根据电路理论可得： f帆=l u 2 u 1 l= I R 1 ( j to C 1 ) + j to L 1 + r 1 + z r I 【 = l 1 I = l j to M 1 ( j to C 2 ) + j to L 2 + r 2 + R L I 、 为进一步研 究参数选择对系统工作 特性 的影 响 ， 此处引入 n 。 ， k ， 初 、 次级 电容 比 a ( a = C c2 ) ， 品 质 因数 Q( Q- o ) o L 2 R ) ， 次级谐 振角 频率 。 ( tO 。 = 1 、 ) ， 归一化角频率 ( = tO tO 。 ) ， 并令 A 1 _- - R L ， A 2 = r 2 R L ， 则有 ： f M - l( j tO d n Q ) e2 Q 2 + Q 2 + Q 2 a Q 2 ( tO a ) + I tO n 2n e2 Q 2 _ j ( 1 + A 2 ) Q ， ( ( IJ 。 ) + j e2 Q ( 1 + A 2 ) + ， ，、 、 I A 1【 1 + A 2+ j tO Q ( 1 - 1 tO ) l I 一 【 = l( j tO J n 。 Q ) jt o n Q + l+ A Q tO J l 4 2谐 振 网 络 参 数 的 选 取 过 程 通过选择不同的 与 Q绘制 ， ， 功率因数 与 的关系 曲线 ； 再通过观察和 比较绘制 的曲线 进行参数选择5 。 理想工作特性曲线希望有合适的 眠 ， 和较高的功率因数 ； 为方便控制 ， 曲线随频 率 的变化趋势应较平缓 ， 且只有一个谐振频率 点。 再考虑松耦合变压 器参数变化对系统工作特 性的 影响 选取变压器旋转侧几组不同转动角度下测量 到 的参数作 为转 动过程 中系统工作特 性变化的参 考值。选取 ， Q绘制 眠 曲线 ， 如图 4 a ， b所示 。此 外 ， 由初级 电压 、 电流相位 差 = 一 0 i= a r g ( u 2 u 。 ) 一 a r ct a n ( i2 i， ) 并 结合 式 ( 2 ) ， 可 绘 制 与 关 系 曲 线见 图 4 c。当 为零 时 ， 系统工作在谐振状态 6 1 。 1 4 ： 0 4 0 2 k = 03 2 k =0 3 l 6 1 4 1 2 1 0 8 0 6 0 4 0 2 k =- 0 3 4 8 3 3 2 6 )n ( c) a = 0 5 ， Q= 2 时目 变化 曲线 图4 眠 及 p 变化 曲线 F ig 4 Mu 及 0 v a r i a t io n cu r v e s 由图 4 a ， C可见 ，系 统的 ( ， 与 最高点对应 的频率非常相近。 电压型全桥逆 变 电路工作频率 往往略高于谐振频率 ， 以便于实现零 电压开通 在 此工作状态下 ，只需观察 电压增益 曲线峰值 附近 范围的变化 ， 即可确定谐振 网络参数 ； 由图 4 a ， b可 见 ， k的变化 会改变工作特 性 曲线 的形状 。 在所关 注的频率范 围内， 曲线形状 的改变会造成 。 较大 的变动 ， 因此 ， 选 择参数 时 ， 不 同转 动位置 的工作 特性曲线应尽可能保持相同的形状： 由图 4 a 还可 得出 。当工作频率选取在 略高于较大 k对应的谐 振频 率时 ， 眠 的变 化较小 ，但 当旋 转侧 转动到 k 较小 的位置时 ， 能量传 输效率较低 ： 而当工作频率 3 9 第 4 9卷第 1 0期 2 0 1 5年 1 0月 电 力 电子 技 术 P o w e r E le ct r o n ics V o 1 4 9No 1 0 Oct o be r 201 5 选取在仅高于较小 k的谐振频率时系统能保持 较高传输 效率 ， 但 眠 的波 动会 比较大 。 5频率 控制 方法 的 实现 5 1 频 率控 制策 略 在 变压器旋转侧转动 时 。变压器 参数改变会 造成系统传输效率变化。 为保持高效率传输 ， 需保 持系统工作在接近谐振 状态 。由图 4 b可 知 ， 通过 改变频率可达到固定相位差的目的可由此制定 控制策略。 控制策略核心思想 ： 先采取每次频率步 长为 的粗调使 当前相位差 快速接近 目标相位 差 ，调节过度时进行每 次频率步长为 的频率 细调 ，直到 7在 的允许误差 e范 围内。根据 y 所 处的不 同范 围及频率调节 的过度 与否可将控制 策略划分为 5 个状态： 当l 一 T 0 I e 时 ， 控制系 统处于保持状态 ， 维持工作频率 不变 ； 当 e 且系统先前处于状态时 控制系统处于粗调状 态， 且f = f - f b ； 当 y 一 y o e 且系统先前处于状态 时， 控制系统处于细调状态， 且 ； 当 一 e 且系统先前处于状态 时 ， 控制系统处于细调状态 ， 且 。 与 可根 据实 际工 况和 设计 要 求选 取 ， 也 可取 y 一 的相关 比例函数 。在频率粗调前也可先 进行数次 的频率细调 ，以减小 当前相位 差略超 出 目标相位差范 围时频率控制带来的 电压波动。 5 2频 率 控 制 的 软 硬 件 实 现 检 测初 级 电流过 零 时刻 与芯 片产 生 的 P WM 波 上升沿间隔时 间 t ， 经 y = ( 3 6 0 tf ) 。 换算 可得 控制 所 需相位差 。 图 5为初级 电流过零 点检测 电路 。 初 级 电流经 电流霍尔传感 器转换成 电压信号 ，再与 传感 器基准 电压一 起输入 电压 比较芯 片 L M3 1 l ， 将初级电流正弦波过零点转换为方波上升、 下降沿。 基准 电压 由电阻分压获得 。 并使用 电压跟 随器进 行 前后级隔离 。2 8 0 2 7芯片 e C A P端接 收方 波信号 ， 上升沿时进入中断 使用定时器 1 计时 。e P WM 中 断 内关 闭定时器 1并获取时间差存入数组备用。 图 5 初级电流过零点检测电路 F ig 5 T h e p r ima r y cu r r e n t z e r o cr o s s in g d e t e ct io n cir cu it 频率控制主要在定时器 0中断中进行 ： 软件每 隔一段时间进入 中断 。 对数组存储 的时间差进行限 40 幅和 中值滤波 ， 去除干扰后获得较为准确 的值 。 考 虑到硬件和软件延迟， 此值需进行一定补偿， 换算 成相位差后供控制策略使用 并根据控制结果改变 P WM波 输 出频率。图 6为定时器 0中断流程 图。 进 入定 时器 0 中断 关 闭e CAP ， e P WM中断和 定 时器 l 从 数组 中 读取 时 间差 并进 行 软 件滤 波 时 间差 经过 补 偿后 换 算 成相 位 差 进 入频 率 控制 逻 根 据 逻辑 控 制 结 修 改e P WM 存 器 应答 中 断 以接 收更 多中 断 退 出 中断 图 6 定 时器 0中断 流程 图 F ig 6 F lo wch a r t o f t ime r 0 in t e r r u p t 6 实 验 按图 1搭建实验系统 ， 电源使用直流稳压源 ， 直流 电压为 1 2 V； 负载使 用铝 壳 电阻 ， 负载 电压 由示波器读取 。 固定变压器旋转侧 ， 通过扫频记录 负载 电压峰值 ， 以绘制 眠 与 关系 曲线 ， 见 图 7 ， 并与仿真绘制 曲线相 比较 。 可见 ， 两者变化趋势一 致 ， 且 眠 峰值对应的频率相 近。因此 ， 通过 式( 2 ) 中第 1 式绘制曲线分析系统工作特性是合理的。 i ； 8 8 n 图7 实测与仿真的电压增益 曲线 F ig 7 T e s t a n d s imu la t io n c u r v e s o f v o lt a g e g a in 为研 究固定频率下旋转侧转动 时负载 电压波 动的影响因素 ， 通 过改变 和 Q， 测量不 同旋转 角 度 下次级 电压 的有 效值 。 标记变压器初、 次级某 一 位置为 O 。 位置 ( 此处 k较小 ) ， 工作频 率选取为 略 高于 电压增 益最大值 一 对应 频率 ， 顺时针每 转 动 5 。 进行负载 电压读 取和记录 结果见表 2 。 表 2不 同参数 下负载 电压 波动 T龇2 Lo a d v o lt a g e v a r ia t io n o f d if f e r e n t p a r a m e t e r s u为电压波动， 定义为最大电压差和电压最大有效值的比 值 ；，为工作频率。 相 对 转 动 物 体 间 的 非 接 触 式 供 电 系 统 设 计 表 2实验结果表明： 频率固定时， 通过选择合 适 的 a和 Q可 抑制 负载 电压 的波 动 。 当 固定 时 ， 较小的 眠 能够抑制 电压波动 。 采用频率控制 。 即相位 差固定时 ， 测量不 同旋 转角度下次级 电压 的有效值 。定义效率为次级 负 载消耗 的有功功率与直流 电压源 电压 电流乘积之 比。选 取 a = 0 5， Q= 3 6 5 ， 分别测 得 固定相 位与 固 定频 率时不 同旋转 角下次 级负载 电压与 效率 ， 如 图 8 此处 电流滞后 电压约 4 。 ， 容许误差角度为 1 。 。 实验结果表 明：采用频率控 制方法能在一定 范围 内保持 电能高效率传输 ： 但在此参数选择 下 ， 频 率 控制加大 了变压器次级转动 时负载 电压 的波动 。 _ 入 八 。 V 10 1 o 1 0 8 8 O 8 V V 。 O r ( 。 ) O r ， ( 。 ) ( a ) 固 定频 率 时 ( b ) 固定 相 位 时 图 8 电压和效率随旋转角的变化 曲线 F i g 8 Vo l t a g e a n d e ff ici e n cy v a r ia t io n cu r v e s t l l r o t a ti n g an g l e 7 结 论 实验 表 明 ： 当初 、 次级 电容 比为0 5 ， 品质 因数 为 3 6 5时 。 负载 电压波动仅为 1 4 7 。验证 了通过 绘制工作特性 曲线来选择合适 的补偿 网络参数 以 减小负载 电压波动 的有效性 。 而采用 频率控制 时 ， 能保持较高 的电能传输 效率 。但 负载 电压波动较 大 。 如何使两种特性兼具是下一步需研究的 内容 。 参 考 文献 1 】 杨 民生 ， 王耀南 新型无接触感应耦合 电能传输技术 研究综述 J 湖南文理学院学报( 自然科学版 ) ， 2 0 1 0 ， 2 2 ( 1 ) ： 4 4 5 3 【 2 】 叶子晟 ， 唐厚君 ， 白亮宇 ， 等 非接触电能传输系统原 副边补偿拓扑 的研究 J 电气 自动化 ， 2 0 1 2 ， 3 4( 5 ) ： 3 5 - 3 7 【 3 】 S a b a t e J A， F a r r i n g t o n R W ， J o v a n o v i c M M， e t a1 E ff e ct o f S w it ch Ca p a cit a n c e o n Z e ro -v o lt a g e S w it ch i n g o f R e - s o n a n t C o n v e r t e r s A P o w e r E l e ct r o n i cs S p e ci a li s t s C o n f - e r e n ce ， A n n u al I E E E C 1 9 9 2 ： 2 1 3 - 2 2 0 【 4 】 马皓， 孙轩 初次级串联补偿的电压型耦合电能传 输系统设计 J 】 中国电机工程学报， 2 0 1 0 ， 1 5 ( 2 ) ： 4 8 5 2 【 5 】 周雯琪 ， 马皓， 何湘宁 感应耦合电能传输系统不同 补偿拓扑的研究 J 电工技术学报 ， 2 0 0 9 ， 2 4 ( 1 ) ： 1 3 3 1 3 9 6 】 Wa n g C S ， S t i e l a u O H， C o v ic G A L D a d M o d e l s a n d T h - e ir Ap p l ica t io n i n t h e De s ig n o f l o o s e ly C o u p l e d I n d u e t i v e P o w e r T r a n s f e r S y s t e ms A I n t e r n a t io n a l C o n f e r e n ce o n P o w e r S y s t e m T e ch n o lo g y P r o ce e d in g s C 】 2 0 0 0 ： 1 0 5 3 1 0 5 8 ( 上接 第 3 3页) t ( 1 0 p s 格)t ( 1 0 p s 格) ( a ) 初级电压、 电流 ( b ) 次级电压 、 电流 图 5谐 振网络 电压 和 电流 F ig 5 Vo ltag e a n d cu r r e n t o f t h e r e s o n a n t n e t w o r k 、 乏 X 、 七 七 ( a ) P i。 ， 17 与k 的关系( b ) c n 与k 的关系 图 6 ， P 0 ， v ， 与 k关 系 F i g