非接触式电磁能量转换系统的设计与实现毕业论文

河北理工大学信息学院 摘要 毕业论文GRADUATETHESIS设计题目：非接触式电磁能量转换系统的设计与实现MACROBUTTONAcceptAllChangesShown［单击此处键入设计中文题名］—MACROBUTTONNoMacro［单击此处继续键入副题名或删除此提示］

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目录 目录 目录摘要 IAbstract II第1章绪论 11.1引言 11.2国内外研究现状 21.2.1国外研究现状 21.2.2国内研究现状 31.3本文主要内容 41.4本章小结 5第2章ICPT技术的工作原理及其基本结构 62.1非接触式感应电能传输技术的原理 62.1.1感应耦合电能传输(ICPT)技术的提出与发展 72.1.2感应耦合电能传输技术的工作原理 82.2感应电能传输技术的基本结构 92.2.1整流电路 92.2.2高频逆变电路及松耦合变压器 102.2.3松耦合变压器的物理实现 112.2.4负载侧电能参数调节及负载控制 112.3本章小结 12第3章松耦合变压器的原理及其设计 133.1松耦合变压器概述 133.2松耦合变压器数学模型 133.3松耦合变压器磁芯选型 143.4松耦合变压器磁芯参数设计 153.5松耦合变压器绕组设计 163.6本章小结 16第4章非接触式电能传输系统的硬软件实现 174.1整流及逆变主电路 174.2驱动电路设计 184.3控制电路设计 194.3.1DSP控制器 194.3.2DSP的特点及资源 194.3.4DSP接口电路 204.4保护电路 214.4过压、欠压保护 214.4.1.工作原理 224.4.2过流保护 234.4.3故障信号的处理 234.5电源模块设计 244.6非接触式电源系统的软件实现 254.7本章小结 26结论 27参考文献 28谢辞 29河北联合大学XXXX学院第1章绪论第1章绪论1.1引言长期以来，移动电设备（如工厂移动吊装设备，无轨电车、城市轻轨交通等城市载客交通工具、电力机车、矿井采掘与运输设备等）的供电都是采用接触式电能直接传导的传输方式（包括直接导线传输方式、滑动接触方式和滚动接触方式）将电能从供电网络传递给移动设备。这些电能传输(取电)方式存在着设备移动灵活性差以及环境不美观等缺点，特别是滑动和滚动取电方式还带来了大气高频电磁污染（接触火花等）、机构磨损和大电流载体不安全裸露等影响环境清洁问题，同时给安全供电和环境安全问题带来了很大的影响。尤其要指出的问题是非可靠接触产生的电磁火花对于有些特殊场合（如含易燃易爆气体的厂矿、生产车间等）极为不利，可能给生产活动带来重大灾难。以采矿业为例，在2002年中由于接触取电产生的电火花而导致的各种矿难事故死亡人数占整个工矿企业事故死亡人数(12554)中的46％[1]，电能直接传导的另一个问题是由于接触火花对周边环境产生的高频强电磁干扰。事实证明，随着人们生活以及生产活动范围的扩大，传统的导线接触式电能传输模式已经不能满足生产和生活的要求，人们迫切地需要一种新型的电能传输技术来满足新型电气设备及各种特殊条件下的供电需求。针对从固定电力系统向移动用电设备的供电问题，新西兰奥克兰大学Boys教授为首的课题组率先研究并实现了基于电磁耦合原理实现电力能量传导的技术，产生了感应耦合电能传输技术（InductiveCoupledPowerTransfer）[2][3]，简称为ICPT技术。这是一种基于电磁耦合与感应原理，综合利用现代电力电子能量变换技术、磁场耦合技术、大功率高频变换技术(包括谐振变换技术和电磁兼容设计技术等)，借助现代控制理论和方法，实现了电能从静止电网向移动设备的非接触传输技术，由此诞生了一种非接触式电能传输模式。基于ICPT原理的非接触式电能接入技术是用电设备向固定电网系统获取电能的一种全新模式。它的出现彻底改变了几百年来人们仅仅依赖于采用接触式电能传导方式的用电设备取电模式，实现了非接触式电能传输。此外，这种供电方式的另一个重要意义是对其环境的亲和性：一方面，它可以在非常恶劣的环境下运行，不受环境尘埃、潮湿及化学腐蚀物的影响；另一方面，它本身不对环境形成危害、或释放有害污染，如碳积，废气等。它的出现打破了在化工、工矿、水下作业等特殊行业中电气设备馈电的限制，开拓了如电气化交通、医疗电子和办公家用电器等方面的应用，并带动了相关技术的发展，具有重要的科学意义，较高的实用价值和广阔的应用前景，可带来巨大的经济和社会效益，因此，专家认为，非接触式电能传输技术必将成为现代工业自动化领域的最新的具有重大意义的研究方向。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状早在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，以替代利用炭刷或拖线获取电能的方式。进入90年代，该问题引起学术界和工业界的极大关注。新西兰、日本和德国等国家相继投入了一定的技术力量和经费从事该技术及系统的研究和实用化产品开发，经过十多年的发展，并与电力电子电能变换技术与现代控制技术的发展相结合，在理论与应用发面取得了重大的突破。从上世纪90年代以来，新西兰奥克兰大学电子计算机工程系以J.T.Boys为首的团队在此领域作了较为深入的研究，其成员主要有呼爱国博士（PatrickAiguoHu）,G.A.Covic,O.H.Stielau,A.W.Green等，他们在IEEE期刊及会议上先后发表了二十余篇论文，对非接触电能传输技术从原理到设计以及在非接触供电轨道车及感应充电等应用方面进行了较为详尽的分析。文献[5]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。介绍了ICPT系统的框架。该系统采用初、次级双谐振模式。初级采用推拉式谐振电力变频电路将电力电源的频率提升到10KHz，并在传导介质中产生低畸变和低RFI的高频正弦波电流，从而产生交变磁场，而次级采用开关模式谐振变换器，在交变磁场中感应出电流，并实现电压、电流、频率的相应变换，以输出适当的电能驱动负载。本文还对ICPT系统的初级与次级的控制方法作了一定的讨论，并对一个实验系统进行了仿真研究，得到了相应的仿真数据。文献[4]介绍了一种用于150KW移动机构（电动汽车、移动起吊装置等）的多级拾取ICPT系统。该系统初级采用推拉式谐振电力变换电路，次级采用开关模式谐振变换器，实现了从初级到次级的电压、电流和频率的相应变换，以输出适当的电能驱动负载。文章对这种系统所表现出来的能量与频率及电路品质因数的关系、最大负载条件以及一定频率条件下的次级拾取线圈的数量等系统参数进行了分析，同时进行了系统相关特性的仿真研究。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。文献研究了松耦合感应3电能传输系统的功率传输能力及系统存在的分岔现象。另外，日本KumamotoInstituteofTechnology的HiroshiSakamoto,KoosukeHarada等人也对非接触电能接入技术进行了较为深入的研究，自1992年以来，他们先后在IEEE期刊及会议上发表十余篇论文。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。日本东北大学的FumihiroSato等研究了移动机器人的非接触供电技术及植入式功能电子仿真模块中的非接触电能及信号传输技术，为人造器官的体外非接触供电以及信息传递进行了理论探索。韩国KyungpookNationalUniversity的ByungchoChoi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来大大减小初、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。美国DeltaProductsCorporation的YungtackJang及MilanM.Jovanovic研究了高性能的非接触电能传输技术，并将其应用到便携式电话的非接触充电中，实现了较高效率和功率密度传输。日本日立研究实验室的HidekiAyano等对电磁能量传输机构的磁芯形状和绕圈的形状及绕制作了较为详细的研究；Byeong-MunSong等比较充分的研究了电磁机构的E-I型结构对耦合率的影响；美国的R.L.Steigerwald等对选择磁芯材料给出了依据；日本H.Sakamoto论述了提高耦合电感及减少涡流损耗的问题。文献针对电动车的非接触电能传输系统设计提出了一种新的观念和充电方案，文章重点设计采用了一个基于软开关的谐振变换器，使系统初、次级耦合间距在10毫米，能达到较高效率的传输。由此可看出国外对非接触电能传输技术已逐步展开，不断提出新的概念，新的理论，新的设计，不断完善系统的供电性能，不断优化改进磁耦合机构，以及不断开发新的应用领域1.2.2国内研究现状目前，国内对非接触式电能接入技术及装置的研究比较薄弱，更无成熟产品可言。国内在该领域的研究起步较晚，西安石油学院的李宏在2001年第2期的《电气传动》上发表了一篇综述性文章。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，如手机充电器等。近年来中科院5院士严陆光和西安交通大学的王兆安等人也开始对该新型电能接入技术进行了研究，并在国内杂志上发表了几篇文章。文献[6]研究了可分离变压器传输能量的非接触电能传输系统，通过分析可分离变压器的工作特性，得出了影响传输功率的几个因数，并给出了采用串联谐振式逆变器和可分离变压器优化绕法的实验结果。描述了非接触电能传输系统系统中出现的频率分岔显现，提出了一种在频率分岔现象下的次级并联补偿电容选择方法，得出了使用该方法选择的并联补偿电容能使系统传输效率显著增大。对非接触电能传输系统稳定性进行了分析，建立了系统电磁耦合结构的互感模型，对系统中采用各种初、次级补偿拓扑所带来的系统稳定性进行了较深入的研究，得出了要保证系统的稳定性，零相角谐振频率必须是唯一的，并给出了仿真数据。上述主要对非接触电能传输系统的可分离变压器、系统稳定性及出现的非线性现象等部分理论进行了分析，但在全系统的建模理论方面特别是基于软开关的系统建模理论及输出稳压控制等方面还没发现相关研究。重庆大学自动化学院非接触电能传输技术研发课题组自2001年便开始了对国内外“非接触式电能接入技术”相关基础理论与实用技术的密切跟踪和研究，并与国际上在该领域研发工作处于领先水平的新西兰奥克兰大学波依斯（Pro.Boys）教授为首的课题组核心成员PatrickAiguoHu（呼爱国）博士进行了深层次的学术交流与科技合作，在理论和技术成果上有了较大的突破。课题组先后获得重庆科技计划项目和重庆自然科学基金重点项目支持（3项）。在国内核心科技期刊和国内外重要学术会议上共发表学术论文十余篇，申报发明专利3项，并多次在科技竞赛中获奖。戴欣博士在《单轨行车新型供电方式及其相关技术分析》文中，详细分析和探讨了非接触电能传输技术应用在单轨行车系统中存在的工作频率的选定、多负载控制、效率特性、谐波影响等问题，并给出了相应的解决方案；在《广义状态空间平均法在CMPS系统建模中的应用》文中，建立了系统的平均化模型，并应用于系统中对其性能进行了分析研究；在发表于《自动化学报》的《自治分段线性振荡系统的离散映射数值建模与稳定性分析》一文中，对系统中出现的非线性特性进行了详细探讨，并推导出了用于判断系统周期闭轨稳定性的Jacobian矩阵求解模型，对系统稳定性进行了分析，得出了系统的稳定条件，为非接触电能传输系统的研制提供了理论依据。杜雪飞在《非接触式移动电源新技术》文中，对非接触电源系统原理及实现的关键性问题进行了研究。在系统频率稳定性方面，王智慧同学探讨了次级拾取回路分别为并联调谐和串联调谐模式时对初级主回路工作频率的影响，并于2005年在《电工技术学报》上发表了论文《非接触电能传输系统的频率稳定性研究》，提出了在初级主回路中并联附加相控电感电路，运用动态调谐方式实时调节回路固有谐振频率。1.3本文主要内容自从感应耦合电能传输(ICPT)技术概念提出以来，众多国外专家学者纷纷展开了非接触式电源技术的研究，并且在理论与实践上都取得了重大的突破。而目前我国在这方面的研究工作绝大部分都集中在对于逆变器的研究上，对于非接触式感应电能传输技术的研究迎合了工业生产和人们生活电气化与智能化发展的需求，在工业生产、智能家电、个人消费类电子产品、电气化交通工具和医疗电子等各行各业具有广阔的应用前景。对非接触式电源技术的研究将填补国内空白，推动我国电气自动化技术的巨大进步。本课题的研究目标就是非接触式电源即电能的非接触式传输技术及其DSP实现，具体包括如下内容:1）非接触式的感应电能传输技术的原理2）高频滑动松耦合变压器原理及设计3）非接触式的感应电能传输系统的DSP软、硬件具体实现1.4本章小结本章对非接触电能传输技术进行了较为详细的综述，研究了国内外在这项技术方面的现状，经过分析论证，明确了论文研究的方向，即对非接触电能传输系统的电磁机构进行研究，并提出了该项研究的主要内容。第2章ICPT技术的工作原理及其基本结构第2章ICPT技术的工作原理及其基本结构2.1非接触式感应电能传输技术的原理常规的对于移动电气设备的供电一般通过滑动或者滚动的方式，如前所述，这种传统的通过导体直接接触来为移动电气设备供电会形成安全隐患及环境污染及电磁污染等一系列的问题。非接触式电源技术主要利用电磁感应原理与现代化的电力电子变流技术及微机实时控制技术，实现了电能从静止设备向移动电气设备的非接触式传输。图2.1上图是传统的接触式充电系统示意图，由三相电网引进的电能经过有源滤波后，经三相整流桥将交流量整为直流。之后脉动的直流经过大电感续流和大电容滤波后变为平滑的直流。然后经过一级DC-DC将其电压范围变为电动车电池充电电压。可以看出，此种结构下要想对多辆电动车同时充电，需求的电网功率是非常大的。一般的快速充电多为直流充电，一次充电需要10-20分钟左右，10分钟左右把35KW的电池冲完需要250KW的发电功率，是一个办公大楼用电负荷的5倍。而接触式充电在电动汽车普及以后是非常受限制的，首先是同时充电的汽车数目有限，其次是户外的有限充电桩容易收到侵害，建专门的充电站则需要大量的用地，在土地资源日益宝贵的今天是非常不划算的。图2.2上图为非接触式感应电能传输系统。它是一种新型电能电能传输技术，利用电磁感应理论实现电能有效、安全的传输，在交通运输、医疗器械、照明、便携式垫子产品、矿井和水下应用的场合有这广泛的应用前景。单相交流电经过单相整流和大电感平波后变为直流量，之后经过由、构成的半桥逆变电路将直流逆变为高频交流量。通过变压器同名端的极性控制，使得在变压器副端成正负交流输出。副边的交流再经过一级单相整流后，由大电容滤波后直接给电动车电池充电。其中，由、、构成的吸收电路用于吸收变压器原边和开关管关断时续流，形成ZVS软开关。开关管用于在电压过高时切入电路，消耗过剩能量，起到保护的作用。可以看出，非接触式能量传输系统与接触式能量传输相比，输入侧和负载侧没有电气上和物理上的连接，更适合在在一些大功率的应用以及需要给移动负载供电的场合，如电动汽车。如果电池容量160AH，充电参数420V160A，输出功率67.2W，电压范围275-420V，电源是家用220A，电池只数110只，可以按次计算出，非接触式能量传输系统各器件参数。取系统传输效率，功率因数，整流桥导通时间计算电池最大充电功率1）输入整流桥二极管额定电流额定电压取1.5倍余量，取600V2）输入整流桥电感额定电流3）开关管、如果忽略输入级功率损耗，开关管的选型和整流桥一致，即额定电流332.6A，额定电压600V，可以选择相应功率的IPM模块。4）输入整流桥二极管额定电流额定电压取1.5倍余量，取800V5）输出滤波电容电压取800V2.1.1感应耦合电能传输(ICPT)技术的提出与发展随着移动电气设备的应用领域越来越广泛，而传统的滑、滚动取电方式存在其固有的缺点，因此寻求一种非接触式的电能传输方法显得非常必要，而非接触式电源技术的出现正是迎合了人们的这一需求，非接触式电源技术主要利用了电磁感应耦合原理。最早的有关感应电能传输技术是日本国家研究院与Yaksawa电气公司于20世纪八十年代联合提出来的，到了九十年代初期，新西兰奥克兰大学电子与电气工程系电力电子学研究中心以Pro.Boys为中心的课题小组开始对其展开研究，并将其正式定名为感应耦合电能传输技术(InduetiveCoupledpowerTrnasefr，简称cIPT)。在这之后，Por.Boys及他所领导的课题小组对感应耦合电能传输技术进行了一系列的深入研究，系统地探索了谐振技术在ICPT技术中的应用，电流传输频率与系统的稳定性之间的关系，多负载控制问题、电路品质因数对于整个系统的影响、电流谐振环问题、10KHz的ICPT系统实现问题等，在理论上与实践上取得了的重大突破，并获得了多项专利技术，为此Pr.oBoys获得了新西兰的皇家勋章以表彰他在此领域的突出成就。与此同时，非接触式的电能传输技术迅速成为电气自动化领域中的研究热点，日本、德国、法国及美国等国家的科学家相继在该领域里展开了科学研究，并且取得了一系列的成果。如日本的工厂行车、电动机车，德国BWM公司的装配机器人、美国及英国的无线充电器等产品都是非接触式感应耦合电能传输的一些典型应用。2.1.2感应耦合电能传输技术的工作原理非接触式感应耦合电能传输技术利用了现代的电磁理论如电磁感应理论与变压器理论，结合了当今最新的电力电子技术与微机实时控制技术，实现了电能的非接触式传输。其原理框图如图2.3所示:利用交流工频电源作为非接触式电源的能量供应源，可采用两相或者三相的工频电源，具体情况根据实际的电源容量要求进行合理的选择，工频电源在经过整流环节之后向逆变电路提供平稳的直流电流，该直流电流经过逆变电路的高频逆变之后向松耦合变压器的原边提供高频交变电流，松耦合变压器作为非接触式电源的关键部位，其原边线圈中通过的高频电流向外界辐射电磁能量并在副边线圈中产生电磁感应，在副边线圈中得到的感应电动势在通过交一直或交一直一交等变换后向用电设备提供U、I参数适合的电源，从而完成非接触式电源的整个能量传输过程。图2.3非接触式电源技术与传统的电源能量供应模式相比较最为突出的优点是能够实现电能的非接触式传递，而这一点的实现是通过高频电流向空间辐射电磁波的形式来实现的，这就要求在松耦合变压器中其原边线圈与副边线圈之间相隔有一段较长的空气磁路，这也是松耦合变压器与传统的变压器之间的区别。根据磁路的欧姆定律及安培环路定律，考虑到空气的磁阻远大于铁芯的磁阻，因此磁路的磁动势降主要分布在空气磁路部分，随着空气段磁路磁阻的增加，需要在松耦合变压器的原边产生较大的激磁电流，而激磁电流的增大一方面会增加整个变压器的体积，另一方面会降低整个变压器的能量传送效率。为了提高整个电源系统的电能传输效率，缩小器件的体积，提高能量密度，这就要求在松耦合变压器的原边中通过高频电流，利用高频化来提高整个电源系统的能量密度，减小器件体积，提高能量传输效率。因此需要在电路中加入整流及高频逆变环节，提高松耦合变压器的原边中的电流频率，从而减小激磁电流，达到缩小电源体积提高电能传输效率的目的。2.2感应电能传输技术的基本结构本文所介绍的非接触式电源主要由原边整流电路部分、高频逆变电路部分、松耦合变压器部分、副边能量接收线圈的整流及稳压部分、用电设备的供电控制部分等五部分所组成。工频交流电流经过整流及滤波电路之后向高频逆变器提供平稳的直流电源，直流电源在经过高频逆变之后向松耦合变压器的原边输送高频交变电流，逆变器输出的交变电流在松耦合变压器的原边(能量发射线圈)中流过时会产生高频的电磁辐射，利用合理设计的松耦合变压器的副边(能量接收线圈)产生感应电动势，该感应电动势在经过整流滤波等电流电压参数调节之后向负载传送稳定的电能，考虑到多个能量接收线圈的存在，必须在用电设备端加上负载供电控制单元以保证整个电源系统运行的稳定性与可靠性。整个非接触式电源的基本结构如图2.4所示。图242.2.1整流电路整流电路部分如图2.5所示。根据实际需要可以选用380V的三相工频交流电源作为供电电源，则经过整流滤波等环节后得到34lV的直流电源;也可以选用220V单相工频电源作为供电电源，则得到198V的直流电源。考虑到非接触式电源的实际特点与本文的要求，这里选取220V的单相工频电源作为系统的供电电源，在经过整流滤波后得到198V的直流电源，供给高频逆变器进行高频逆变。图高频逆变电路及松耦合变压器如前所述，整流电路所得到的直流电须经过高频逆变电路逆变之后才能向松耦合变压器的原边供电，而考虑到整个电源系统的实际情况，即松耦合变压器的原边与副边之间的耦合系数远低于普通的变压器，因此必须设法提高电能传送时的电路损耗。而开关IGBT管在进行高频开关切换时由于施尾电流等的影响，如果直接采用硬开关的话会造成较大的功率损耗，因而我们选取了基于谐振变换技术的软开关逆变电路。电路原理图如图2.6所示。图2.6如上图示，高频逆变电路可采用全桥或半桥的方式，此处采用了由4个IGBT管组成的全桥谐振逆变电路，结合具体的移相控制方法，从而实现电路的软开关，减小电能传送损耗。松耦合变压器是实现非接触式电能传递的关键机构，其磁路中存在有部分空气磁路，与普通的变压器比较松耦合变压器的漏感较大。为了实现用电设备的移动性要求，松耦合变压器的物理实现必须有利于负载的灵活移动，而选用EI型铁芯的松耦合变压器能有效地实现原、副边线圈的相对移动性要求。2.2.3松耦合变压器的物理实现对于在非接触式电源系统中所采用的松耦合变压器，根据系统的实际要求，考虑到移动电气设备的移动性要求，松耦合变压器必须有利于负载的灵活移动，因此在本系统中将松耦合变压器的原边通过导轨线圈的形式来实现，也即原边线圈为一单匝的线圈，而副边线圈的匝数可根据系统的实际要求来进行调节。松耦合变压器的原理结构图如图2.7所示，图2.7图中虚线的左边为松耦合变压器原理框图，右边为松耦合变压器具体剖面图，其中导轨线圈通过支架固定，而拾取线圈及E形铁芯装配在用电设备上，从而通过松耦合变压器原副边的灵活相对移动，实现非接触式电能供应。2.2.4负载侧电能参数调节及负载控制对于非接触式电源的负载侧的控制方法及整个负载部分的参数调节，根据不同的负载设备的实际需要大致可分为不同的电路拓扑，其原理如图2.8所示:拾取线圈中所获得的感应电动势在经过整流变换成直流电，整流电路根据实际需要可采用半波整流或者全波整流，在经过一些稳压及滤波措施之后，考虑到松耦合变压器的低耦合系数，通常整流过后的电流电压达不到用电设备的电压要求，因此需要加入一个由升压电路组成的开关模式控制器来对负载处于不同的工作状态时进行相应的u、I控制，以便使用电设备处在合适的工作状态下。图2.82.3本章小结非接触式供电技术抛开了传统的用电设备通过电缆等和电源直接接触的供电模式，它利用高频逆变技术和电磁感应原理，结合现代电力电子技术和控制方法，利用空气作为松耦合介质，通过高频辐射的方式向电气设备提供电能。这种新型的非接触式供电方式比传统供电方式具有更大的灵活性，因此特别适合移动电气设备的安全供电，它消除了传统供电方式的多点接触的不可靠性，解决了移动电气设备通过滑、滚动取电方式所带来的器件磨损、碳积以及电火花问题，为移动电气设备的安全、绿色供电提供了解决方案。本章简单介绍了非接触式感应电能传输技术的基本原理，分析了非接触式感应电能传输系统的基本结构，简单介绍了松耦合变压器的原理及结构，负载侧的控制策略等，为以后章节对松耦合变压器的原理和结构的深入阐述及对负载端控制策略的详细分析作好了铺垫工作。河北理工大学信息学院第3章松耦合变压器的原理及其设计第3章松耦合变压器的原理及其设计3.1松耦合变压器概述松耦合变压器作为非接触式电能传输系统的一个关键设备，在原理上与常规变压器有相似之处，然而由于松耦合变压器的空气磁路长度远远超过了常规变压器的长度，因而其拥有自身的许多的特点，如能为用电设备提供非接触式的电能供应等，具有很好的应用前景。其数学模型与常规变压器的数学模型区别不大，主要是松耦合变压器本身的参数与常规变压器相比有较大的不同。如松耦合变压器的磁路中有较大距离的空气磁路，磁动势中相当一部分消耗在空气磁路部分，因此需要很大的激磁电流，从而导致其漏感较大，耦合系数不高;而常规变压器的磁路中气隙很小，其磁动势降主要分布在铁芯磁路部分，而铁芯所具有的高磁导率决定了常规变压器的磁阻较小，因而需要较小的激磁电流。3.2松耦合变压器数学模型由前述可知，松耦合变压器是在常规变压器的基础上设计而成的。因而对于松耦合变压器的数学模型可以在常规变压器模型的基础上进行分析。图3.1如图3.1所示为普通双绕组变压器和松耦合变压器的示意图，其中3.1a所示为变压器的通用模型，即变压器的原、副边线圈匝数可为一变比。而图3.1b所示情况为当变压器的原边匝数为一匝时的情况一一这也是松耦合变压器在非接触式电源系统中运用得最多的一种情况。本文中主要的研究对象也是采用这种结构的松耦合变压器。如图3.1所示确定变压器的一次侧电压、一次侧电流及二次侧电压和二次侧电流的正方向，则整个变压器从电路中吸收的功率为P，P=ui。设此时变压器处于不饱和状态，则变压器的电压方程为:（3-1）上式中:、为一次侧自感和电阻;、为二次侧自感和电阻;为线圈2对线圈1的互感，为线圈l对线圈2的互感（3-2）（3-3）其中、分别为原、副边的漏感，而、分别为原、副边的激磁电感。将上述变压器的电压方程用矩阵形式来表述即有:（3-4）变压器的磁链方程：（3-5）（3-6）（3-7）磁动势方程：（3-8）由式(3.7)及式(3.8)可知，变压器空载时用以建立主磁通的激磁磁动势完全由原边空载电流产生，当变压器负载时用以建立主磁通的激磁磁动势由原边电流和副边电流共同产生，即变压器负载时用以建立主磁通的磁动势是一次侧和二次侧绕组的合成磁动势。3.3松耦合变压器磁芯选型如前所述，松耦合变压器由于存在比较大的漏感，为了减小整个装置的体积，提高系统的能量密度，因此松耦合变压器必须工作于较高的频率下，目前所采用的工作频率从10KHz到100KHz不等。工作在如此高的频率之下，能大大减小整的体积，减小绕组的匝数，并且随着绕组的匝数的减小，绕组的铜耗也相应减小，但铁芯中的损耗随着频率的上升而大大增加。显然，选用普通工频变压器的铁芯肯定无法满足松耦合变压器的要求。这就需要为松耦合变压器寻求一种适合高频的磁芯，这种铁芯应该满足如下的要求:(1)尽可能高的磁感应强度;(2)尽可能高的导磁率;(3)要求磁损耗小;(4)磁特性随温度变化要小;(5)高的饱和磁通密度或高的原振幅磁导率。为了满足如上的要求，我们选用了适合高频的超微晶软磁材料作为松耦合变压器的铁芯。超微晶材料是用非晶合金再处理而获得的直径为10-20纳米的微晶金属，采用超微晶软磁材料作为松耦合变压器的磁芯时，在高频变压器的工作温度范围内(80-120℃)有以下几个特点:(1)高的饱和磁通密度和高的饱和磁感应强度，高的最大磁导率和初始磁导率，有利于减小绕组的匝数并且适用于高频运用。(2)在高频段降低了铁耗从而降低了整个松耦合变压器的损耗，提高了系统效率。(3)有较高的居里点，高的电阻率和优良的机械强度。由于超微晶磁芯具有普通铁氧体磁芯所不具备的一些优势，适合于应用在高频电能传输的松耦合变压器中。3.4松耦合变压器磁芯参数设计对于松耦合变压器的磁芯参数设计问题，我们可参照普通变压器的铁芯参数设计来进行松耦合变压器的参数设计。一般而言，根据磁芯的几何尺寸与输入功率之间的关系，我们可以确定变压器磁芯的规格。输入功率可根据输出功率大小估算而得，在常规的变压器中可保守地估计传输效率是70%，在目前我们的非接触式松耦合变压器中，由于电能传输的效率还没有很精确的数据范围，并且采用各种不同铁芯形状的松耦合变压器其传输效率也不太一致，因此我们只取输入功率进行设计。（3-9）上式中有:为磁芯窗口面积为磁芯截面积为输入功率为占空比系数为工作频率为最大磁感应强度为工作电流密度根据式3.9可计算出磁芯截面积与磁芯窗口面积的乘积，从而设计出磁芯的尺寸参数3.5松耦合变压器绕组设计松耦合变压器的绕组设计包括绕组匝数的设计和绕制方法部位的设计。变压器的绕组可由初级绕组和次级绕组组成，根据变压器的电磁关系，其初级绕组和次级绕组的计算公式如下所示:设变压器的初级绕组匝数为：（3-10）设变压器的初级绕组匝数为：（3-11）3.6本章小结本章针对松耦合变压器进行了原理介绍，最后对磁芯进行了选择和设计，对绕组进行了设计。第4章非接触式电能传输系统的硬软件实现4.1整流及逆变主电路对于非接触式电源系统的电能供应侧首先利用不可控整流将市电电流整流成直流方式，再将直流电流经过全桥移相控制ZVSZCS-PWM变换器逆变成高频电流通过松耦合变压器的原边线圈(导轨线圈)，以达到通过非接触式方式向负载提供电能的目的。对于不可控整流及全桥移相控制ZVSZCS-PWM变换器及主电路如图4.1所示。图4.1早期的全桥变换器的功率开关器件主要采用的是GTR和MOSFET，众所周知，它们都存在各自不同的缺点。拿GTR为例，尽管它具有开关容量大和导通压降低等优点，但其一旦工作在高频情况下则会出现很多缺点:1.开关频率低:GTR是少子扩散形成电流，在高注入下会产生剩余截流子。当判断时这些载流子需要通过抽出和复合来消除，因此限制了其开关频率的提高，目前GTR在硬开关环境中最高工作频率约为9KHz。2.输入阻抗低:GTR是一种电流控制的器件，电流放大倍数很低，在大容量时基极电流很大，这不仅产生损耗，而且使GTR驱动电路的体积很大且制造麻烦。GTR的上述弱点都可以用功率MOSFET加以克服，因为MOSFET是多子器件，无电荷储存效应，因此开关速度快，工作频率高。MOSFET是一种电压控制的器件，输入阻抗高，平均驱动功率小，因而驱动电路也相对简单;其次，MOSFET具有负电流系数，器件不易产生过热点，也不易发生二次击穿，故安全工作区较大。但是MOSFET也存在着自身不空忽视的弱点:1.导通压降高:由于只有多子漂流，因此下在基区中并无电导调制效应，导通电阻不会变低，因此在相同的耐压条件下，MOSFET的导通电阻远远高于GTR，因而导通压降也会高的多，增加了导通损耗。2.开关容量低:MOST阻断电压和导通压降之间存在制约关系，增加基区厚度固然可以提高耐压值，但同时也提高了导通压降，为了折中，不得不增加芯片面积，这使得芯片面积利用率和电流密度都下降。IGBT集GTR和MOSFET的优点于一体，它具有输入阻抗高，开关损耗低、墓于DSP的非接触式电源技术的研究饱和压降低、通断速度快、热稳定性能好和驱动电路简单的长处，又具有耐高压和承受电流大的优点。处1982年IGBT试制成功以来，IGBT已经发展到了损耗更低、更快，容量更大的第三代。综上述，IGBT已经在目前的功率变换器中得到了广泛的运用，所以本文选用了IGBT作为功率开关器件。4.2驱动电路设计图4.2IPM驱动电路（1）控制信号输入如图4.2所示，由DSP产生的六路PWM信号需要经光耦隔离芯片HCPL4504后再输入IPM。控制信号输入端须连接上拉电阻，以防止由于dU/dt的作用而产生误动作。（2）IPM的自保护功能IPM有精良的内置保护电路以避免因系统失控或过载而使功率器件损坏。内置保护功能的框图如图3-5所示。如果IPM模块其中有一种保护电路动作，IGBT栅极驱动单元就会关断电流并输出一个故障信号(Fo)。驱动电源欠压锁定驱动电源欠压锁定UVFo过压保护OC＆短路保护SC过热保护OT图4.3IPM内置保护电路示意图当UV，OC，SC，OT四路电路中任何一路或几路出现异常IPM将输出相应的低电平信号，则FO为低电平。（3）泵升电路当负载进入制动状态时，反馈电流将向中间直流回路电容充电，导致直流电压上升，产生所谓的泵升电压。如果不对此电压进行限制，它将造成IGBT的永久损坏。产生泵升电压是电动机制动过程不可避免的现象，为此要给制动过程提供一条能量释放路径。智能模块IPM内含有制动单元，IPM利用制动控制口BR和制动输出口B组成泵升保护电路，使滤波电容存储的能量消耗在制动电阻R5上，确保控制系统可靠安全地工作。4.3控制电路设计4.3.1DSP控制器DSP选用TI公司的电机控制专用芯片TMS320LF2407A，该芯片是基于TMS320CZXX型16位定点数字信号处理器的新型DSP控制器。除具备高速处理数据的特点外，功率驱动单元的硬件开关模式较之软件开关模式，有更低开关损耗、更短周期、电机电流谐波更好等优点。而F2407A拥有专用于电机控制的事件管理器模块EVA和EVB，只需设置事件管理器中的周期寄存器和比较寄存器，便可实现功率驱动单元的硬件开关模式。4.3.2DSP的特点及资源TMS320LF2407A采用高性能CMOS技术，使得供电电压降较低到3.3V；基于改进的哈佛结构，40MIPS的执行速度使得单指令周期仅为25ns。它具有高速信号处理和数字控制功能；同时还集成了单片电机控制应用方案所需的外设功能，能有效的减少系统组件数量。F2407A片内的时间管理器为电机提供高速、高效和全变速的先进控制技术。另外还有47个1/0引脚。功能框图如图3-7所示。4.3.3系统设计中所用的DSP硬件资源（1）事件管理器(EVA/B)模块每个24x器件都包括两个事件管理器EVA和EVB，每个事件管理器模块包括通用定时器、比较单元、捕获单元以及正交编码脉冲电路。F2407A上有4个通用定时器，每个通用定时器可通过定时器控制寄存器配置，有上溢、下溢、周期和比较四种中断资源。同时GP定时器为其它子模块提供时基，T1和T3适用于所有比较单元和PWM电路，T2和T4适用于捕获单元和正交脉冲计数操作。全比较单元利用可编程的死区控制电路编程产生6路PWM波形生成的输出。带死区控制的PWM输出对长度为0~2048个CPU时钟周期，脉冲宽度的变换量最小为一个CPU时钟周期。可响应功率驱动保护中断。F2407A的4个比较器可以产生四个附加的独立比较或高精度PWM波形。捕获单元提供对不同事件或跳变的捕获功能，可编程实现捕获上升沿跳变和下降沿跳变。当捕获输入引脚检测到跳变时，T2或T3被捕获并存储在两级FIF0堆栈中。两个捕获输入端CAPI/2可用于正交编码器脉冲的QEP电路接口。（2）ADC模块F2407A包括两个带采样/保持的各8路10位A/D转换器，具有自动排序能力，一次可执行最多16个通道的自动转换，可工作在8个自动转换的双排序器工作方式或一组16个自动转换通道的单排序器工作方式。A/D转换模块的启动可以有事件管理器模块中的事件源启动、外部信号启动、软件立即启动等三种方式。另外，F2407A有两个二级FIF0结果寄存器用于存放转换结果。（3）串行通信口F2407A设有一个异步串行外设通信口（SCI）和一个同步串行外设通讯口（SPI），用于与上位机、外设及多处理器之间的通信。SCI即通用异步收发器（UART）支持RS-232和RS-485的工业标准全双工通信模式，用来与上位机的通信；SPI可用于同步数据通信，典型应用包括-F2407A之间构成多机系统和外部I/O扩展，如显示驱动。4.3.4DSP接口电路（1）JTAG接口电路程序的在线调试和仿真通过JTAG(JointTestActionGroup)标准测试接口连接相应的控制器，从而不但能控制和观察系统中处理器的运行，测试每一块芯片，还可以用这个接口来下载程序。在TMS320系列中，和JTAG测试口同时工作的还有一个分析模块。它支持断点的设置和程序内存、数据存储器、DMA的访问，程序的单步运行和跟踪，以及程序的分支和外部中断的计数等。通过结合TI的集成开发环境(CCS)与JTAG接口，可以很方便地进行实时在线调试。JTAG测试口与DSP管脚联机如图4.4所示。图4.4JTAG测试口与DSP管脚联机图（2）SCI串口通讯在DSP芯片内部，嵌入了SCI通讯模块。可以通过接口对DSP的内部FLASH进行烧写和仿真通讯。本系统设计采用的接口是RS232，其接口芯片采用的是MAXIM公司的MAX232，具体电路如图4.5所示。图4.54.4保护电路为了提高系统的可靠性，必须设计保护电路。本系统保护分为软件保护和硬件保护。软件保护通过将检测值输入DSP，通过程序进行判断是否封锁信号输出。而硬件保护电路，则通过逻辑与门来决定是否封锁输出信号，其中硬件保护较之软件保护，具有响应速度快的特点。4.4过压、欠压保护系统中设置了直流电压过压、欠压保护电路。因为IGBT集射极耐压及承受反压的能力有限，而且蓄电池电压变化范围较大，会导致直流回路过压或欠压，因此应设置直流电压过压、欠压保护电路。4.4.1.工作原理欠压（过压）保护是从主回路中引入信号控制，在这里欠压（过压）保护电路的比较信号取自同光耦的输出。在过(欠)压保护中，当采样电压高(低)于保护参考点V2（V1），则VOH(VOL)输出低电平，与其它故障信号相与后送入DSP的PDPINT中断口，当DSP的PDPINT管脚接收到低电平信号，DSP将做出相应的中断处理，立即封锁PWM输出及停止运行。1).保护阈值参数选择欠压保护电压：(4.1)过压保护电压：（4.2）2).电路参数计算将可调电阻调至6K得欠压保护参考电压设置：取，则将调至1.7K，使A4正输入端为2.5V。过压保护参考电压设置：取，将调至3.3K，使A5负输入端为10V。图过流保护IGBT虽可承受短时间的过流，但一旦超出安全区，则将被永久性地损坏。所以要设置快速的过流保护电路。系统在直流回路设置一个电阻，通过该电阻把电流转换成电压信号后接入图4.8保护电路中，形成过流保护。当发生过流故障，OC输出低电平，与其它故障信号相与后送入DSP的PDPINT中断口，当DSP的PDPINT管脚接收到低电平信号，DSP将做出相应的中断处理，立即封锁PWM输出及停止运行。图4.8过压保护电路过流保护的工作原理很简单，通过采取主电路电阻两端的电压做减法运算，则A7输出为,与A8正端输入（3V）作比较，当时，OC输出为低，即当时，OC输出为低。4.4.3故障信号的处理前面讲述的过流、过压、欠压保护信号，最后要在DSP中处理，只要其中有一个信号发出低电平，则DSP立即中断响应。原理图如图4.9。这部分是DSP接收保护信号的电路，当其中一路保护信号为低时，则PDPINT将接收到一个低电平信号，此时DSP将停止发生PWM波。图4.94.5电源模块设计为了满足DSP控制系统对电源的可靠性、精度、宽范围输入、隔离等方面的要求，本系统的电源设计采用模块化的设计方案，共使用三个电源模块，形成两级的电源系统。系统的电源是来自汽车的蓄电池12V电压，12V电压不能直接应用在本系统中，而且电源波动范围较大，所以要进行一些转换。故使用ANSJ的宽范围输入的隔离电源模块HDW15-12S05DC/DC模块为一级电源模块，输入电压范围为9-18V，功率15W，有三路电压输出+5V和±15V，精度±1%，负载效应小，动态响应快，启动延时小于200ms。首先是把12伏的电压转换成5V和±15V的电压，+5V的电压直接给给DSP外部接口芯片供电，±15V输出给霍尔传感器供电。因为2407系列的DSP使用的是3.3V的电源，还要把5V的电压转换成3.3V。TI公司生产的TPS75733电源转换芯片作为5V转3.3V的高性能稳压芯片，并可提供上电复位信号。该信号接到DSP的复位引脚上。TPS75733输出后要接10uF和0.1uF的电容，以得到稳定的3.3V电压。具体电路如图4.10所示。图4.104.6非接触式电源系统的软件实现非接触式电源控制系统的整个程序包括主程序和三个中断程序即定时器中断程序、串行通信中断程序以及外部中断程序组成。系统上电或手动复位后主程序自动运行，它首先将系统初始化，即根据要求给时钟及看门狗模块、1/0模块、定时器、SCI模块、ADC模块、定时器、全比较单元和简单比较单元的控制寄存器以及等待状态发生器赋值，以便各模块正常工作，然后开中断并等待。在主程序中还有一个清看门狗的子程序，负责喂狗，如果程序意外飞跑失控，看门狗将在所设定的时间内引起一次中断，使得系统复位，程序重新执行。系统的主程序流程见图4.11。中断程序GSRI开通了一个二级中断源一一串行通讯中断，它负责与上位机的数据通信，整个中断系统中它的中断优先级别最高。它的作用是一方面将下位机的状态信息数字量传送给上位机，另一方面它可以根据上位机的要求对整个电源系统的控制进行启停操作，或者修改控制参数。而中断程序GSRZ也只开通了一个二级中断，即系统的掉电保护中断，它由MAX706给出的故障电源信号触发，当MAX706芯片检测到电源掉电时，系统响应中断，封锁所有的PWM输出信号以便保护功率逆变器件;中断程序GSR3开通了定时器3的周期匹配中断，它定时读取1/0端口以获取功率器件的保护信号，刷新LCD屏，复位看门狗等。在主程序中间，如何利用软件产生、移相控制信号是主程序的关键组成部分，其程序流程如图5.H所示。我们在这里采用了DSP三个定时/计数器中的两个T1、TZ来产生四个开关IGBT管的移相控制脉冲信号，在该段程序中，首先使能Tl、TZ的全比较操作，接下来设置死区控制寄存器，使能T1、T2的全比较死区操作并设置合适的死区时间，然后设置其比较控制寄存器，使能T1、TZ的全比较操作，再通过设置定时器Tl、T2的全比较寄存器及其周期寄存器的值来设置移相控制信号的占空比和频率，通过设置定时器Tl、TZ的初使值来实现移相功能，然后通过设置能用定时器控制寄存器来启动定时器Tl、T2的带死区移相PWM输出。NNY执行中断服务定时器下溢中断？关中断封锁PWM输出关闭系统？开中断启动定时器开启系统？初始化子程序禁止看门狗配置系统控制和状态寄存器，并禁止所有等待状态禁止总中断，并清除所有中断标志开始结束图4.114.7本章小结本章介绍了TMS320F2407的主要特点，并以TMS320F240型DSP为微处理核心构建了非接触式电能传输系统的硬件电路，重点介绍了高频逆变电路功率管的驱动与保护模块及电路。在此基础上，还介绍了主要控制程序的结构流程图，对移相脉冲信号的产生流程作出了详细分析。结论结论本文介绍了非接触式感应耦合电能传输技术的原理及松耦合变压器的概念，首先对作为非接触式感应耦合电能传输的关键部位一一松耦合变压器进行了深入的研究;在对比传统变压器与松耦合变压器的不同特点的基础上对松耦合变压器的不同结构作了对比研究，分析了松耦合变压器的数学模型，在对松耦合变压器的不同结构形态进行分析，最终选取了具有广泛运用前景的、采用El型铁芯结构的松耦合变压器作为本文的重点研究对象。论文最后部分给出了非接触式感应耦合电能传输系统的实现方案，文中利用了Tl公司的TMS320F240型DSP构建了整个电源控制系统的硬件实现，尤其是对IGBT的驱动与保护电路进行了比较详细的介绍，并对故障检测电路等外围电路进行了说明。对于控制系统的软件部分，采用汇编语言进行编制，文基于DSP的非接触式电源技术的研究中给出了系统主要程序的流程图。。参考文献参考文献参考文献[1]张涛.矿难——罪魁祸首不是瓦斯.人民日报，2003,4,9.[2]BoysJT,HuAP,CovicGA.CriticalQanalysisofacurrent-fedresonantconverterforICPTapplications[J].ElectronicsLetters,2000,36(17):1440-1442.[3]YongXX,BoysJT,CovicGA.ModelingandControllerDesignofICPTPick-ups[C].PowerCon2002,2002,3:1602-1606.[4]BoysJT,CovicGA,GreenAW.Stabilityandcontrolofinductivelycoupledpowertransfersystems[J].IEEProceedings:ElectricPowerApplications,2000,147(1):37-43.[5]HideakiA,HiroshiS,KoosukeH.Loadvoltagestabilizationofnon-contactenergytransferusingthreeresonantcircuit.IEEEPowerConversionConference,2002,2:466-471.[6]韩腾，卓放，刘淘等.可分离变压器实现的非接触电能传输系统研究.电力电子技术，2004,38(5):28-30.附录附录谢辞本文的研究工作是在我的导师XXX教授的悉心指导和严格要求下完成的。X老师在学习方法、工作方法和研究思路等方面给予了许多有益的启迪；同时，他对我的研究工作提出了宝贵的建议和意见，使我在研究工作中不断取得新的进展。X老师深厚的专业知识、严谨的治学精神和求实创新的工作作风深深的影响着我。在此，谨向X老师致以我最崇高的敬意和真挚的感谢！感谢我的家人和朋友对我生活上的关心，学习和工作的支持，这些使得我能够安心的完成我的研究工作。最后，对在我的学习和成长道路上给予帮助的所有老师和朋友们表示深深地感谢，对评阅该论文的所有专家表示最崇高的敬意和真挚的感谢！基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系