国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

一 種 全 向 無(wú) 線 供 電 平 臺(tái) 設(shè) 計(jì)

2019-07-02 12:12:38程瑜華錢(qián)高榮陳國(guó)雄
實(shí)驗(yàn)室研究與探索 2019年6期
關(guān)鍵詞:接收端單層三相

程瑜華, 萬(wàn) 鵬, 錢(qián)高榮, 陳國(guó)雄

(杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院, 杭州 310018)

0 引 言

隨著科技的發(fā)展,人們對(duì)供電方式的便捷性與智能性有了更高的要求,傳統(tǒng)的有線傳輸電能的方式已經(jīng)無(wú)法滿足人們的需求,無(wú)線電能傳輸技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[1-5]。當(dāng)前,主流的無(wú)線電能傳輸方式是通過(guò)磁場(chǎng)耦合來(lái)完成,電源與負(fù)載之間不再需要導(dǎo)線的物理連接,可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)指令進(jìn)行智能連接,使供電方式更加智能。然而,在某些無(wú)線供電應(yīng)用中,存在接收端在某些區(qū)域接收不到能量的“死區(qū)”現(xiàn)象。比如植入式腦神經(jīng)信號(hào)采集系統(tǒng)的無(wú)線供電應(yīng)用中,植入器件分布在大腦皮層的不同位置,由于大腦皮層中“溝”和“回”的起伏形狀,導(dǎo)致植入器件和線圈的朝向是不確定的,如果一個(gè)接收線圈的方向垂直于磁場(chǎng)的方向,由發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)就不會(huì)通過(guò)接收線圈,接收線圈因此不會(huì)接收到任何能量,因此會(huì)產(chǎn)生充電“死區(qū)”。此外,為了覆蓋所有的接收線圈,發(fā)射線圈應(yīng)該盡可能大,單個(gè)發(fā)射線圈會(huì)導(dǎo)致耦合效率呈梯度下降[4]。

目前,已有很多研究專注于解決“死區(qū)”問(wèn)題。文獻(xiàn)[7-8]中提出了一種由多個(gè)線圈組成的發(fā)射線圈陣列,這種發(fā)射線圈陣列可以擴(kuò)大輻射區(qū)域,但是不能在各個(gè)角度實(shí)現(xiàn)均勻磁場(chǎng)分布,而十字交叉型線圈[9]結(jié)合不同相位的激勵(lì)電流結(jié)構(gòu)[10-15]可以實(shí)現(xiàn)全向磁場(chǎng)覆蓋,但是覆蓋面積很小。本文提出了一種能夠產(chǎn)生全向并且磁場(chǎng)強(qiáng)度均勻的新型無(wú)線供電平臺(tái)。相比于傳統(tǒng)的無(wú)線電能傳輸?shù)陌l(fā)射部分,本系統(tǒng)能夠提供多角度、均勻性更好的磁場(chǎng);相比于傳統(tǒng)無(wú)線電能傳輸?shù)慕邮詹糠郑鞠到y(tǒng)具有更高的接收效率。本文對(duì)實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行了分析,給出了相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 實(shí)驗(yàn)原理與設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的全向無(wú)線供電平臺(tái)的系統(tǒng)原理圖如圖1所示。圖中,能量發(fā)送端使用1個(gè)FPGA板和1個(gè)多級(jí)緩沖器實(shí)現(xiàn),緩沖器的后端接了3塊帶有多個(gè)正六邊形相鄰線圈的單層板,作為無(wú)線能量發(fā)送平臺(tái)。能量接收端使用一個(gè)螺旋線圈,并在線圈內(nèi)插入磁芯提高接收效率。

圖1 全向無(wú)線供電平臺(tái)的系統(tǒng)原理圖

圖2給出了FPGA程序設(shè)計(jì)的流程圖,將50 MHz晶振利用鎖相環(huán)倍頻至150 MHz,12分頻后輸出3個(gè)頻率為12.5 MHz的方波信號(hào),3個(gè)方波信號(hào)之間各相差120°,相鄰信號(hào)之間的延時(shí)設(shè)置為26.67 ns(1/3周期時(shí)間)。這3個(gè)方波信號(hào)用來(lái)驅(qū)動(dòng)每層電路板上發(fā)送線圈陣列中不同的線圈。發(fā)送線圈共有3層電路板組成,每層選擇信號(hào)的頻率為3.3 kHz(占空比為1/3),3層板每一層的選通與關(guān)閉由數(shù)據(jù)選擇器實(shí)現(xiàn)。層與層之間有1/3個(gè)周期的延時(shí),以確保同一個(gè)1/3周期內(nèi)只有單獨(dú)一層處于工作狀態(tài)。

圖2 軟件設(shè)計(jì)流程圖

驅(qū)動(dòng)模塊的電路原理如圖3所示,74AC00芯片產(chǎn)生2個(gè)以輸入相位信號(hào)為基礎(chǔ)的反相信號(hào)VG1_0和VG2_0;通過(guò)D觸發(fā)器之后,相位信號(hào)與層選擇信號(hào)的同步,此時(shí),VG1_0和VG2_0作為D類功放兩個(gè)功率MOS管的柵極信號(hào)Gate1_0和Gate2_0;后級(jí)電流型Class-D的功放模塊由層選通信號(hào)控制(當(dāng)layer on時(shí),電流型Class-D的功放模塊開(kāi)啟;當(dāng)layer off時(shí),電流型Class-D的功放模塊關(guān)閉)。驅(qū)動(dòng)模塊最終將FPGA輸出的信號(hào)由3.3 V提升到5 V,電流型Class-D功放可為線圈陣列提供足夠大的輸出功率。

(a)

(b)

(c)

圖3 驅(qū)動(dòng)模塊原理圖

圖4是能量發(fā)送線圈陣列的俯視圖,由3層線圈陣列組成(圖中用紅色、藍(lán)色和綠色表示),相互之間交錯(cuò)排列,3層線圈陣列采用分時(shí)復(fù)用的方式工作。

圖4 能量發(fā)送線圈陣列俯視圖

每層陣列由圖5所示的六邊形線圈組成,任意相鄰線圈之間的激勵(lì)電流相位相差120°,單層線圈陣列所產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布是每個(gè)六邊形線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的總和。

圖5 單層線圈結(jié)構(gòu)示意圖

為了優(yōu)化能量接收的均勻性,計(jì)算了目標(biāo)空間中各點(diǎn)的磁場(chǎng)分布情況。將各個(gè)線圈在某個(gè)位置、某個(gè)角度的磁場(chǎng)進(jìn)行矢量相加(見(jiàn)圖6),可以得到孔某個(gè)位置、某個(gè)角度的磁場(chǎng)。如圖7所示為計(jì)算結(jié)果與電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS得到的仿真結(jié)果的對(duì)比圖。從圖中可見(jiàn),計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果吻合。因此,可以利用計(jì)算結(jié)果來(lái)分析空間中磁場(chǎng)分布的最小值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。其中,最小值在優(yōu)化時(shí)的優(yōu)先級(jí)最高,因?yàn)樽钚≈堤幨钦麄€(gè)系統(tǒng)性能最差的情況。為了優(yōu)化最小值(即,提升最小值的大小),對(duì)發(fā)送陣列的六邊形線圈的尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。

圖6 磁場(chǎng)分布圖

圖7 仿真和理論的磁場(chǎng)分布比較圖

發(fā)送端的設(shè)計(jì)和優(yōu)化目標(biāo)是產(chǎn)生足夠均勻的各向磁場(chǎng),而在接收端,其優(yōu)化目標(biāo)是在此磁場(chǎng)分布下盡可能地獲取足夠多的能量。因此,在螺旋線圈中插入磁芯來(lái)提高接收的能量,提高無(wú)線電能傳輸效率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)的整體裝置如圖8所示。實(shí)驗(yàn)中,使用Altera公司的EP4CE6F17C8型號(hào)的FPGA,時(shí)鐘芯片的頻率為50 MHz,F(xiàn)PGA開(kāi)發(fā)板輸出的層信號(hào)頻率為3.3 kHz,如圖9所示,同時(shí)輸出的3個(gè)相位分別為0°、120°、240°,頻率為12.5 MHz的相位信號(hào),如圖10所示。由于本設(shè)計(jì)中使用了分時(shí)復(fù)用技術(shù),即在當(dāng)前時(shí)刻3層非重疊發(fā)送線圈陣列只會(huì)有1層發(fā)送線圈正常工作,故在實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí),任一時(shí)刻只需要測(cè)試單層的感應(yīng)電壓即可。

圖8 實(shí)驗(yàn)整體裝置圖

圖9 3層FPGA信號(hào)

圖10 三相FPGA信號(hào)

驅(qū)動(dòng)模塊如圖11所示,將FPGA的輸出信號(hào)從3.3 V提升到5 V,然后接入發(fā)射線圈陣列單層板,如圖12所示,發(fā)射線圈陣列單層板中共有19個(gè)正六邊形線圈,測(cè)量了距離發(fā)送線圈板中心的正方形區(qū)域2 cm處的磁場(chǎng),正方形區(qū)域的尺寸為6 cm × 6 cm,共劃分為36個(gè)1 cm × 1 cm的小正方形,測(cè)試時(shí)將接收線圈分別置于正方形區(qū)域的49個(gè)頂點(diǎn)處,通過(guò)示波器測(cè)量接收線圈接收到的感應(yīng)電壓。

圖11 驅(qū)動(dòng)模塊電路實(shí)物圖

接收線圈采用直徑為4 mm的磁芯來(lái)改善接收線圈的截面面積和感應(yīng)電壓,在磁芯周圍,用直徑為0.152 4 mm的AWG36型號(hào)的銅線繞制20圈,連接導(dǎo)線從接收線圈兩端扭轉(zhuǎn),以減少連接導(dǎo)線感應(yīng)電壓的不穩(wěn)定性,如圖13所示。

圖12 發(fā)射線圈圖

圖13 接收線圈圖

測(cè)試過(guò)程中,保持發(fā)射線圈陣列板與接收線圈中心距離恒定2 cm,分別測(cè)試z軸角度為0°、45°、90°時(shí),接收線圈在各個(gè)點(diǎn)上方的感應(yīng)電壓,如圖14所示。對(duì)于不同角度的每種情況,在不同的時(shí)間分別測(cè)量感應(yīng)電壓5次,然后取其平均值,以減少由操作引起的誤差。

為顯示本設(shè)計(jì)的優(yōu)越性,將同相發(fā)送陣列線圈(即每層所有的發(fā)送線圈的電流相位相同)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。單層同相分別在方位角為0°、45°、90°條件下的測(cè)試結(jié)果如圖15(a)、(c)、(e)所示,單層三相的測(cè)試結(jié)果如圖15(b)、(d)、(f)所示。從圖中可以看出,三相單層發(fā)送線圈陣列在接收端產(chǎn)生的電壓相比同相單層發(fā)送線圈陣列的情況,雖然均勻性較差,但是幅值要高很多。同相單層發(fā)送線圈陣列中,因?yàn)橄噜弮蓚€(gè)線圈之間靠近的導(dǎo)線中流過(guò)的電流方向剛好相反,從而相互抵消,因此其在測(cè)試區(qū)域產(chǎn)生的磁場(chǎng)很低,從而均勻性好。三相單層均勻性較差的缺點(diǎn),通過(guò)3層線圈分時(shí)工作的特點(diǎn)進(jìn)行了彌補(bǔ)。

(a) 單層同相0°

(b) 單層三相0°

(c) 單層同相45°

(d) 單層三相45°

(e) 單層同相90°

(f) 單層三相90°

本設(shè)計(jì)中3層線圈采用時(shí)分工作的方式,即同一時(shí)刻只有一層發(fā)射線圈板處于工作狀態(tài),故實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí),采用了對(duì)3層發(fā)射線圈板分別進(jìn)行測(cè)試的方法。作為對(duì)比,也將3層同相的情況進(jìn)行了測(cè)試。3層同相分別在方位角為0°、45°、90°條件下的測(cè)試結(jié)果如圖16(a)、(c)、(e)所示。3層三相的測(cè)試結(jié)果如圖16(b)、(d)、(f)所示。從圖中可以看出,3層三相發(fā)送線圈陣列在接收端產(chǎn)生的電壓的相比于3層同相情況下,幅值要高很多。同時(shí),3層三相的情況相比圖15中單層三相的情況,均勻性提高了很多。

(a) 3層同相0°

(b) 3層三相0°

(c) 3層同相45°

(d) 3層三相45°

(e) 3層同相90°

(f) 3層三相90°

4種實(shí)驗(yàn)條件下,接收端測(cè)得的平均電壓對(duì)比如表1所示,進(jìn)一步可以發(fā)現(xiàn)3層三相的情況在平均電壓上有較大提高。

表1 4種發(fā)送線圈陣列實(shí)驗(yàn)的平均電壓 V

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的全向無(wú)線供電平臺(tái),將3層能量發(fā)送線圈陣列組合,使發(fā)射端的磁場(chǎng)強(qiáng)度更大、分布更加均勻;接收端采用螺旋線圈插入磁性材料,增大了發(fā)送線圈和接收線圈間的耦合系數(shù)。相比于現(xiàn)有的供電平臺(tái),該系統(tǒng)可以解決無(wú)線供電系統(tǒng)中存在的“死區(qū)”問(wèn)題,還可以提高接收功率和能量傳輸效率。

通過(guò)原理分析和參數(shù)設(shè)計(jì),為供電平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)設(shè)置提供了指導(dǎo)。該實(shí)驗(yàn)裝置不僅可以在教學(xué)中進(jìn)行FPGA的使用、電路設(shè)計(jì)及分析、電磁場(chǎng)等知識(shí)教學(xué),而且可以開(kāi)拓學(xué)生的視野,啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行更多的科技作品創(chuàng)新。

猜你喜歡
接收端單層三相
二維四角TiC單層片上的析氫反應(yīng)研究
分子催化(2022年1期)2022-11-02 07:10:16
基于擾動(dòng)觀察法的光通信接收端優(yōu)化策略
頂管接收端脫殼及混凝土澆筑關(guān)鍵技術(shù)
一種設(shè)置在密閉結(jié)構(gòu)中的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)
新能源科技(2021年6期)2021-04-02 22:43:34
基于多接收線圈的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)優(yōu)化研究
三相異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)電路在停車器控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
基于PLC控制的立式單層包帶機(jī)的應(yīng)用
電子制作(2019年15期)2019-08-27 01:12:04
單層小波分解下圖像行列壓縮感知選擇算法
新型單層布置汽輪發(fā)電機(jī)的研制
兩級(jí)式LCL型三相光伏并網(wǎng)逆變器的研究
香格里拉县| 建瓯市| 阿合奇县| 颍上县| 肥乡县| 聂荣县| 阿城市| 阿坝县| 吉林省| 乃东县| 霍州市| 冕宁县| 甘谷县| 临江市| 汝州市| 阿图什市| 锡林浩特市| 饶河县| 英山县| 平邑县| 盐亭县| 炉霍县| 吉首市| 依安县| 呼图壁县| 镇平县| 疏附县| 吴旗县| 简阳市| 四会市| 库伦旗| 新津县| 凤城市| 江油市| 石林| 鹰潭市| 恩施市| 钦州市| 漯河市| 嵊泗县| 蛟河市|