王成亮，王 雙，徐 妍，楊慶勝

（1.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，南京 211102；2.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，南京 210098；3.重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，重慶 400044）

隨著無(wú)線電能傳輸WPT（wireless power transfer）系統(tǒng)得到市場(chǎng)更多的關(guān)注，耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)需要滿足越來(lái)越多的功能和需求[1]。目前在單發(fā)射單接收的耦合機(jī)構(gòu)方面有了很深入的研究，系統(tǒng)的輸出效率、功率都與耦合機(jī)構(gòu)密切相關(guān)[2],并且在這方面有了比較成熟的技術(shù)理論體系。然而在功率較大的用電設(shè)備或者負(fù)載過(guò)多的情況下，這種傳輸系統(tǒng)的傳輸效率會(huì)大大下降。而多發(fā)射單元的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，使系統(tǒng)的靈活性得到提高，降低了系統(tǒng)的電流、電壓應(yīng)力，而且由于每一個(gè)發(fā)射單元都在傳輸電能，使得每個(gè)發(fā)射單元承受的電流更小，降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度與成本[3-4]。進(jìn)行多逆變無(wú)線電能傳輸時(shí)，逆變器之間輸出的相位差會(huì)造成發(fā)射線圈之間產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)，互相影響，導(dǎo)致磁場(chǎng)強(qiáng)度衰減，從而導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸效率下降[5]。為了保證傳輸效率的最大化，應(yīng)通過(guò)控制逆變器的驅(qū)動(dòng)來(lái)改變控制器輸出相位，從而達(dá)到多逆變器輸出同步的效果。

本文對(duì)多發(fā)射單元無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、特性進(jìn)行了研究，并分析了多逆變器輸出之間相位差φ對(duì)系統(tǒng)效率、原邊電流系統(tǒng)輸出電壓的影響，提出一種使逆變器實(shí)現(xiàn)同步輸出的閉環(huán)控制方法。首先以磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸MCR-WPT（magneticallycoupled resonant wireless power transfer）系統(tǒng)為研究對(duì)象，給出多逆變MCR-WPT 系統(tǒng)模型及逆變器輸出相位差對(duì)系統(tǒng)的具體影響；然后設(shè)計(jì)針對(duì)多逆變器輸出的同步控制方案，主要包括檢測(cè)電路設(shè)計(jì)與移相控制兩部分；最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 多逆變MCR-WPT 系統(tǒng)

多逆變MCR-WPT 系統(tǒng)模型如圖1 所示[6-7]，圖中：US1和US2為兩逆變器的輸出電壓，US為直流輸入電壓，US1=UScos（ωt），US2=UScos（ωt+φ），φ 為兩個(gè)逆變器輸出的相位差；C1、C2和C3分別為諧振網(wǎng)絡(luò)的發(fā)射端和接收端補(bǔ)償電容；L1、L2、L3分別為線圈的自感，R1、R2、R3為線圈的寄生電阻；RL為負(fù)載電阻；Uo為系統(tǒng)的輸出電壓；M12為L(zhǎng)1和L2之間的互感，M13為L(zhǎng)1和L3之間的互感，M23為L(zhǎng)2和L3之間的互感。

圖1 多逆變MCR-WPT 系統(tǒng)模型Fig.1 Model of MCR-WPT system

經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出輸出電壓Uo、輸出功率Po、系統(tǒng)的效率η 分別為

式中：I3為輸出電流；R 為線圈內(nèi)阻，R=R1=R2；M 為原副邊線圈互感，M=M13=M23；ω 為系統(tǒng)角頻率。

將輸入電壓US1=UScos（ωt），US2=UScos（ωt+φ）代入式（1）～式（3），化簡(jiǎn)得

分析式（4）～式（6）得φ=0、US1=US2時(shí)，系統(tǒng)的輸出電壓、輸出功率及系統(tǒng)效率最大。因此，需要進(jìn)行控制，使兩個(gè)逆變器保持同步輸出[8-10]。

2 多逆變MCR-WPT 系統(tǒng)的同步控制

2.1 控制策略

本文對(duì)于對(duì)逆變器同步控制的主要思想是：當(dāng)發(fā)射線圈和諧振電容調(diào)諧成功時(shí)，逆變器的負(fù)載屬于純阻性負(fù)載，因此逆變輸出的電壓與電流相位一致，因此，檢測(cè)出流過(guò)兩個(gè)線圈電流的相位即可知道兩個(gè)逆變器輸出的相位信息，而逆變器輸出電壓與驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位一致，所以可以通過(guò)檢測(cè)到的電流信號(hào)改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位，從而達(dá)到逆變器輸出電壓移相的效果。相位差檢測(cè)的原理如圖2 所示，圖中：U1、U2為兩路電壓正弦信號(hào)；C 和D 分別為U1和U2經(jīng)過(guò)過(guò)零比較后的方波信號(hào)；F 為兩路方波信號(hào)的相位關(guān)系。測(cè)量?jī)陕沸盘?hào)之間相位差不僅需要保證兩路信號(hào)的頻率相同，而且要排除由于兩路信號(hào)的幅值變化等因素對(duì)測(cè)量造成的影響[11]，應(yīng)該盡量避開(kāi)測(cè)量引起的相位誤差。

圖2 相位差檢測(cè)原理Fig.2 Principle of phase difference detection

圖3 為同步控制框圖，同步控制流程如圖4 所示。已知流過(guò)兩個(gè)發(fā)射線圈的電流為正弦信號(hào)，通過(guò)電流互感器可以將兩路電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)采集，將采集的電壓信號(hào)通過(guò)過(guò)零比較，得出兩路方波信號(hào)，將方波信號(hào)進(jìn)行分壓得到能夠送入控制器的電壓信號(hào)，然后通過(guò)控制器2 讀入兩路方波信號(hào)，計(jì)算出信號(hào)的相位差。保持控制器1 的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)不變，根據(jù)相位差信息對(duì)控制器2 輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行移相，當(dāng)檢測(cè)到的相位差信息滿足要求后，停止控制器2 輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的移相，此時(shí)兩個(gè)發(fā)射線圈的電流相位基本相同，因此，兩個(gè)逆變器的輸出也達(dá)到了同步。

圖3 同步控制框圖Fig.3 Synchronization control block diagram

圖4 同步控制流程Fig.4 Synchronous control flow

2.2 程序設(shè)計(jì)

本文主要用FPGA 作為控制器，相比于其他的控制器，F(xiàn)PGA 使用Verilog 或VHDL 進(jìn)行編程，邏輯清晰，處理速度快，得到了廣泛的應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)的多逆變器系統(tǒng)選擇一塊stm32f103 系列單片機(jī)和Cyclone IV 分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)逆變電路，由于不同控制器的時(shí)鐘不同，產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)并非同步，從而導(dǎo)致了逆變器輸出不同步，因此，本文將一個(gè)stm32的驅(qū)動(dòng)信號(hào)保持不變，Cyclone IV 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)移相達(dá)到同步輸出的效果。

2.2.1 相位差測(cè)量

當(dāng)電流檢測(cè)電路和過(guò)零比較電路將發(fā)射線圈的電流處理為峰值為5 V 以下的方波信號(hào)時(shí)，就可以將兩路信號(hào)傳入FPGA 中進(jìn)行相位差的測(cè)量，兩路信號(hào)相位差如圖5 所示。圖中：U1、U2、U3為電壓信號(hào)；以U1為電壓標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，U2滯后于U1，U4反映U1和U2的相位關(guān)系，其高電平持續(xù)的時(shí)間t1可轉(zhuǎn)換為U1、U2對(duì)應(yīng)相位差φ1，φ1=360°·t1/T；U3超前于U1，U5反映U1和U3的相位關(guān)系，其高電平持續(xù)的時(shí)間t2可轉(zhuǎn)換為U1、U3對(duì)應(yīng)相位差φ2，φ2=360°·t2/T。

圖5 兩路信號(hào)相位差Fig.5 Phase difference of two signals

圖6 為相位差檢測(cè)流程，其中：CL 為超前滯后的判斷，CL=0，則U1超前于U2；Q 為程序運(yùn)行過(guò)程中相位差的計(jì)數(shù)器；XW 為最終相位差的數(shù)字量。

圖6 相位差檢測(cè)流程Fig.6 Phase difference detection flow chart

2.2.2 移相的實(shí)現(xiàn)及總控制流程

圖7 是移相原理，主要通過(guò)計(jì)數(shù)延遲進(jìn)行移相[12]，A 路波形為一個(gè)周期的基準(zhǔn)波形，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)500 次清零，計(jì)數(shù)低于250 時(shí)，輸出為0，大于250 時(shí)，輸出為1。令point 為計(jì)數(shù)器當(dāng)前計(jì)數(shù)值，當(dāng)需要進(jìn)行向左移相時(shí)，可以設(shè)置為當(dāng)計(jì)數(shù)值小于250-point 和大于500-point 時(shí)，輸出為0，其余階段輸出為1，如圖7 中B 路波形。當(dāng)需要進(jìn)行向右移相時(shí)，可以設(shè)置為當(dāng)計(jì)數(shù)值小于point 和大于250+point 時(shí)，輸出為1，其余階段輸出為0，如圖7 中C路波形。通過(guò)改變point 值改變移相的角度。系統(tǒng)總控制流程和移相流程分別如圖8、圖9 所示。為了保證相位差檢測(cè)的速度，系統(tǒng)用50 MHz 時(shí)鐘進(jìn)行相位差計(jì)算，得出相位差后就可以根據(jù)相位差是否大于10°給移相信號(hào)賦值，大于10°則移相信號(hào)為1，小于10°則移相信號(hào)為0。

圖7 移相原理Fig.7 Phase shifting schematic diagram

圖8 總控制流程Fig.8 General control flow

圖9 移相流程Fig.9 Phase shifting flow

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖3 搭建的多逆變輸出控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖10 所示，其中包括控制器直流電源、逆變電路、諧振線圈和諧振電容、整流濾波電路、電流檢測(cè)和過(guò)零比較電路。兩個(gè)發(fā)射線圈與接收線圈的距離為5 cm。

圖10 多逆變輸出控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.10 Experimental system of multi inverter output control

3.1 電流檢測(cè)測(cè)試

當(dāng)檢測(cè)到電流信號(hào)后，需要對(duì)其進(jìn)行整形以方便控制器能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)信號(hào)的相位差，整形即為過(guò)零比較。為了將信號(hào)傳輸?shù)娇刂破髦?，還進(jìn)行了電阻分壓處理。示波器采集的過(guò)零比較結(jié)果如圖11所示，波形1 為實(shí)際電流，波形2 為過(guò)零比較后經(jīng)過(guò)降壓處理的波形?？梢钥闯?，過(guò)零比較的效果較好，沒(méi)有明顯的相位滯后。

圖11 過(guò)零比較結(jié)果Fig.11 Zero crossing comparison results

3.2 同步輸出測(cè)試

由于同步輸出控制為一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程，所以隨機(jī)選擇時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行觀察，示波器采集的同步輸出控制如圖12 所示，兩者相位差很小，說(shuō)明同步控制的效果較好。

圖12 同步輸出控制Fig.12 Synchronous output control

3.3 效率分析

通過(guò)在搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，輸入直流電壓為6 V，當(dāng)逆變器之間的相位差改變時(shí)系統(tǒng)參數(shù)變化見(jiàn)表1。根據(jù)表1 可以繪出系統(tǒng)效率和輸出電壓與相位差的關(guān)系，分別如圖13 和圖14 所示，可以看出，隨著相位差的增加，系統(tǒng)輸出電壓和整體效率都有所下降，和第1 節(jié)的結(jié)論相符合。由于輸入的電壓較小，而整流過(guò)程二極管存在管壓降以及電路損耗等原因，效率比較低，當(dāng)輸入電壓提升后，效率會(huì)逐漸上升。

表1 相位差對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的影響Tab.1 Effect of phase difference on system parameters

圖13 系統(tǒng)效率隨相位差的變化Fig.13 Variation of system efficiency with phase difference

圖14 系統(tǒng)輸出電壓隨相位差的變化Fig.14 Variation of system output voltage with phase difference

3.4 實(shí)驗(yàn)小結(jié)

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，逆變器之間的相位差對(duì)系統(tǒng)影響很大，隨著相位差增大，系統(tǒng)效率和輸出電壓都下降。當(dāng)兩個(gè)逆變器驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)自不同的控制器時(shí)，由于時(shí)鐘沒(méi)有校準(zhǔn)，逆變器輸出相位不同，導(dǎo)致系統(tǒng)的輸出電壓、輸入電流的變化，最終導(dǎo)致系統(tǒng)效率的變化。而加入同步輸出控制后，雖然還存在一定的相位差，但保持在10°以內(nèi)，因此系統(tǒng)效率有了很大提升。

4 結(jié)論

針對(duì)多逆變器的輸出不同步造成多逆變無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)不同步，最后影響整個(gè)系統(tǒng)電能傳輸效率問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種閉環(huán)同步輸出控制，利用系統(tǒng)運(yùn)行在諧振頻率下，逆變器輸出電壓與電流同相原理，用電流互感器采集逆變器輸出電流（即線圈電流），串接電阻后，用電阻兩端的電壓信號(hào)代替逆變器輸出電壓，將其經(jīng)過(guò)過(guò)零比較電路送入控制器，進(jìn)行移相，形成閉環(huán)，達(dá)到輸出同步的效果。后期將鑒于SS 型諧振補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的局限性，考慮其他補(bǔ)償；建立多逆變器之間的無(wú)線通信，增加系統(tǒng)的靈活性。主要展望如下：

（1）系統(tǒng)的效率提升問(wèn)題，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，系統(tǒng)效率還有很大的提升空間，可從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)展開(kāi)，研究決定系統(tǒng)傳輸效率的具體因素及其對(duì)系統(tǒng)的具體影響。

（2）采用的SS 型諧振補(bǔ)償結(jié)構(gòu)雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)系統(tǒng)諧振網(wǎng)絡(luò)稍有變化時(shí)，使直流輸入電流較大，器件承受的電流較大。因此，后續(xù)可尋找一種效果更佳的諧振拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（3）兩個(gè)逆變器雖然是由獨(dú)立的控制器提供的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，但在檢測(cè)電路中還是將兩個(gè)逆變器連接在一起，因此，可探討通過(guò)無(wú)線通信方式，將發(fā)射端隔離開(kāi)，形成兩個(gè)完全獨(dú)立的部分，將增加系統(tǒng)靈活性。