磁谐振式无线电能传输系统频率跟踪设计
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摘 要： 无线电能传输系统在传输过程中，针对系统失谐导致输出功率大大降低的问题，文章在Matlab/Simulink仿真庫搭建了一套能够自动进行频率跟踪反馈的磁谐振式无线传能仿真系统，并对高频逆变电路触发脉冲信号发生器进行了设计与改进，使系统能够在发射端实现电压电流接近同相位，从而使系统在收发端传输能量时，处于接近纯阻态特性，减小了谐振线圈之间的无功损耗，增加了系统传输效率。仿真数据表明，该系统能够实时对发射端电流进行检测，并通过数字锁相环电路的调节信号对高频逆变器进行调节，输出与发射端电流同相位的逆变电压，实时进行动态调节。
关键词： 频率跟踪; 无线电能传输; 系统设计; 磁耦合谐振; 触发脉冲信号; 无功流动
中图分类号： TN925?34; TM72 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2020）18?0080?05
Abstract： In the transmission process of the wireless energy transmission system， the output power of the system could reduce greatly if the detuning of the system. A wireless energy transmission simulation system with magnetic resonance type is constructed in the Matlab/Simulink simulation library， which can perform the frequency tracking and feedback automatically; and the trigger pulse signal generator of the high?frequency inverted circuit is designed and improved， which make system able to realize the voltage and current close to the same phase at the transmitting end， so that the system is close to the pure resistance state when the energy is transmitted from the receiving end to the sending end， so reduces the reactive power disslpation between the resonance coils and increases the transmission efficiency of the system. The simulation data show that the system can detect the current at the transmitting end in real time， adjust the high?frequency inverter by means of the adjustment signal of the digital phase?locked loop circuit and dynamic adjust it in real time， so as to realize the output of the inverter voltage with the same phase as the current at the transmitting end.
Keywords： frequency tracking; wireless power transmission; system design; magnetic coupled resonance; trigger pulse signal; reactive power flow
0 引 言
近些年来无线电能传输技术由于其巨大的技术优势而正在快速发展，它可以在一些特殊场合替换传统的电力线路输电方式。按照传输原理的不同可以分为：磁辐射式、磁耦合式、电磁感应式。其中，磁耦合式传输技术具有传输功率大、传输距离远等特点而被广泛应用。为了增加系统的实用性，研究对无线电能传输系统传输效率的提高变得至关重要。目前，国内外对磁耦合谐振式无线电能传输的研究处于理论推导和初步实验阶段，在传输距离、传输效率方面，李阳等研究了在传输过程中系统的固有谐振频率特性[1];文献[2]通过系统建模对磁耦合式无线电能传输系统进行了传输距离以及传输效率的分析。这些研究成果的应用较大地提高了无线电能传输的实用性。
当系统处于谐振状态时，逆变电路脉冲信号触发器频率与系统谐振固有频率相同，并且在固有频率谐振点附近，系统的传输效率能够达到最大[3]。为了使系统在外界出现扰动时能够时刻工作在固有谐振频率附近，本文利用改进的锁相环电路构建的反馈控制电路对发射端线圈电流进行检测。从锁相环电路导出的反馈信号经过一系列的方波变换与脉冲调制后输入到发射端逆变电路，从而控制H型全桥逆变电路的上下桥臂IGBT的导通与关断，来实现逆变后的方波电压与发射端电流相位基本相同，以及在系统谐振过程中系统输入阻抗为纯阻态谐振状态[4]。
1 磁耦合谐振式无线电能传输数学模型 谐振耦合式无线电能传输在传输过程中最重要的性能指标是传输效率。根据简化的数学模型推导出影响传输效率的各种因素，并根据得出的数学表达式对效率优化进行参数计算与调整。简化后的SS型补偿式无线电能传输系统电路模型如图1所示。
图中：[Vi]为交流电源;[L1]，[L2]分别为发射端线圈与接收端线圈电感;[M]为线圈互感;[C1]，[C2]为两端补偿电容;[RL]为负载。
由图1可知，谐振耦合电能无线传输的模型可表示为：
由式（6）可以得出，[η=G（f，M，RL，R1，R2）]，当系统处于工作状态时，输入等效电阻[R1]与输出等效电阻[R2]以及谐振频率[f]大小确定，影响传输效率的主要变量为线圈互感[M]和[RL]，即[η=G（M，RL）]。图2即为当系统处于稳定工作状态，输入等效电阻、输出等效电阻、谐振频率确定时，传输效率[η]受线圈互感[M]与负载电阻[RL]的三维变化曲线图。
2 技术原理及改进设计
2.1 频率跟踪技术原理
在频率跟踪过程中，电流互感器检测发射谐振回路的电流，经过差分放大与相位补偿后，得到与发射回路谐振频率一致的脉冲电压。然后将这一脉冲电压信号输入到锁相环模块，锁相环根据这一信号脉冲开始进行以固有谐振频率为中心点的频率跟踪，并将跟踪过程中输出的一系列跟踪信号输入到PWM驱动电路进行脉冲宽度调制。最终由PWM驱动电路产生的脉冲信号对发射端高频逆变电路进行控制[6]。只要在锁相环入锁范围内的频率，锁相环模块就可以进行频率跟踪，而且用压控振荡器输出的跟踪信号来对发射端逆变电路进行开关控制，就可以最终实现发射端电流电压同频同相，使系统进入纯阻态特性，减小系统收发端线圈无功损耗，同时效率达到最大。
2.2 磁谐振式无线电能传输系统频率跟踪设计原理图
本文的系统反馈电路设计原理图如图3所示。其工作原理为，发射端电流互感器对线路电流进行采集，然后将该电流信号通入2个选择开关（Switch）中，从而产生2个与正弦交流信号同频率的方波脉冲，但两方波脉冲相位相差[π]，即2个方波脉冲信号同频反相，将2个信号分别接入以系统固有谐振频率为中心频率的鎖相环中的Ref端口作为参考信号。此时锁相环会进行以固有频率为中心点的上下调频，直至调到系统电流电压能够处于同相位的频率以后，锁相环进入锁定状态。从锁相环出来的跟踪信号第二次经过选择开关（Switch）电路进行脉冲占空比调节，为高频逆变器电路上下桥臂的IGBT留有充足的死区时间以避免由于不对称的开通和关断时间造成的桥臂直通现象[7]。由于该设计是以锁相环的跟踪反馈信号作为逆变器中IGBT的信号脉冲，而当系统在开始启动过程中时，反馈信号为0，系统不能够自启动。
为了使系统能够自启动，而且在系统启动以后将锁相环跟踪脉冲信号作为逆变器的控制信号，本文设计以系统固有谐振频率作为信号发生器的信号频率，并设置了具有时间延时设定的同频反相脉冲信号。当系统在启动时，由信号发生器提供脉冲方波信号，一旦锁相环模块频率跟踪信号产生时，设定有时间延迟的反相信号发生器产生反相信号，抵消信号发生器脉冲信号。此时，逆变电路脉冲方波信号由锁相环跟踪信号提供，最终达到跟踪反馈的调节效果。
对该反馈电路设计在Simulink仿真库中进行搭建，仿真电路图如图4所示。
3 仿真结果与分析
3.1 仿真结果
本文使用Matlab/Simulink对该设计构建了仿真模型，主要有Boost升压电路、H型全桥高频逆变电路、整流电路、闭环反馈电路等。系统各部分主要参数如表 1所示。
仿真过程中，在发射端加装一个电感线圈来模拟系统，由于受到外部小扰动引起谐振频率的变化，当在发射端加装附加电感的电感量为3 μH时，发射端电流与电压相位波形图如图5所示。系统接收端负载电压波形图如图6所示。
从图5可以看出，当系统在固有谐振频率处发生谐振时，如果系统受到小的扰动，比如等效电感值的增大或者减小，那么此时系统的谐振频率会发生偏移，在发射端电压电流波形图上的表现为电流电压相位不同步;此时，当采用反馈电路对系统谐振频率进行跟踪调节以后，系统能够在锁相范围内进行频率调节，即重新找到一个频率值，使得发射端电压电流达到同相位[7]，从而使系统达到新的谐振状态。
由图6可以看出，当系统进行频率跟踪动态调节时，系统负载电压相比系统未进行频率跟踪时波形更加稳定且电压幅值更大。该波形图表明，当系统在受到小扰动的情况时，加入频率跟踪技术可以明显改善负载端电压波形质量且传输效率更大[8]。
压控振荡器锁相过程如图7所示。
从图7可以看出，改进后的锁相环频率跟踪反馈电路能够很好地进入锁相过程，并且在入锁以后能够做到反馈信号与参考信号相位无差调节。本反馈电路将发射端电流信号作为参考信号，锁相过程中锁相信号作为参考信号控制逆变器输出电压波形。
3.2 仿真数据分析
1） 当传输距离发生变化时，即当互感值M发生变化时，频率跟踪前后传输效率的变化如表1所示。
2） 当负载发生变化时，频率跟踪前后传输效率的变化，如表2所示。
将实验结果进行对比，分别做出传输效率[η]随负载和传输距离的变化图像，如图8所示。
由图8可以看出，系统传输效率随着传输距离的增大而单调递减，这是由于随着距离的增大，2个线圈互感[M]的值会逐渐变小[9]。由式（6）可以得出，系统传输效率[η]与线圈互感值的平方成正比关系，所以随着线圈距离的增大，系统传输效率会逐渐变小[10]。通过对比可以看出，系统在加入频率跟踪反馈电路后的传输效率相比系统未加入反馈调节时的传输效率显著提高，验证本文设计的正确性。 4 结 语
通过对磁耦合谐振式无线电能传输系统的设计与改进，在基于Simulink的仿真库模型中进行仿真实验分析，可以看出当系统传输距离与负载发生变化时，传输效率也发生了变化;当传输距离和负载发生变化时，采用频率跟踪技术后，系统的传输效率[η]得到提升。验证了该频率跟踪控制策略能够有效改善磁耦合谐振式无线电能传输系统的传输效率。
参考文献
[1] 李阳，杨庆新，闫卓，等.磁耦合谐振式无线电能传输系统的频率特性[J].电机与控制学报，2012，16（7）：7?11.
[2] 翟渊，孙跃，戴欣，等.磁共振模式无线电能传输系统建模与分析[J].中国电机工程学报，2012，32（12）：155?160.
[3] 史继翠.磁耦合谐振式无线电能传输系统建模及优化分析[D].湘潭：湘潭大学，2013.
[4] CALZADO C J， CABRERO J， MALRIEU J P， et al. Analysis of the magnetic coupling in binuclear complexes. I. Physics of the coupling [J]. Journal of chemical physics， 2002（7）： 2728?2747.
[5] CHI K L， ZHONG W X， HUI S Y. Effects of magnetic coupling of nonadjacent resonators on wireless power domino?resonator systems [J]. IEEE transactions on power electronics， 2012， 27（4）： 1905?1916.
[6] NAKAZAWA T， MAKINOUCHI K， TAKAMI Y， et al. The effect of the impeller?driver magnetic coupling distance on hemolysis in a compact centrifugal pump [J]. Artificial organs， 2010， 20（3）： 252?257.
[7] 李阳，杨庆新，陈海燕，等.无线电能传输系统中影响传输功率和效率的因素分析[J].电工电能新技术，2012，31（3）：31?34.
[8] 周佳丽，张波，谢帆.磁谐振无线输电系统E类逆变电路分析[J].北京交通大学学报，2015，39（5）：112?117.
[9] 卢文成，丘小辉，毛行奎，等.磁谐振无线电能传输串串式和串并式模型比较[J].电力电子技术，2015，49（10）：73?75.
[10] 张杰臣，黎福海，陈刚，等.磁谐振串并联混合模型无线电能传输效率分析[J].电子技术应用，2016，42（9）：138?142.
[11] KHOMICH V Y， REBROV I E. In?atmosphere electrohydrodynam?ic propulsion aircraft with wireless supply onboard [J]. Journal of electrostatics， 2018， 95： 1?12.
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