0 引言

    無(wú)線電能傳輸作為近幾年發(fā)展起來(lái)的新型能量傳輸方式，已成為國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)和學(xué)者的研究熱點(diǎn)^[1]。目前無(wú)線電能傳輸分為3大類：第一類是微波傳輸；第二類是電磁感應(yīng)式，利用電磁感應(yīng)耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線電能傳輸；第三類是磁耦合共振式，兩個(gè)諧振頻率相同的物體通過(guò)磁耦合的形式進(jìn)行無(wú)線電能的傳輸，可實(shí)現(xiàn)中等距離的高效傳輸。以上3類方式在傳輸過(guò)程中都以高頻信號(hào)的形式進(jìn)行傳輸^[2]。目前國(guó)內(nèi)外大多學(xué)者的研究是將高頻電能通過(guò)整流，以直流的方式供給負(fù)載。然而，絕大多數(shù)場(chǎng)合仍然需要交流電源。本文提出了一種適用于無(wú)線電能傳輸?shù)?a class="innerlink" href="http://www.ihrv.cn/tags/變頻器" title="變頻器" target="_blank">變頻器，能夠?qū)⒏哳l電壓轉(zhuǎn)換為工頻電壓，進(jìn)而方便人們?nèi)粘Ｊ褂?，顯著地提高無(wú)線電能傳輸?shù)膽?yīng)用范圍^[3]。

    變頻器按照有無(wú)中間直流環(huán)節(jié)分為交-交變頻器（AC-AC）和交-直-交變頻器（AC-DC-AC）^[4]。交-交型主要是將工頻交流電調(diào)節(jié)為其他可調(diào)頻率的交流電，廣泛應(yīng)用于交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。交-直-交型存在中間直流環(huán)節(jié)，由整流和逆變兩部分構(gòu)成，具有輸出容量大、無(wú)電氣隔離、變頻范圍寬等特點(diǎn)。由于設(shè)計(jì)是將高頻交流電轉(zhuǎn)換為低頻交流電，因此本文變頻器選用常用的交-直-交變頻方式。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示，由主電路和控制電路兩部分構(gòu)成。其中，控制電路以ATmega64為核心，驅(qū)動(dòng)電路、采樣反饋電路、保護(hù)電路以及通信顯示電路等構(gòu)成控制電路的外圍電路。無(wú)線電能接收端接收生成的高頻交流電，再經(jīng)過(guò)全橋整流、濾波得到直流電壓，由ATmega64可調(diào)的PWM信號(hào)控制，最后經(jīng)過(guò)全橋逆變電路、變壓電路和濾波電路輸出正弦電壓波形^[5]?；陔妷浩钚盘?hào)，采用雙閉環(huán)控制方法，控制逆變器系統(tǒng)的功率穩(wěn)定輸出。同時(shí)，變頻器具備過(guò)壓過(guò)流保護(hù)功能及電壓電流顯示功能。

    變頻器的主電路如圖2所示，主要由整流濾波電路、全橋逆變電路、高頻變壓電路及濾波電路4部分構(gòu)成。整流濾波部分由4個(gè)二極管D₁～D₄構(gòu)成橋堆進(jìn)行整流，電容C₁和C₂進(jìn)行濾波和穩(wěn)壓。逆變電路采用4個(gè)MOSFET管組成兩組橋臂形式的單相全橋式電路，并且MOSFET并聯(lián)二極管進(jìn)行續(xù)流，由ATmega64產(chǎn)生的兩路互補(bǔ)SPWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)MOSFET管。在逆變電路前串聯(lián)一個(gè)熔斷器F，以防止發(fā)生過(guò)流、短路等現(xiàn)象，起保護(hù)作用。高頻變壓器主要用于變壓和電氣隔離，輸出濾波電路采用LC濾波，濾除輸出波形中所包含的高次諧波，輸出220 V/50 Hz正弦波形^[6]。

2 控制電路設(shè)計(jì)

2.1 主控制器

    控制電路的主芯片選用ATMEL公司生產(chǎn)的ATmega64單片機(jī)。它是一款基于增強(qiáng)的AVR RISC體系結(jié)構(gòu)的低功耗的8位CMOS微控制器，擁有先進(jìn)的指令集和單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz。

2.2 驅(qū)動(dòng)電路

    由單片機(jī)產(chǎn)生的控制信號(hào)幅值只有5 V，因此需要驅(qū)動(dòng)電路將控制信號(hào)進(jìn)行放大，使其能夠驅(qū)動(dòng)MOSFET管的正常工作。本設(shè)計(jì)中選取IR2110作為驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)芯片，它能夠提供最大為2 A的驅(qū)動(dòng)電流，而且還具有快速的驅(qū)動(dòng)能力，驅(qū)動(dòng)芯片輸出柵極驅(qū)動(dòng)電壓10～20 V，芯片內(nèi)部針對(duì)橋式逆變器等開關(guān)管的浮地情況也作了專門的設(shè)計(jì)，且不需要專用的供電電源，使用簡(jiǎn)單^[7]。

    IR2110驅(qū)動(dòng)電路圖如圖3所示，本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)相同的IR2110作為驅(qū)動(dòng)電路。一個(gè)芯片的HIN端和LIN端分別連接另一個(gè)芯片的LIN端和HIN端，分別接入單片機(jī)輸出互補(bǔ)的兩路SPWM控制信號(hào)。其輸出的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，分別通過(guò)HO和LO端驅(qū)動(dòng)單相全橋電路中同一橋臂的上下兩個(gè)MOSFET功率管相互導(dǎo)通。

2.3 采樣電路

    通過(guò)逆變輸出的電壓和電流采樣信號(hào)，實(shí)現(xiàn)逆變器輸出的閉環(huán)控制。電壓采樣電路如圖4所示，使用電壓互感器對(duì)輸出電壓進(jìn)行變壓和電氣隔離后，利用運(yùn)算放大電路將信號(hào)調(diào)整到-2.5 V～+2.5 V范圍內(nèi)，再疊加2.5 V的直流偏置量，從而得到0～5 V范圍內(nèi)的交流電壓，同時(shí)在引腳輸入前添加二極管以確保輸入電壓值不會(huì)超過(guò)5 V。

    電流采樣電路如圖5所示，使用電流互感器對(duì)輸出的電感電流瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，接入電阻將電流值轉(zhuǎn)換為電壓值，再經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器TL082將電壓值進(jìn)行放大，轉(zhuǎn)換成0～5 V的直流電壓接入A/D轉(zhuǎn)換接口。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

3.1 控制器設(shè)計(jì)

    在變頻器的逆變部分，采用了瞬時(shí)輸出電壓外環(huán)和電容電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方法，結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。瞬時(shí)輸出電壓U_o與參考電壓U_c進(jìn)行比較，誤差信號(hào)經(jīng)電壓PI控制器調(diào)節(jié)后作為電流內(nèi)環(huán)的參考電流I_c。電容電流瞬時(shí)值I_f與參考電流I_c比較產(chǎn)生的誤差信號(hào)再經(jīng)過(guò)電流P控制器產(chǎn)生調(diào)制波，通過(guò)調(diào)制波與三角波載波的比較產(chǎn)生SPWM波，從而作為MOSFET管的控制信號(hào)。逆變輸出調(diào)制電壓經(jīng)LC濾波電路則可得到正弦電壓^[8]。

    電壓和電流控制器分別為：G_u(s)=K_1p+K_1i/s，G_i(s)=K_2p。設(shè)計(jì)中電壓外環(huán)采用比例積分控制器PI，使輸出電壓波形瞬時(shí)跟蹤給定值；電容電流內(nèi)環(huán)采用比例控制器P，用來(lái)增加逆變電路的阻尼系數(shù)，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，并且保證較強(qiáng)的魯棒性。

3.2 仿真研究

    基于對(duì)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的研究，在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境中，搭建電壓電流雙閉環(huán)控制逆變器仿真模型。系統(tǒng)參數(shù)為：輸入直流電壓400 V；開關(guān)頻率10 kHz；輸出濾波電感L=1 mH、濾波電容C=10 μF，負(fù)載R=20 Ω，L=1 mH；控制器參數(shù)K_1p=1.2，K_1i=0.32，K_2p=0.8。

    如圖7所示分別是在開環(huán)和雙閉環(huán)條件下空載增加負(fù)載，逆變器輸出電壓電流波形圖。仿真結(jié)果表明逆變器在開環(huán)條件下，空載時(shí)輸出電壓波形正弦度不高，輸出電壓諧波畸變率THD=3.22%。而在電壓電流雙閉環(huán)控制條件下，諧波含量少，電壓諧波畸變率為THD=0.60%。并且當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，輸出電壓波形變化小，逆變器動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，很快將輸出電壓調(diào)整至穩(wěn)態(tài)，從而仿真驗(yàn)證了雙閉環(huán)控制策略具有較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。

4 軟件設(shè)計(jì)

    變頻器軟件設(shè)計(jì)中，主程序流程圖如圖8所示，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，系統(tǒng)初始化包括系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、寄存器初始化、變量初始化、中斷初始化、PWM初始化、輸入與輸出初始化。初始化完成后，進(jìn)入中斷，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。系統(tǒng)對(duì)一些故障信號(hào)進(jìn)行判斷，當(dāng)檢測(cè)到故障標(biāo)志位被置位，則進(jìn)入故障處理，如果中斷發(fā)生則進(jìn)入中斷服務(wù)子程序。

    中斷服務(wù)子程序流程圖如圖9所示，主要用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字處理運(yùn)算，如A/D轉(zhuǎn)換、查詢建立正弦表、生成SPWM信號(hào)、基于雙閉環(huán)控制的算法等。系統(tǒng)首先保護(hù)中斷現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)A/D采樣，取得逆變輸出的電流、電壓值，并讀取正弦表上的正弦參考值，對(duì)采樣所得的數(shù)據(jù)和正弦表參考值一起作為雙閉環(huán)控制的反饋參數(shù)進(jìn)行PID控制，通過(guò)改變占空比，算出相應(yīng)的比較寄存器值，從而生成SPWM脈沖。

5 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    按照所設(shè)計(jì)的變頻電路，以單片機(jī)ATmega64作為主控制器，制作了變頻器樣機(jī)，應(yīng)用于磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸電路。無(wú)線電能傳輸電路接收端高頻電壓信號(hào)如圖10所示，頻率為10 MHz。將高頻信號(hào)接入變頻電路，采用雙閉環(huán)控制策略，最終輸出電壓波形如圖11所示，電壓幅值約為220 V，頻率近似等于50 Hz，輸出波形正弦度高，從而實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了變頻器設(shè)計(jì)的正確性。所設(shè)計(jì)的變頻器最大功率為60 W，可適用于小功率無(wú)線電能傳輸裝置。

6 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)了以ATmega64數(shù)控技術(shù)為控制核心的無(wú)線電能傳輸接收端的變頻器。首先設(shè)計(jì)了無(wú)線電能傳輸變頻器的主電路和控制電路，然后提出了雙閉環(huán)控制策略，仿真驗(yàn)證了方法的可行性，最后開發(fā)了變頻器樣機(jī)，有效將無(wú)線電能高頻電轉(zhuǎn)變?yōu)楣ゎl電，驗(yàn)證了控制方法的有效性。設(shè)計(jì)的變頻器控制簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、保護(hù)功能齊全，應(yīng)用前景廣闊。

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