水下自主航行器非接触式充电系统频率控制

唐 凡，张克涵，严卫生，宋保维

(西北工业大学航海学院，陕西西安 710072）

水下自主航行器非接触式充电系统频率控制

唐 凡，张克涵，严卫生，宋保维

(西北工业大学航海学院，陕西西安 710072）

水下自主航行器(AUV）非接触式充电系统通过补偿电容与系统电感的谐振作用，使系统的功率因数达到最大，以实现电能的高效传输。在深海环境下，系统初、次级磁芯在受到水流冲击后会产生偏心和间隙，引起耦合系数发生变化，系统的谐振频率点也会发生改变，充电能力下降。本文研究在水流冲击作用下，通过频率控制使系统始终在谐振频率点运行以提高系统的传输能力，并提出了基于锁相环控制的AUV非接触式充电系统的频率控制实现方式。

非接触式;频率控制;水流冲击;频率;锁相环

0 引言

水下自主航行器 (AUV）与海底基站对接［1］，在水下完成充电是增加AUV水下作业时间、提高工作效率和增加隐蔽性的有效措施。非接触式充电系统在电源侧和负载侧的电路完全隔离，通过线圈之间的电磁耦合将电能以无接触的方式进行传输，两侧电路可独立封装，不仅消除了摩擦和漏电的危险，而且采用简单的密封方式可获得理想的防水耐压效果。因此，在水下尤其是深海条件下，非接触式充电系统具有更高的安全性和可靠性，更适合在AUV上应用。

1 系统模型的建立及分析

典型的AUV非接触式充电系统如图1所示，交流电经整流滤波后成为直流电，经过高频逆变给初级绕组提供高频交流电，将在次级绕组感生出同频率的交变电流;同理，次级绕组感生出的交变电流经过整流滤波后，再为用电设备供电。

图1 AUV非接触式充电系统电路原理图Fig.1 Schematic circuit diagram of contactless charging system of AUV

由于AUV非接触式充电系统的分离式结构，漏电感大，功率因数小，系统的传输能力弱，因此需要采用补偿技术通过补偿电容与系统电感的谐振作用，使系统的功率因数达到最大，以实现电能的高效传输。在深海高压条件下，系统的对接完全自动完成，为了提高系统的使用寿命，其对接需要较大的冗余，初、次级磁芯在受到水流冲击后会产生偏心和间隙，如图2所示［2－3］，磁芯偏离对耦合系数产生较大影响，系统的谐振频率点也会发生改变，充电能力下降。为了提高系统的自适应能力，采用频率控制可以控制系统一直运行在电源端负载阻抗的零相角频率点，降低对电源的视在功率要求，提高系统的传输能力。

图2 耦合系数随磁芯间隙和偏芯的变化曲线Fig.2 The curve of coupling coefficientwith the core gap and the eccentricity

AUV非接触式充电系统典型的补偿结构为初级串联电容与次级并联电容补偿SP结构，其互感电路模型和初级反映阻抗模型如图3所示。其中LP和LS分别为初级线圈和次级线圈的自电感，M为两线圈之间的互感，RP和RS分别为初级线圈和次级线圈的内阻，CP和CS分别为初级侧和次级侧的补偿电容，RL为负载电阻，w为交流电角频率，Zt和Zr为系统阻抗与次级侧反映阻抗。

图3 SP结构互感电路模型和次级侧反映阻抗模型Fig.3 Mutual inductance circuitmodel and secondary reflect impedancemodel of SP structure

次级侧反映阻抗表达式为

式中:Rz和Xz为反映电阻和反映电抗，反映电阻从初级侧吸收的功率即为负载消耗的功率，代表了系统的功率传输能力。Rz，Xz，Zt的表达式为:

当次级侧并联电容时，得到次级回路本身发生谐振时补偿电容值为

利用初级等效电路发生谐振，可得到初级补偿电容值为

取系统模型参数为LP=LS=0.2 mH，RP=RS=0.03Ω。设计系统K为0.75，考虑系统的体积和铁氧体磁芯的工作频率［4］，工作频率 f取为100 kHz左右，由式(6）和式(7）得到补偿电容值CP=27.995 nF，CS=12.665 nF。不计铁芯损耗，得到系统的传输效率、功率因数和系统阻抗模随耦合系数K和工作频率f变化的曲线如图4所示。

图4 系统性能曲线 (RL=200Ω）Fig.4 System performance curve(RL=200Ω）

由图4(a）可知，当耦合系数较大时，系统的传输效率不易受频率影响;当耦合系数较小时，系统的传输效率受频率影响较大。由图4(b）可知，由磁芯偏离引起的耦合系数变化对系统的功率因数影响很大，在不同的K值处，系统的最佳工作频率点会不同。在电压源条件下，系统阻抗模越小，视在功率就越大，由图4(c）可知，系统在100 kHz附近，耦合系数变化对系统的视在功率影响很大。因此，通过对AUV非接触式充电系统实现频率控制是改善系统性能的必要措施。

2 频率选择及分析

由式(3）和式(5）可知，当耦合系数发生变化时，可能出现多个谐振频率点，使系统的频率控制发生混乱，可能导致系统不稳定［5］。对于频率分叉现象，文献 ［6－7］作了仔细分析。

在不同的谐振频率点上，系统的功率因数均达到最大。视在功率最大的频率点，就是系统的传输功率最大的频率点。如图5所示，对应不同的耦合系数K值，系统的0相角点个数不同。当K=0.7时，系统有3个谐振频率点，第2频率点的阻抗模最大，可作为电流源频率控制的最佳频率，第1频率点和第3频率点阻抗模较小，可作为电压源频率控制的最佳频率。当K=0.9时，系统有2个谐振频率点，第1频率点阻抗模较小，可作为电压源频率控制的最佳频率，第2频率点阻抗模较大，可作为电流源频率控制的最佳频率。因此，在电压源的条件下，将具有多谐振频率点的系统的第1谐振频率点作为工作频率可以获得较高的传输能力。

图5 系统相位角和阻抗模频率特性曲线 (RL=200Ω）Fig.5 Frequency characteristic curves of phase angle and impedancemodulus(RL=200Ω）

重新设计补偿电容值CP为14.643 nF，CS为5.271 7 nF，系统的相位角和系统阻抗模频率特性曲线如图6所示。当耦合系数K变化时，系统的第1谐振频率可控制在90～100 kHz范围内，系统阻抗模的值较小，在电压源条件下可以获得较大的输出功率。由图6(a）可知，在90～100 kHz范围内，耦合系数K值越大，系统的谐振频率就越大。

图6 系统相位角和阻抗模频率特性曲线 (RL=200Ω）Fig.6 Frequency characteristic curves of phase angle and impedancemodulus(RL=200Ω）

3 频率控制策略及稳定性分析

基于锁相环控制的AUV非接触式充电系统如图7所示，鉴相器(PD）把输入信号UP和IP的的相位进行比较，输出的电压信号是相位误差的度量［8］。该误差电压信号由环路滤波器(LF）进行滤波后，被用作控制电压送入压控振荡器(VCO），通过驱动电路改变高频逆变器的频率，以减小UP和IP的相位误差。因此，通过锁相环控制的AUV非接触式充电系统可以实现频率控制，并且在一定频率范围内能够追踪谐振频率。

图7 AUV非接触式充电系统频率控制原理图Fig.7 Frequency control diagram of contactless charging system of AUV

基于锁相环的频率控制模块的传递函数结构如图8所示，其开环传递函数C(S）表达式为

图8 频率控制模块传递函数结构框图Fig.8 Transfer function block diagram of frequency controlmodule

G(S）的Bode图如图9所示，由图9可知，基于锁相环的频率控制模块是稳定的。当系统工作在谐振状态时，UP和IP的相位相同，PD输出为0，LF输出的控制电压为0，VCO的频率保持不变，驱动电路无动作，系统稳定在谐振状态;当系统受水流冲击作用偏离谐振状态时，UP和IP的相位差输入PD，经LF滤波后，从而改变VCO的频率，通过驱动电路控制高频逆变器的开关管频率变化，直至UP和IP同相位，系统重新回到谐振状态。

图9 开环传递函数Bode图Fig.9 Bode diagram of the open-loop transfer function

4 结语

AUV非接触式充电系统在水流冲击条件下，耦合系数发生变化，偏离谐振频率点时，通过频率控制保证系统始终工作在谐振状态，使系统的传输能力达到最大，这对AUV非接触充电技术的实际应用具有重要意义。

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Research on frequency control of contactless charging system of AUV

TANG Fan，ZHANG Ke-han，YANWei-sheng，SONG Bao-wei
(School of Marine Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China）

Through resonance oscillation between compensating capacitor and system inductance，the power factor of the contactless charging system of AUV ismaximized，and thus the realization the high-efficient transmission of electrical energy.In deep-sea environment，eccentricity and space will be created in the primary and secondarymagnetic core of the system under the impact of water，which result in the change of coupling factor and the resonant frequency，and untimately lead to the decrease of charging capability.In this thesis，the author tries to study how tomaintain the running of the charging system through the control of frequecy under the impact ofwater，and thus the improvement of the transmission capacity;what'smore，the author also puts forward themethods to realize the frequency control of contactless charging system of AUV under the control of PLL.

contactless;frequency control;water impact;frequency;PLL

TM762

A

1672－7649(2013）02－0043－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2013.02.010

2012－07－30;

2012－09－11

唐凡(1987－），男，硕士研究生，研究方向为控制理论与控制工程。

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