磁耦合谐振式无线电能传输ARM和CPLD控制研究

方楚良，沈锦飞

（江南大学电气自动化研究所，无锡 214122）

磁耦合谐振式无线电能传输ARM和CPLD控制研究

方楚良，沈锦飞

（江南大学电气自动化研究所，无锡 214122）

磁耦合谐振式无线电能传输是中距离传输技术。两个耦合电路通过电磁场传递能量，当发射回路和接收回路处于谐振状态时，谐振体之间能量交换效率最高。设计了1台谐振频率70 kHz的实验装置，发射端以ARM和CPLD为主控芯片，接收端以ARM为主控芯片，分模块设计了控制电路，并提出了一种基于ARM的频率跟踪控制方法。实验表明，控制系统运行稳定，控制效果理想。

磁耦合谐振；控制系统；ARM；CPLD

引言

无线电能传输是一种新型的电能传输方式。现阶段无线电能传输主要有3种技术：感应耦合技术、磁耦合谐振技术以及远场辐射技术，其中磁耦合谐振式无线电能传输技术为电能的中等距离传输提供了可能，同时具有对人体无害、空间相对位置情况下能量损耗小等优点，因此受到了广泛的关注［1］。目前磁耦合谐振式无线电能传输技术的研究多集中于耦合谐振器的分析［2］，传输电路参数研究与优化［3］，线圈位置对传输特性的影响［4］，无线电能传输分析方法［5］及线圈特性与优化［6］等，对控制系统的研究和设计较少，这制约着磁耦合谐振式无线电能传输的应用研究进程，同时由于可以应用于控制电路的主控芯片选择多样，且差异很大，因此对于磁耦合谐振式无线电能传输的控制研究还需要进行深入的探索。

本文设计了基于ARM和CPLD的具有较高频率的磁耦合谐振式无线电能传输控制系统，通过智能控制实现稳定的无线电能传输。给出了控制系统的总体设计、主电路和控制电路、控制策略以及软件实现，重点介绍了控制系统特别是发射端的设计。

1 磁耦合谐振式无线电能传输总体设计

磁耦合谐振式无线电能传输硬件分为主电路和控制电路两部分，主电路中的发射线圈和接收线圈为共振线圈，当二者以相同的频率振荡时，通过耦合将能量从发射端传送至接收端，实现无线电能传输［7］。控制系统分为发射端和接收端两部分。发射端采用ARM和CPLD为核心控制芯片，通过检测调理电路和驱动电路实现频率跟踪控制，并通过无线收发装置实现发射端和接收端的数据传输。接收端采用ARM为核心控制芯片，实现负载参数检测、显示及无线数据传输。总体设计框图如图1所示。

图1 总体设计框图Fig.1 Overall design block diagram

2 磁耦合谐振式无线电能传输主电路

磁耦合谐振式无线电能传输主电路如图2所示。图中，Uin为直流输入，通过调节斩波器开关管VT0控制信号占空比，可以调节斩波器输出电压UT，进而调节输出功率。经过由MOSFET管Q1～Q4及反并联二极管Dq1～Dq4组成的全桥逆变电路将直流电转变成高频交流电，使发射端谐振电容C1和发射线圈L1组成的串联谐振回路产生谐振电压U1和谐振电流I1，接收端接收线圈L2和谐振电容C2组成的串联谐振回路具有和发射端相同的谐振频率，通过磁耦合谐振使能量从发射端传递至接收端，经开关管Dr1～Dr4全桥整流以及电容Cr滤波后输入负载。

图2 磁耦合谐振式无线电能传输主电路Fig.2 Magnetic coupling resonant radio transmission main circuit

3 控制电路设计

发射端ARM芯片采用意法半导体公司的STM32F103VET6，CPLD芯片采用ALTERA公司的5M160ZE64I5N。选取ARM芯片的2个引脚做A/D输入脚，分别用于采样发射线圈的电压U1和电流I1，同时将电压U1和电流I1经过调理后的同频率方波信号u和i作为输入ARM的脉冲捕捉引脚，通过频率跟踪控制策略由ARM的定时器比较匹配功能产生控制MOSFET管Q1～Q4的PWM信号，输入CPLD后由CPLD输出同频率的PWM信号经驱动电路控制MOSFET。当电路故障时，检测电路发送故障信号至CPLD，CPLD迅速响应并立即关断PWM信号，从而实现对电路的快速保护。控制斩波电路开关管VT0的PWM信号由ARM产生，通过改变占空比实现功率调节。ARM通过具有FSMC功能的引脚与CPLD相连，实现与CPLD的数据交换。同时将ARM剩余的GPIO口用于无线数据通讯、数据显示等。在接收端，ARM芯片采用STM32F103RET6，实现A/D采样，无线数据通讯以及数据显示。PWM驱动电路由两部分组成，分别为FAN 3227及其外围元件组成的电路，以及2SD315 A驱动器。FAN3227用于将PWM信号由3.3 V升压为15 V，后经2SD315 A驱动器输出PWM控制信号以驱动VT0以及Q1～Q4。GPIO接口电路用于无线数据通讯以及显示，采用NRF24L01以实现接收端和发射端数据传输。控制电路组成框图如图3所示。

图3 控制电路框图Fig.3 Control circuit block diagram

4 控制策略与软件实现

4.1 频率跟踪控制

在磁耦合谐振式无线电能传输中，系统的共振频率对传输效率有直接的影响［8］，当发射线圈和接收线圈谐振回路均处于谐振状态时，传输效率最大，因此需要使电路保持谐振状态［9］。发射端等效电路为RLC串联谐振回路，其谐振频率为f=。因谐振时电压与电流的相位差为零，本设计采用检测电压U1与电流I1的相位差来判断是否谐振，并根据相位差值调整MOSFET的PWM控制信号输出频率ft，以达到谐振目的。

电压U1与电流I1经信号调理电路处理成同频率方波反馈信号u和i后，二者的相位差为φ。φ>0，说明电压U1超前电流I1，开关频率大于谐振频率；φ<0，说明电压U1滞后电流I1，开关频率小于谐振频率；φ=0，电压U1和电流I1同相位，电路处于谐振状态。3种情况的反馈电压u和反馈电流i关系如图4所示。

图4 给定电压与反馈电流关系Fig.4 Relationship between given voltage and current feedback

通过ARM定时器的脉冲捕捉功能可以获得φ值，根据φ值调整ft，就可以使电路保持谐振状态。在ARM进行处理时，输出频率其中：fr为当前PWM控制信号输出频率，k为调整系数。若k太大，会引起频率振荡；k太小会使跟踪时间较长。通过实验取合适的k值，经过十几个控制周期后电路即可处于谐振状态。为防止高频逆变电路上、下桥臂直通短路，在上、下桥臂的MOSFET驱动信号间保留了很小的死区［10］，电压U1超前电流I1一个很小的角度，实现零电压开通及小电流关断。频率跟踪控制框图如图5。

图5 频率跟踪控制框图Fig.5 Frequency tracking control block diagram

4.2 软件实现

系统软件可以分为发射端和接收端2部分。发射端分成ARM程序和CPLD程序，其中ARM程序包括系统初始化、各种全局变量的定义、参数输入程序、脉冲捕捉程序、频率跟踪控制程序、数据通讯程序以及显示程序，其中参数输入程序中包括AD采样、无线通讯（用于实现发射端和接收端数据传输），AD采样程序实现电流、电压检测值的采样；CPLD程序分为故障判断程序、PWM输出程序以及数据通讯程序。接收端程序功能包括AD采样、无线通讯以及显示。发射端软件流程如图6所示。

图6 发射端软件流程Fig.6 Flow chart of launch software

5 系统实验及结果分析

根据本文的硬件电路设计、控制策略以及软件设计，依据其主电路模型，研制了1台磁耦合谐振式无线电能传输样机，如图7所示。其中，输入采用直流电源，输入电压Uin为52 V，输入电流Iin为8 A；谐振电容C1和C2均为17.5 pF；发射线圈和接收线圈背面采用导磁片拼接组合，二者距离为30 cm；接收端负载为并联灯管组，将控制系统与主电路连接后进行调试，负载电压Ur为32.1 V，负载电流Ir为8.1 A；传输效率为62.50%。

图7 磁耦合谐振式无线电能传输样机Fig.7 Magnetic coupling resonant wireless power transmission model machine

使用DLM2024型示波器经过调试所得到的实验波形如图8所示。其中图8（a）为MOSFET对管的驱动波形，MOSFET的PWM控制信号频率为69.4 kHz；图8（b）为发射线圈电压U1、电流I1以及接收线圈电压U2、电流I2波形，电路工作于感性负载状态，发射端的电压相位超前电流一个角度，同时发射端逆变输出电压近似方波电压，发射端和接收端的输出电流波形近似正弦波，表明样机运行稳定，具有良好的控制性能。

图8 实验波形Fig.8 Experimental waveforms

6 结语

本文基于ARM和CPLD设计的磁耦合谐振式无线电能传输控制电路，其中ARM用于数据处理控制，CPLD用于保护。ARM具有高性能以及低功耗，降低了控制电路的复杂性，其灵活的编程能力易于实现控制电路的更新；CPLD响应速度快，可以实现对控制电路的快速保护，提高系统的稳定性。但在实验中采用的直流电源功率较低，由于电路器件损耗的影响，因此传输效率不高，若大幅提高传输功率可以显著地提高传输效率。所设计的实验装置对磁耦合谐振式无线电能传输研究具有一定的实际参考价值。

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Research on Control System about Magnetic Coupling Resonant Wireless Power Transmission Based on ARM and CPLD

FANG Chuliang,SHEN Jinfei
（Institute of Electrical Automation,Jiangnan University,Wuxi 214122,China）

Magnetic coupling resonant wireless power transmission is a middle distance technology.Using two coupled resonant circuit to transfer energy by the electromagnetic field.When the transmission circuit and the receiver circuit are in the resonant state,the energy exchange between the resonators can achieve the highest efficiency.A control system about magnetic coupling resonance wireless power transmission was designed modularly with 70 kHz magnetic coupling resonance frequency.The transmitter was designed by using ARM and complex programmable logic device（CPLD）as control chip.The receiver was designed by using ARM as control chip.The proposed frequency tracking control is based on ARM.The experimental result indicates that the control system worked stable and had a good control effect.

magnetic coupling resonance;control system;ARM;CPLD

方楚良

方楚良（1989-），男，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动，E-mail：fang_chu_liang@163.com；

沈锦飞（1955-）通信作者，男，教授，研究方向为电力电子与电力传动，E-mail：sjf_9@hotmail.com。

10.13234/j.issn.2095-2805.2015.2.94

：TM 464

：A

2014-10-30

江苏省产学研创新项目基金（BY2012069）

Project Supported by the Combination of Innovation Project in Jiangsu Province（BY2012069）