一种基于FPGA设计的全数字无线电能传输频率跟踪控制电源

技术领域

无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)技术是一种不需要任何有形介质接触，便可对用电设备供电的电能传输方式。目前，因其非接触性、安全性和灵活性等优点，WPT技术常常被广泛的应用于新能源电动汽车、航空航天、智能家居和医疗器材等领域。但在实际工作中，由于WPT系统是一个复杂的非线性系统，系统的稳定性会受多个参数的影响，且参数变化会出现谐振频率偏移的现象，谐振频率偏移会使系统的传输性能变低。

本发明一种基于FPGA设计的全数字无线电能传输频率跟踪控制电源，通过Verilog编程实现了全数字锁相环，通过对电源输出信号频率和相位进行控制，使其完成对发射线圈上电流的频率和相位跟踪，并在此基础上对全数字锁相环进行了改进，增加对发射线圈电流电压相位差进行跟踪，使其完成系统输入阻抗角是可控的，且提升了频率跟踪范围，消除了逆变器输出电压的极性反转，实现了ZVS软开关。此方法能够显著提高无线电能传输技术的传输效率和传输功率，具有很高的应用价值。

背景技术

无线电能传输之父Nikola Tesla最早提出了不使用导线而进行电能传输的设想，开启了无线电能传输这一全新的研究领域。在20世纪60年代左右，雷声公司的W.C.Brown对无线电能传输技术进行了大量的研究和试验，从而为无线电能传输技术的进一步发展奠定了基础，使这一理论成为了现实。加拿大通信研究中心(CRC)在20世纪80年代在海拔150多米的地方通过10kW微波束将电能通传输到一架模型飞机上。

20世纪70年代以来，小功率无线电能传输成为了生物医学界关注的焦点，使无线电能传输技术有了实际的应用，植入式医疗器械无线充电可以避免患者在手术中所造成的伤害。早在1971年就出现了感应耦合电能传输，该方案可将1kW的电能输送至狗胸部的皮下组织接收器。1977年，一种植入式可编程无线电能传输装置通过编程语言描述了无线充电系统的频率、效率和距离等参数，该种无线电能传输方式主要考虑安全性，也是目前一项亟待解决的任务。20世纪90年代后，新西兰奥克兰大学的John.T.Boys教授团队对无线电能传输技术进行了大量的理论、建模和控制方面的研究，开启了无线电能传输技术的研究热潮。2007年，MIT研究团队建立了耦合模理论，并实现了2米距离下的磁耦合WPT技术，为后续研究提供了有效的参考价值。如今，WPT技术已应用于生活中的方方面面，如植入式医疗器械无线充电、电动汽车和移动机器人无线供电、水下工作设备无线充电等。

因其非接触性、安全性和灵活性等优点，WPT技术常常被广泛的应用于新能源电动汽车、航空航天、智能家居和医疗器材等领域。WPT系统在处于谐振状态时，电能的传输效率最大。但在实际工作中，由于WPT系统是一个复杂的非线性系统，系统的稳定性会受多个参数的影响，且参数变化会出现谐振频率偏移的现象，谐振频率偏移会使系统的传输效率变低。面对系统失谐的问题，目前主要研究集中于两种方法：1、自动调谐技术2、频率跟踪控制。自动调谐技术是在系统发生失谐时通过自动匹配新的参数以此保证系统重新工作于谐振状态，通常调整补偿电容和电感的大小来实现，但是该方法改变的值不是连续的，因此系统工作频率的调节也不是连续的，其精度直接受改变的电感电容值所影响，在实际应用中，该方法调整的频率精度不高。频率跟踪技术是通过实时调节高频逆变电路的开关频率，以此来保证系统的工作频率始终为固有谐振频率，该方法响应速度快、调节精度高，因此成为了调谐的研究热点。采用模拟锁相环可以实现系统的频率跟踪，但模拟锁相环的电路设计复杂，抗干扰能力差，锁相范围窄。采用对最大功率点进行跟踪的频率跟踪方法，实现系统始终跟随在最大功率点处，但该方法抗干扰能力弱，跟随的频率精度低，并且没有对最大功率点的发射端电压电流相位角进行分析，难以保证传输效率。

发明内容

本发明是应用于感应耦合式无线电能传输系统的高频交流电源，由于WPT系统是一个复杂的非线性系统，在电能传输过程中，系统的稳定性会受多个参数的影响，且参数变化会出现谐振频率偏移的现象，谐振频率偏移会使系统的传输性能降低。鉴于上述原因，基于FPGA设计了一种改进的全数字锁相环对发射线圈电流频率和系统输入相位角进行跟踪。采用改进的全数字锁相环应用于无线电能传输控制系统，并设计了具有频率跟踪和输出相位可控功能的高频交流电源，有效地使系统工作在ZVS状态且提高传输效率。高频电源主要由整流电路、Buck电路、高频逆变电路、FPGA控制板、电流采集模块、电压采集模块、发射线圈、接收线圈和电子负载组成。

系统保护模块中会预先设置电流阈值，在系统运行过程中检测电流，当超过电流阈值时，会先断开PWM模块，达到保护系统的作用。功率调节模块通过AD采集模块采集的电压值，再将其转换成数字信号，通过该信号可以去改变Buck电路输出给逆变电路的电压，从而改变整个系统的功率，实现功率调节。PWM模块是将锁相环输出的方波，转变成四个PWM信号，死区模块是将PWM模块生成的PWM信号中加入死区时间，防止逆变器短路，开关器件烧坏，相位采集模块是用于采集发射线圈电流，将其转变为方波信号，输入到锁相环中。

信号采集模块的主要作用是采集发射线圈的电流并将其转化为可识别的电压方波信号，输送到FPGA里进行频率跟踪控制。由于无线电能传输系统两线圈上流过的是交流大电流，因此需要先将大电流信号转化为小电流信号。本发明采用CKO-25RCT型号的电流互感器采集发射线圈的电流，该种电流互感器的变比为50∶1，可将大电流信号转化为小电流信号，并可保证信号的形状和相位不变。过零比较器采用了LT1715HMS#PBF芯片，在产生同频同向的方波信号，输入到主控制器中，与输出的电压进行相位比较。

所述的功率调节模块，用来调节BUCK电路的输出电压，通过ADC采集外部电位器的阻值来确定给定功率的大小，进而调节输出PWM波的占空比。

所述的整流逆变模块和BUCK电路模块，整流部分采用MD100S16M3三相整流桥，驱动为2SD315AI，将输入的220V交流电转换为直流；BUCK电路模块将整流电路输出的电压进行降压处理，驱动采用SI8235BD-C-IS芯片；逆变部分采用160N15T2系列MOSFET，驱动部分同样采用SI8235BD-C-IS驱动模块，将整流后的直流电转化为高频交流电为无线传能系统供电。

由FPGA发出的PWM波先经过光耦隔离芯片6N137SD，然后在输入到MOSFET的驱动芯片SI8235BD-C-IS，将信号放大后输入到MOSFET的门极，从而驱动MOSFET的开通关断。

为了保护电源供电的安全性和可靠性，加入了系统保护功能。系统保护功能分为过流保护和过温保护。本发明选用一种低噪声、高性能的ACS713ELCTR-30A-T型的霍尔元件作为过流保护的电流采集器件。过温保护部分采用67F090P型温度传感器采集MOSFET散热片上的温度，这是一种具有快速响应和良好鲁棒性的温度采集器件。由霍尔元件采集到的直流母线上的模拟电流Current_S1，经过运算放大器后转化为Current_M。由温度传感器采集到的模拟温度信号和Current_M经过AD8606AR模块转化为数字信号输入到FPGA芯片里，设定温度最大值为90℃，电流的有效值最大为15.6A。

本发明是专门为感应耦合式无线电能传输系统设计的电源，其主要的特点在于能够自动跟踪无线传能系统的谐振频率，提高系统的传输效率，具有很高的实用性。

附图说明

图1是SS型补偿拓扑电路模型

图2是频率跟踪控制结构框图

图3是主控制器的自动频率跟踪流程图

图4是本发明的外观设计图

具体实施方式：

接下来将结合图1、图2、图3和图4对本发明进行具体的说明。

在图1中，其中：L

分析可得到原边阻抗Z

副边阻抗Z

副边对原边的引入阻抗Z

可以得到系统输入等效总阻抗Z

原边电流电压的相位差

式(6)中，L

/>

在系统运行过程当中，一些重要参数易发生改变，从而使得系统的谐振频率发生偏移，产生失谐现象，导致传输效率大大降低。针对于这个问题，采用基于FPGA的控制算法对系统阻抗角进行控制，使其不会因为参数的变化而变化，从而提高系统工作效率以及稳定性和可靠性，在系统实际工作工程中，可以通过全数字锁相环来对频率和相位进行跟踪，因此采用锁相环的锁相完成标志信号来判断系统是否处于谐振状态是一种十分有效的方式

如图2所示为频率跟踪控制结构框图。由数字鉴相器、数字环路滤波器、增减脉冲计数器、动态分频模块、测频模块、动态相位控制模块、相位补偿模块组成。

数字鉴相器通过对采集处理后信号u

数字环路滤波器将数字信号在传输过程中受到噪声毛刺产生的干扰进行滤除处理，内部有加减计数器两部分组成，当ah信号为高电平时，进位计数器开始计数，当计数值等于设定值时，计数器清零输出进位信号inc；当be信号为高电平时，借位计数器开始计数，计满时借位计数器清零输出借位信号dec。

增减脉冲计数器在没有接收到inc或dec信号时，只是简单的对系统时钟进行二分频处理，当接收到inc信号时，会增加输出信号的脉冲；当接收到dec信号时，会减少输出信号的脉冲，以此保证输出信号与信号u

动态分频模块将接收到的信号进行分频处理，输出u

测频模块由同步信号、频率计数、0.1ms更新组成，同步信号处理是为了消除输入信号在跳变期间产生的毛刺，以及解决由延时和组合逻辑所产生的竞争与冒险的问题；频率计数是对采集到的电流信号u

动态相位控制模块由数字鉴相器、误差量化、相位控制器组成。数字鉴相器将发射端电压和电流进行相位比较，并根据发射端电压超前或滞后发射端电流来输出ah

相位补偿模块由两个计数器组成，其中计数器1是用来对动态分频模块输出信号u

如图3所示为本发明自动频率跟踪的原理流程图。其中，电流采集电路对发射端回路中的电流i

如图4所示为本发明的外观设计图，外部220V 50Hz工频交流电源通过外部电源接入端口接入，打开电源开关按钮接通本发明与外部输入电源，打开控制器开关按钮，主控制器开始正常工作，显示模块工作，通过左右旋转功率给定旋钮控制输出电压的值，最后高频交流电从高频交流电输出端输出。