CPT系统中的技术问题之硬件解决方案

CPT系统中的技术问题之硬件解决方案翻开文本图片集摘 要：介绍了非接触能量传输Contactless Power Transfer系统中存在的三大技术问题，并分析p 了利用嵌入式控制系统来完成的解决方案。【关键词】：p 】：嵌入式控制系统；技术问题；硬件解决方案非接触电能传输技术是近年来备受国际学术界关注的一项新的能量传输技术，即用电设备以非接触方式从固定电网取电的技术，所以又可称为非接触感应供电。在过去十年中，嵌入式系统的开发发生了很大的变化：以前嵌入式设备是一个孤立的、资有限的系统，而今天人们对嵌入式设备在智能化和互连性上提出了要求，这使得嵌入式设备不再是孤立的，而是通过互联网、无线或是其他的方式实现互相连接1。嵌入式系统几乎包括了生活中所有电器设备，如PDA、数码相机、电视机顶盒、数字电视、工业自动化仪表与医疗仪器等。在CPT系统中应用嵌入式系统会存在软启动控制、逆变控制和显示模块设计三种技术问题，其硬件解决方案已完成。1 软启动控制软启动控制的作用是防止电路中产生很大的的冲激电流而烧坏元器件。本控制系统通过采集滤波电容两端的电压Vo以检测电容电压，经过霍尔电压传感器后电压值为Vos，再经由port1端口接入变送电路，转换为ARM 可以接收的电压值Vsoft，接着送入A/D采集器的AIN 0端，当电容电压到达设定电压值，ARM由I/O口输出至驱动电路，关闭继电器，切除缓冲电阻Rlimit。控制电路如图1所示。并且，ARM 所能接入的模拟信号电压范围为0V+3.3V，本嵌入式控制系统选择3.3V为ARM 的工作电压，而滤波电容两端的电压Vo经过霍尔传感器之后被转换为+1.5V左右的直流电压，因此必须经过变送电路，以输出3V的电压送入ARM控制平台。2 逆变控制1逆变方式的选择2由前可知，非接触电能传输系统的高频逆变电路的作用是在导轨中得到一个高频的正弦电流。实现这种高频逆变的电路拓扑构造较多，下面将对各种高频逆变电路进展比拟并阐述这些逆变电路在CPT系统中应用时存在的优缺点。现代逆变技术的种类很多，可以按照不同的形式分类，文献3对逆变电路进展了九种分类。结合非接触电能传输系统的特点，将逆变器按逆变开关电路的工作方式进展分类，可分为硬开关式逆变和谐振软开关式逆变。硬开关式逆变技术采用固定的工作频率，调节开关管导通工作的占空比，如采用PWMPulse-Width Modulation方式来调节或稳定输出。产生的电磁干扰EMI比拟严重，给系统的电磁兼容EMCElectro Magic Compatibility设计带来了一定的费事。谐振软开关式逆变技术是通过采用谐振或准谐振技术，在开关管导通期间或关断期间进展半周期的谐振，使得开关管开关时电流或电压为零。前者为零电流谐振开关ZCSZero Current Switching，后者为零电压谐振开关ZVSZero Voltage Switching。由此可以看出，各种逆变技术各有优缺点，下面给出CPT系统对高频逆变电路的要求和详细逆变电路在本系统中应用的特点。CPT系统的工作频率为20KHz，在电力系统能量传输中属于高频。为了减少电流纹波，硬开关PWM方式必须进步开关频率。硬开关PWM方式并不合适逆变频率太高的场合，因为这将大大增加和，使开关损耗增大，从而影响开关器件正常工作。其次，CPT系统要求导轨电流的频率稳定，且谐波含量和纹波尽可能少。而硬开关PWM方式的电流波形纹波含量较大，高次谐波含量也较大。为了减小纹波和谐波，就必须进步开关频率，这与前面相矛盾。因此，硬开关逆变技术虽然可以保证系统的工作频率保持稳定，但由于其存在的缺点，限制了其在高频大功率长间隔 供电的CPT系统中的应用。采用谐振软开关逆变技术的目的是使开关器件在开通或关断时实现或者，以降低开关器件的开关损耗和开关应力，以及减小和，以到达更好性能、更高效率和更高功率密度。正是由于这个原因，本CPT系统比拟倾向于采取软开关逆变技术以实现大功率高效率的能量传输。2逆变控制硬件方案当拾取机构参数变化时，将引起原边谐振参数的变化，从而谐振频率点出现漂移使得谐振电压发生畸变，严重时将导致系统软开关工作形式的丧失，开关损耗加大，效率降低。因此有必要使系统的控制频率f0始终等于系统原边谐振频率以确保高效率的能量传输。CPT系统对本ARM控制系统的控制要求就是要确保谐振网络中的频率保持不变，保持导轨电流的幅值和频率不变。解决方案即通过控制高频逆变电路的四个IGBT的脉冲频率，使谐振电容的电压与导轨电流保持同相位。解决逆变控制问题的电路图中，逆变桥由T1、T2、T3、T4四个IGBT组成，逆变之后，谐振电容电压Vcp经霍尔电压传感器转换成电压Vp，大小为1.5V，由于ARM控制平台接收的模拟信号输入电压范围为03.3V，故Vp需从port2端口输入至变送电路，经变送电路放大后的电压为Vsyn，值为+3V。Vsyn经ARM控制系统的AD采集通道AIN 5 ADC转换后，经过反相器输出足以驱动光耦隔离电路的电压。此处光耦隔离电路的作用是防止ARM控制系统与逆变电路之间的互相干扰，进步系统的可靠性。导轨电流Icp经霍尔电流传感器后转换成电压大小为1.5V，其后的转换方法与谐振电容电压Vcp一样，在此不再赘述经变送电路放大后电压为ail，输入ARM控制系统的AD采集通道AIN 7。本嵌入式控制系统选择3.3V为ARM 的工作电压，而谐振电容两端的电压Vcp以及导轨电流Icp经过霍尔传感器之后均被转换为1.5V左右的直流电压，因此需经过变送电路，以输出3V的电压送入ARM。下面计算霍尔电压传感器的原边电阻R3和测量电阻Rm1，以及霍尔电流传感器的副边电阻Rm2。系统中谐振电容两端的电压Vcp=70V，选择的霍尔电压传感器为CHV-100，匝数比为Np：Ns=10000：20_，首先需要确定霍尔电压传感器的原边串接的电阻的大小，设此电阻为R3。原边串接电阻R3是为了保证得到额定值时原边电流为Ip1=10mA，额定电压Vcp=Vp1=70V有效值，Vpma_=99V，当Vp1=99V时得到Vs=1.5V的输出电压。3 显示模块设计硬件框图如图2所示。本嵌入式控制系统主要显示的是软启动输出电压Vo、导轨电流Icp和补偿电容两端的电压Vcp的波形，图中Vos、Ip、Vp分别是经过霍尔传感器变换之后前三者的值。Vos如图1所示。4 结论随着嵌入式系统的飞速开展，嵌入式系统的应用领域也大幅增加，社会对嵌入式技术的要求越来越高，对非接触式电能传输技术的需求也日益增长，而嵌入式系统的参加使得本CPT系统的性能和工作效率得到了大大的进步，通过实验分析p ，CPT系统中上述技术问题均可应用嵌入式控制技术解决。【参考文献】：p 】：1王华.嵌入式控制系统在物流实验系统Lego中的应用研究.学位论文.江苏：南京航空航天大学，20_4：1.2王智慧.非接触电能传输系统稳频技术研究学位论文.重庆，重庆大学，20_6：7-10.3李爱文，张承慧.现代逆变技术及应用.北京：科学出版社，20_.9，1-2.作者简介陈小娟1981-，女，江苏大丰，硕士，讲师，主要从事机械及其自动化的教学与科研工作，所在单位：重庆电子工程职业学院。第 4 页 共 4 页