0 引言

    無線電能傳輸作為近幾年發展起來的新型能量傳輸方式，已成為國內外機構和學者的研究熱點^[1]。目前無線電能傳輸分為3大類：第一類是微波傳輸；第二類是電磁感應式，利用電磁感應耦合來實現無線電能傳輸；第三類是磁耦合共振式，兩個諧振頻率相同的物體通過磁耦合的形式進行無線電能的傳輸，可實現中等距離的高效傳輸。以上3類方式在傳輸過程中都以高頻信號的形式進行傳輸^[2]。目前國內外大多學者的研究是將高頻電能通過整流，以直流的方式供給負載。然而，絕大多數場合仍然需要交流電源。本文提出了一種適用于無線電能傳輸的變頻器，能夠將高頻電壓轉換為工頻電壓，進而方便人們日常使用，顯著地提高無線電能傳輸的應用范圍^[3]。

    變頻器按照有無中間直流環節分為交-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節為其他可調頻率的交流電，廣泛應用于交流電動機調速系統。交-直-交型存在中間直流環節，由整流和逆變兩部分構成，具有輸出容量大、無電氣隔離、變頻范圍寬等特點。由于設計是將高頻交流電轉換為低頻交流電，因此本文變頻器選用常用的交-直-交變頻方式。

1 系統總體設計

    系統的總體設計如圖1所示，由主電路和控制電路兩部分構成。其中，控制電路以ATmega64為核心，驅動電路、采樣反饋電路、保護電路以及通信顯示電路等構成控制電路的外圍電路。無線電能接收端接收生成的高頻交流電，再經過全橋整流、濾波得到直流電壓，由ATmega64可調的PWM信號控制，最后經過全橋逆變電路、變壓電路和濾波電路輸出正弦電壓波形^[5]。基于電壓偏差信號，采用雙閉環控制方法，控制逆變器系統的功率穩定輸出。同時，變頻器具備過壓過流保護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部分構成。整流濾波部分由4個二極管D₁～D₄構成橋堆進行整流，電容C₁和C₂進行濾波和穩壓。逆變電路采用4個MOSFET管組成兩組橋臂形式的單相全橋式電路，并且MOSFET并聯二極管進行續流，由ATmega64產生的兩路互補SPWM信號驅動MOSFET管。在逆變電路前串聯一個熔斷器F，以防止發生過流、短路等現象，起保護作用。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 控制電路設計

2.1 主控制器

    控制電路的主芯片選用ATMEL公司生產的ATmega64單片機。它是一款基于增強的AVR RISC體系結構的低功耗的8位CMOS微控制器，擁有先進的指令集和單時鐘周期指令執行時間，數據吞吐率高達1 MIPS/MHz。

2.2 驅動電路

    由單片機產生的控制信號幅值只有5 V，因此需要驅動電路將控制信號進行放大，使其能夠驅動MOSFET管的正常工作。本設計中選取IR2110作為驅動電路的驅動芯片，它能夠提供最大為2 A的驅動電流，而且還具有快速的驅動能力，驅動芯片輸出柵極驅動電壓10～20 V，芯片內部針對橋式逆變器等開關管的浮地情況也作了專門的設計，且不需要專用的供電電源，使用簡單^[7]。

    IR2110驅動電路圖如圖3所示，本設計采用兩個相同的IR2110作為驅動電路。一個芯片的HIN端和LIN端分別連接另一個芯片的LIN端和HIN端，分別接入單片機輸出互補的兩路SPWM控制信號。其輸出的驅動電壓信號，分別通過HO和LO端驅動單相全橋電路中同一橋臂的上下兩個MOSFET功率管相互導通。

2.3 采樣電路

    通過逆變輸出的電壓和電流采樣信號，實現逆變器輸出的閉環控制。電壓采樣電路如圖4所示，使用電壓互感器對輸出電壓進行變壓和電氣隔離后，利用運算放大電路將信號調整到-2.5 V～+2.5 V范圍內，再疊加2.5 V的直流偏置量，從而得到0～5 V范圍內的交流電壓，同時在引腳輸入前添加二極管以確保輸入電壓值不會超過5 V。

    電流采樣電路如圖5所示，使用電流互感器對輸出的電感電流瞬時值進行采樣，接入電阻將電流值轉換為電壓值，再經過運算放大器TL082將電壓值進行放大，轉換成0～5 V的直流電壓接入A/D轉換接口。

3 控制系統設計與仿真

3.1 控制器設計

    在變頻器的逆變部分，采用了瞬時輸出電壓外環和電容電流內環的雙閉環控制方法，結構框圖如圖6所示。瞬時輸出電壓U_o與參考電壓U_c進行比較，誤差信號經電壓PI控制器調節后作為電流內環的參考電流I_c。電容電流瞬時值I_f與參考電流I_c比較產生的誤差信號再經過電流P控制器產生調制波，通過調制波與三角波載波的比較產生SPWM波，從而作為MOSFET管的控制信號。逆變輸出調制電壓經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。設計中電壓外環采用比例積分控制器PI，使輸出電壓波形瞬時跟蹤給定值；電容電流內環采用比例控制器P，用來增加逆變電路的阻尼系數，增加系統穩定性，并且保證較強的魯棒性。

3.2 仿真研究

    基于對雙閉環控制系統的研究，在MATLAB/Simulink仿真環境中，搭建電壓電流雙閉環控制逆變器仿真模型。系統參數為：輸入直流電壓400 V；開關頻率10 kHz；輸出濾波電感L=1 mH、濾波電容C=10 μF，負載R=20 Ω，L=1 mH；控制器參數K_1p=1.2，K_1i=0.32，K_2p=0.8。

    如圖7所示分別是在開環和雙閉環條件下空載增加負載，逆變器輸出電壓電流波形圖。仿真結果表明逆變器在開環條件下，空載時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控制條件下，諧波含量少，電壓諧波畸變率為THD=0.60%。并且當負載發生突變時，輸出電壓波形變化小，逆變器動態響應速度快，很快將輸出電壓調整至穩態，從而仿真驗證了雙閉環控制策略具有較高的動態響應速度和穩定性。

4 軟件設計

    變頻器軟件設計中，主程序流程圖如圖8所示，首先對系統進行初始化，系統初始化包括系統時鐘初始化、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，進入中斷，并對數據進行處理。系統對一些故障信號進行判斷，當檢測到故障標志位被置位，則進入故障處理，如果中斷發生則進入中斷服務子程序。

    中斷服務子程序流程圖如圖9所示，主要用于實現數字處理運算，如A/D轉換、查詢建立正弦表、生成SPWM信號、基于雙閉環控制的算法等。系統首先保護中斷現場，通過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，對采樣所得的數據和正弦表參考值一起作為雙閉環控制的反饋參數進行PID控制，通過改變占空比，算出相應的比較寄存器值，從而生成SPWM脈沖。

5 樣機實驗結果

    按照所設計的變頻電路，以單片機ATmega64作為主控制器，制作了變頻器樣機，應用于磁耦合諧振式無線電能傳輸電路。無線電能傳輸電路接收端高頻電壓信號如圖10所示，頻率為10 MHz。將高頻信號接入變頻電路，采用雙閉環控制策略，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，從而實驗結果驗證了變頻器設計的正確性。所設計的變頻器最大功率為60 W，可適用于小功率無線電能傳輸裝置。

6 結論

    本文設計了以ATmega64數控技術為控制核心的無線電能傳輸接收端的變頻器。首先設計了無線電能傳輸變頻器的主電路和控制電路，然后提出了雙閉環控制策略，仿真驗證了方法的可行性，最后開發了變頻器樣機，有效將無線電能高頻電轉變為工頻電，驗證了控制方法的有效性。設計的變頻器控制簡單、穩定性高、保護功能齊全，應用前景廣闊。

參考文獻

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