磁耦合谐振式无线电能传输高频电源的研究与设计

摘要

磁耦合谐振式无线电能传输技术（Magnetic Resonance Coupling Wirless Power Transfer，MCR-WPT）作为一个新型的非接触供电技术被提出之后，迅速成为了国内外研究热点。不少学者对磁耦合谐振式无线电能传输的原理、电路结构、线圈设计、传输特性等方面作了深入的分析，而对系统效率及相关性能有着重大影响的前端高频电源则研究较少。目前系统前端高频电源主要由信号发生器加功率放大器组成，这种高频电源，输出电能频率约为2MHz~30MHz，满足着系统在谐振频率为 MHz级上相关特性的研究，但过高的频率可能对周围的生物产生不确定性的影响，同时存在较大的内阻，影响着系统的整体效率，也制约着大功率 MCR-WPT系统的研发。此外，频率漂移造成系统失谐从而引起效率下降是制约 MCR-WPT技术应用化的一大难题，本文采用电力电子器件，对磁耦合谐振式无线电能传输高频电源进行了研究和设计。
　　首先，本文选择 MCR-WPT系统中的线圈传输结构作为前端高频电源研究的出发点，对应用领域较为广泛的两线圈传输结构和四线圈传输结构特性进行了对比研究，从谐振电路拓扑结构和优化输出功率与系统效率的角度进行了分析，通过数值仿真，结合实际应用，确定了两线圈中收发线圈均采用串联谐振（SS）的传输结构作为本文系统前端高频电源设计的整体负载。
　　其次，本文采用电力电子器件，完成了MCR-WPT系统的开环高频电源设计，包括逆变主电路及功率开关器件的选型、基于IR2110S的驱动电路设计、基于DSP28335控制电路软硬件的设计，搭建了MCR-WPT系统实验平台，完成了高频电源输出电压占空比对系统工作影响的相关实验。
　　再次，本文对MCR-WPT系统失谐机理进行了研究，得到了当负载RL≥RLηmax时，发射线圈失谐是影响系统效率下降的主要因素之一。引入了锁相环，通过采集高频电源输出电压和发射线圈回路电流的相位对系统谐振频率进行实时跟踪，分析发现若系统失谐，且在RL远大于归一化失谐阻抗值ωΔL的情况下，系统效率基本不变。依据锁相环的工作原理及其线性数学模型，搭建了基于锁相环的MCR-WPT系统的Simulink仿真模型，仿真发现，当系统失谐时，通过锁相环的调节作用，可使系统快速实现重新谐振，在 RL满足上述条件下，保持系统效率基本不变。
　　最后，本文在开环高频电源设计的基础上，完成了基于DSP28335的软件锁相环算法的设计，给出了算法流程图；同时，完成了频率跟踪控制电路的硬件设计。实验表明，本论文设计的频率跟踪式高频电源，在满足前述理论分析的条件下，可以较好的解决系统失谐带来的能量不稳定的问题。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1背景及意义

1.2磁耦合谐振式无线电能传输的研究现状

1.3 高频电源技术的研究现状

1.4 论文研究的主要内容

第2章 MCR-WPT系统的建模与特性分析

2.1 MCR-WPT系统的建模与分析

2.3 数值仿真

2.4 本章小结

第3章 MCR-WPT系统的开环高频电源设计

3.1 引言

3.2 逆变主电路

3.3 控制电路

3.4 驱动电路

3.5 系统实验

3.6 本章小结

第4章 MCR-WPT系统失谐下的仿真研究

4.1 引言

4.2 MCR-WPT失谐影响的研究

4.3系统谐振频率跟踪状态下工作原理

4.4 锁相环的工作原理和数学模型

4.5 基于锁相环高频电源的MCR-WPT系统仿真

4.6 本章小结

第5章 频率跟踪控制系统的软硬件设计

5.1 引言

5.2 传统锁相环的实现

5.3 软件锁相环的原理与算法

5.4 频率跟踪电路的硬件设计

5.5 系统频率跟踪实验

5.6 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文及成果

附录B 攻读学位期间参与科研项目