1、WPT测控系统整体框架
本文设计了一套对WPT系统进行测量和控制的系统，用于满足高频逆变、MOSFET过流保护、电压电流测量、通信、人机接口、数据记录等多方面的功能。该系统主要包括上位机人机接口软件、发送端测控板及接收端测控板3个部分，如图1所示。上位机运行2个监控程序，分别与发送端测控板和接收端测控板进行通信。为了简化PCB板的设计及程序代码编写工作，对于发送端测控板与接收端测控板，只需设计1套。通过存储在外存储器（RAM）中的参数，来判断当前的PCB板是作为发送端使用，还是作为接收端使用。同样地，为简化上位机软件的开发，只需要编写一个上位机监控软件。该软件能够根据连接的测控板是接收端还是发送端来决定通过Windows消息传出的是接收功率还是发送功率，并相应地计算系统效率。下文将重点对逆变器控制信号的生成以及电流、电压相位角测量等关键技术问题进行说明，并详细描述利用该系统对一个1m距离的WPT系统进行实验和数据分析的过程。
2、测控板功能设计
对于发送端测控板，需要的功能包括逆变、相位角的测量、交流电压与电流的采样、直流电压与电流的采样等。而对于接收端，则不需要逆变功能。因此，本系统所设计的测控板是根据发射端的需求来进行设计的。制作PCB板时，在接收端只需要焊接与测量、通信相关的器件，而不需要与MOSFET驱动、逆变相关的元件。测控板功能框图如图2所示。所设计的测控板包括2个微控制单元（MCU），即ARM和现场可编程门阵列（FPGA）。ARM模块作为数据交换的中心，采用RS-232接口与上位机进行通信，采用串行外设接口（SPI）与FPGA通信。ARM还对接收到的控制指令和数据（来自上位机，主要用于调整MOSFET的开关频率、占空比、死区时间、半桥／全桥模式等）进行计算，得到方波周期和8路PWM信号的开关时序，并下达到FPGA；对8路电流、电压信号进行模数转换（ADC）采样；对电流信号进行过流判别并在过流成立时通知FPGA；存储上位机下达的逆变频率、死区时间、占空比等参数。FPGA可以产生8路PWM信号用于控制8个MOSFET。这8个MOSFET可以组成2个独立的全桥逆变器，或者4个独立的半桥逆变器，这样可以满足不同的应用场景。FPGA在接收到ARM发来的过流保护指令时，将关断所有的MOSFET以实现过流保护。
2.1交流电压／电流测量
WPT系统的运行频率，通常在几十kHz［4-12］到十几MHz［2］，使用逆变器来生成高频交流电的频率通常在2MHz以下。因此，本测控系统的应用目标频率范围设定为50kHz～2MHz。对于该频率段的交流电量的测量，无法使用常规的电压（电流）互感器来进行。因此，本系统采用自制的电流互感器来测量交流电流。该电流互感器采用高饱和磁环，绕线圈数为20，使用1Ω电阻与绕线串连，并将该电阻两端电压通过同轴电缆引入外围电路。图3是用LTSpice软件建立的等效仿真电路。该电路将交流电经整流后变为直流再进行测量，得到的是交流量的有效值（图3中的Iavg），并接入ARM的模拟量采集端口。经仿真，在50kHz、500kHz、1MHz、2MHz时，从Isig输出的过零检测方波与输入量之间的相角滞后分别约为0.3°、3.6°、7.9°以及14.4°，基本能够满足使用要求。对于高频交流电压而言，先使用电阻分压的方法来将降压，再按图3所示电路进行测量。
2.2多路PWM时序计算
PWM时序的计算在ARM中进行，并将计算得到的每个逆变器的开通、关闭时序下达到FPGA。FPGA以该时序为依据，通过对时钟信号CLK进行计数来输出方波。FPGA时钟周期、开关频率、开关周期、占空比、占空比时长、死区时长、某逆变器相对于参考点的相移角、相移时长、上管开通时刻、上管关闭时刻分别为TCLK、fSWITCH、TSWITCH、D、TD、TDEAD、φ、TSHIFT、TON、TOFF，其中TSWITCH、TD、TSHIFT、TON、TOFF等变量的值均为FPGA时钟周期TCLK的倍数。例如，TSWITCH=1000，表示开关周期为TCLK的1000倍。φ的单位为度，范围在-180°～180°之间，用于制作多相相控逆变器时，控制不同的相之间的相移角度［13-15］。在给定TCLK、fSWITCH和D后，占空比时长及相移时长的计算如式（1）所示。
2.3多路PWM控制信号生成
ARM将计算得到的TSWITCH、TDEAD、TON_1、TOFF_1、TON_2、TOFF_2、TON_3、TOFF_3、TON_4、TOFF_4这10个参数下达到FPGA。XilinxSPARTAN6系列的FPGA提供了大量的IP核，包括二进制计数器（binarycounter）。本系统通过5个计数器来实现多路PWM控制信号的生成。首先，设计一个自动加载初值的周期计数器Period_Couter。该计数器每次计数到TSWITCH后溢出清0。在每个时钟周期的上升沿到来时，执行一次图4所示的流程，生成对某个半桥逆变器的控制信号，对其他的半桥逆变器也使用相似的处理方法。图4中，C为周期计数器的当前计数值；switch_sig为1时表示准备开半桥逆变器的上管，为0表示准备开下管；switch_h_sig为1表示开上管，为0表示关上管；switch_l_sig为1表示开下管，为0表示关下管；上述变量中，所有的半桥逆变器共用1个C；每个半桥逆变器拥有1个死区计数器及相应计数值、1个switch_sig标志、1个switch_h_sig标志、1个switch_l_sig标志。由于本系统有4个半桥逆变器，因此使用了4个12位的死区计数器，用于对死区时间进行计数。
2.4相角测量
MOSFET如果运行在非零电压开关（ZVS）状态，将会造成很大的切换损失甚至导致开关管损坏。另外，通过测量相控逆变器的输出电压与电流的相角，可以评估WPT系统谐振电路的运行状态（谐振运行时，电压与电流的相角为0°）。为此，本系统设计了相角测量功能。对于每个半桥逆变器，相角测量的参考信号是该逆变器的输出方波电压，被测信号则通过该逆变器输出电流的过零检测输出的方波得到。将这2个方波信号的夹角，作为该相逆变器的电流与电压的夹角。设电压信号与电流信号经过过零检测后的方波信号分别为REF和SIG。为检测这2个信号的上升沿，定义4个变量ref_0、ref_1、sig_0、sig_1。测量一路电压与电流信号的相角的流程如图5所示。将读取得到的计数器的值，除以开关周期TSWITCH，再乘以360°，即得到相角。
3、上位机软件设计
上位机软件用于下达开关频率、占空比、全桥／半桥运行模式、ADC零漂、ADC比例系数等指令，并计算和显示测量得到的电流、电压、相角、系统效率等。其主要功能如图6所示。上位机软件启动后，首先读取测控板的运行模式。如果是发送端，则通过Window消息，将计算得到的WPT系统的发送功率向外发送，并接收接收端接收到的功率；如果是接收端，则将接收功率向外发送，并接收发送端发来的发送功率。在软件界面中，控制指令的选择是通过Control栏中的Command下拉列表框来选择，控制参数则在Commandparameter栏中输入，然后点击“Execute”来执行该指令。如果需要连续执行某个指令，则在选择指令及输入参数后，点击“ExecuteAuto”，系统将自动按“Autointerval”指定的间隔来执行该指令。另外，“Savedata”用于在自动执行指令时，按一定的间隔时间自动保存测量数据到excel文件以备分析用。
4、测控板原型机开发
测控板原型机所使用的主要元件型号如表1所示。其中，BSB056N10NN3型号的MOSFET能够承受的DS端直流电压为100V，在散热良好的条件下最大允许电流为83A，寄生电阻为5.6mΩ，能够满足中小功率WPT系统的需求。对于电动汽车无线充电等大功率应用场合，可用IPW65R041CFD替换。该原型机用于远距离WPT系统（发射端与接收端均使用20圈、边长45cm的矩形线圈，两线圈间距为1~2m）。
5、系统调试
5.1ADC采样的零漂及比例系数测试
本系统的测控板共设计有5路交流电流采样（先经过电流互感器转换成电压）、2路直流电压采样、1路直流电流采样和1路交流电压采样。当这些输入端不接入电量信号时，通过ARM采样各输入通道电压得到的数字量（多次测量取平均值），即为各通道的零漂。在通道接入电量进行测量时，需要先减去该通道零漂值，再乘以比例系数才得到测量的模拟量值。ADC采样的比例系数，指的是将采样得到的数字量转换成被测量的实际的电压、电流量的比例。虽然根据各通前置的电压／电流互感器及运放等部件的比例，可以计算出这个比例系数，但受限于元件参数的精度，并不一定精确，且计算过程比较复杂。为此，本系统采用直接测量的方法来计算各通道的比例系数。以直流电流的测量为例，其ADC采样的零漂和比例系数的确定方法如下：a.根据4.2节所描述的WPT系统进行接线，并关闭逆变器的输入直流电压源；b.从上位机软件，选择“零漂计算”命令并点击“Execute”，ARM执行后返回零漂值8供上位机显示；c.打开逆变器的输入直流电压源，调整电源电压，使用Agilent34405A数字万用表测量直流电流，直到值为1.5A；d.在系统默认的比例系数100的条件下，上位机软件显示的电流值为0.6A；e.为使上位机显示的电流值为1.5A，需要设置比例系数为250；f.调整电源电压直到数字万用表测量得到的电流值为3.0A；g.观察上位机显示的电流值为2.9A，表明比例系数设置为250比较合适。直流电压和交流量通道的比例系数也可以通过上述方法进行测定。由于Agilent34405A的建议使用频率为30kHz以下，故对高于此频率的交流电压及电流的比例系数的测定只能得到不太精确的值。因此，本系统在计算发送端功率和接收端功率时，使用的都是直流电压与电流的乘积。
5.2WPT系统测试实例
使用本文设计的测控板及上位机软件，对一个WPT系统进行了实验并记录其数据。该WPT系统使用2个边长45cm的矩形线圈，2个线圈距离1m。线圈使用NewEngland公司的AWG44、255股的litz线绕制，圈数20，轴向高度10cm。谐振电容由1个500pF和2个100pF的板电容并联得到。使用QuadTech7600型精密LCR测量仪，测得2个线圈在350kHz频率时电感约为302H，寄生电阻约2Ω，谐振电容值为705pF。使用Maxwell电磁仿真软件得到两线圈的互感系数约为0.006。MOSFET管和电容的寄生电阻相对于线圈的寄生电阻相比很小，可忽略不计。
6、结语
本文设计的WPT测控系统，已在电动汽车无线充电系统、分区段在轨无线供电小火车实验系统、大间距无线电能传输系统、多相相控逆变器系统等成功应用，其能方便地完成多相相控逆变输出、频率设置、电流电压相角测量、效率计算等功能。对于不同的应用需求，上位机软件则完全相同，逆变器的开关管则使用了不同的MOSFET。例如对大功率的电动汽车无线充电系统，使用IPW65R041CFD型号的MOSFET；对于其他的较小功率应用，则使用BSB056N10NN3型号的MOSFET。在上述WPT系统中的应用表明，本文设计的测控系统很好地满足了WPT调试时对频率调整及数据记录等的要求。
作者：邓其军 刘姜涛 周洪 胡文山 单位：武汉大学自动化系 湖北第二师范学院物理与机电工程学院
相关专题：农民专业合作社贷款 兰州新闻物流商会捐物
