DSP控制的松耦合变压器研究

研 究与设计
2012.8Vol.36No.8
收稿日期：2012-02-02
米材料的制备工艺与性能分析
1206

DSP控制的基于松耦合变压器的无线输电技术

摘要：采用数字化技术与ICPT相结合的方法，设计了DSP控制的基于松耦合变压器的无线输电系统 硬件以
TMS320F2812作为主控芯片，用IR2110作为驱动电路；采用松耦合变压器，实现了供电系统和电器设备之间没有导体
接触，采用变频SPWM脉宽调制方法，控制能量发射天线的发射频率，从而提高了实现最佳的能量耦合效率 并给出了
仿真图，结果表明整个系统具有一定的可行性与价值
关键词：DSP；松耦合变压器；脉宽调制；无线感应电源
中图分类号：TM41文献标识码：A文章编号：1002-087X(2012)08-1206-03
DSPcontrolledwirelesstransmissiontechnologybasedonloose
couplingtransformer
ZHAOJing1
,LIDe-chang1
,YUBin2
,WUXiao-hu1
(1.Xidian University, Xi'an Shanxi 710071, China; 2. Northwestern Polytechnical University, Xi'an Shanxi 710029, China)
Abstract:AnewtypeofwirelesstransmissionsystembasedonloosecouplingtransformercontrolledbyDSPwith
digitaltechnologyandIGPTwasdeveloped.TheTMS320F2812wasusedasthemaincontrolchipandIR2110was
usedasthepowerdriver.Theloosecouplingtransformerwasadoptedtoachievethecontactbetweenthepower
supplysystemandelectricalequipmentwithoutconductor.SPWMwasadoptedasthemethodofDC/ACsothatthe
wirelessenergyisefficientlypassingbycontrollingenergyantennalaunchfrequency.Thesimulatingresultshows
thatthissystemhassomeofthefeasibilityandvalue.
Keywords:DSP;loosecouplingtransformer;SPWM;wirelessinductivepower
随着数字控制技术 电力电子及相关技术的高度发展，高
可靠应用数字信号处理(DSP)和 ICPT 技术使数字电能非接触
传输成为了现实，取代了传统的模拟控制的接触电源技术
DSP 具有超强的数据处理能力和很快的处理速度，配合高频
性能的 AD 变换器，能瞬时读出电源的输出，并实时的计算输
出PWM 值 无线电能传输技术又称为无线感应耦合功率传输
技术(InductivelyCoupledPowerTransfer， ICPT)，是实现供电系
统和电器设备之间没有导体接触[1-2]
在给移动设备供电时，采
用此技术可以克服传统供电方法存在的诸如滑动磨损 接触
火花 碳积和不安全裸露导体等局限[1]
本文结合这两者高端
技术设计了一种数字化的无线输能技术
1系统电路结构设计
图 1 给出了整个非接触电源输电装置的框图[3]
主要电路
如下：功率电路，驱动电路，控制电路 基本工作原理如下：工
频交流电源在整流滤波获得直流电能之后通过高频逆变器进
行逆变，逆变所产生的高频交变电流注入原边线圈，原边线圈
中的高频交变电流产生的磁链 与副边线圈交链，从而产生
感应电动势，该感应电动势通过高频整流及直流斩波等调节
电路之后即可向负载提供参数合适的直流电能供应
功率电路采用的是电压源型全桥式逆变电路，由 4 个功
率 MOSFET 作为电压谐振型逆变器主开关器件，其显著特点
是频率高，可达几百千赫以上，效率高，体积小，质量轻
驱动电路采用了 IR2110 高压集成电路元件，其外围电路
简单 它兼有光耦隔离(体积小)和电磁隔离(速度快)的优点，抗
干扰能力强；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达
500V；工作频率高达 500kHz；开通 关断延迟小，分别为 120
ns 和 94ns；图腾柱输出峰值电流为 2A；控制电路选用 DSP
 
 
 
 
 
 
 
DSP
 
 
 
AC 100 V
50 Hz
图1非接触电源输电装置的框图2012.8Vol.36No.8
研究与设计
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TMS320F2812 其管理器模块 EVA 中的通用定时器及与之相
关的 PWM 通道产生 PWM 控制信号，通过 A/D 转换后得到采
样值，从而达到控制效果
2PWM波的产生
2.1利用DSP产生单相极性调制方式PWM波形的
原理[4]
在电机控制系统中， PWM 信号用于控制功率开关器件的
导通与关断 SPWM 波的获得是在 DSP事件管理器的比较单
元工作时，通用定时器的计数器 TxCNT 的值与比较寄存器
CMPRx 的值不断进行比较，当二者匹配时， PWM 输出产生跳
变 当两个值产生第二次匹配或一个定时器周期结束时，产生
第二次输出跳变，通过这样就产生了一系列的高(或低)宽度与
比较寄存器的值成比例的脉冲信号
产生对称波形(如图 2)，波形发生器的输出状态与下列状
态有关[4]
：技术操作开始前为 0；第一次比较匹配前保持不变；
第一次比较匹配时产生触发；第二次比较匹配前保持不变；第
二次比较匹配时产生触发；周期结束前保持不变；如果没有第
二次匹配且下一个周期新的比较值不为 0，则在周期结束后复
位为 0
2.2SPWM控制算法的实现
为了得到 SPWM 波形，通常利用较高频率的三角形载波
与较低频率的正弦调制波相比较，即采样法得到 因为在选用
正弦调制时，对称 PWM 所产生的交流电机的电流波形谐波较
小，如图 3 所示 对称规则采样每个载波周期只要进行一次采
样计算，它的占空比与自然规则采样法相当,波形质量高，再加
上 F2812 拥有的连续增减计数模式，其波形的产生与对称规
则采样法完全吻合[4]
得到的脉冲宽度计算式为：
式中： t1 为采样点的时刻； M 为调幅比 采样点时刻只与载波比
N 有关，而与调幅比 M 无关 确定 M 的值，则通过改变频率可
以控制发射线圈中的电流值大小，进而改善耦合效率
3松耦合变压器
松耦合变压器的模型如图 4 所示，能量从固定不动的原
边线圈通过一定的气隙传送到一个或多个接收线圈，从而实
现非接触输电[5]
所以松耦合变压器可以看成是两个通过空气
耦合的电感线圈组成的
线圈电感计算[6]
公式：
式中：S=1；0=4 10 10
； N 为线圈匝数； l 为线圈长度； S 为
线圈截面积 其中 K 值由线圈长度可确定
图 5 是松耦合变压器 T 形等效电路，其中 Lpk 为一次侧线
圈的漏感， Lsk 为二次侧线圈的漏感， K 为松耦合变压器的耦合
系数
松耦合变压器中原 副边线圈之间存在的空气间隙导致
原线圈及副边线圈都存在较大的漏感 因此，为了提高系统的
效率，减小了此系统的电压增益，降低了负载获取电功率的能
力 对其电路进行电容补偿
由于串联补偿导致拾取电路有电压源的性质，并联补偿
导致拾取电路有电流源的性质，此文采用的补偿方法是原边
串联补偿，副边并联补偿如图 6 所示，补偿电容的计算公式如
下：
式中下标 1 表示原线圈， 2 表示副线圈
4仿真结果
为了验证设计的可靠性，借助于 PSpice 软件对系统进行
了仿真 图 7 是 PWM 波的波形，验证 DSP对 PWM 波的产生，
图2对称SPWM产生原理(+表示比较匹配点)