2020年第11期信息通信2020
(总第215期)INFORMATION&COMMUNICATIONS(Sum.No215)
刘灿文打张迪2，李定珍［，樊京】
(1.南阳理工学院信息工程学院，河南南阳473000；
2.江南大学物联网工程学院，江苏无锡214000)
摘要：针对传统的电缆供电模式不易移动问题，文章研究了一种新型的非电气直接接触的单电容耦合无线电能传输系统。确定了系统补偿拓扑的结构模型和参数，设计并制作了所需要的各个模块，搭建了实验装置，进行了实验调试及测量，最终验证了系统的功率、效率等均达到刘了设计要求。该系统为无线电能传输提供了一种新的思路，其成本较低，具有广泛的应用范围和较高的推广价值。 关键词：电容耦合；无线电能传输;DSP驱动控制；特斯拉线圈
中图分类号:TM131文献标识码田文章编号：1673-1131(2020)11-0106-03
张力器
Des^n and Implementation of S ingle Electrical Capadtive-Coupled Wireless Power Ikwsfer Equq)ment
Liu Canwen1,Zhang Di2,Li Dingzhen1,Fan Jing1
(1.School of Information Engineering,Nanyang Institute of Technology,Nanyang473000,China;
2.School of Internet of Things Engineering,Jiangnan University W uxi214000,China)
Abstract：The traditional cable power supply mode is not easy to move.Aiming at this problem,a new type of Single-Electrical Capacitive-Coupled Wireless Power Transfer(SECPT)system without electrical direct contact was studied in this paper.The structure model and parameters of the system compensating topology were established.The required modules were designed and made.The experimental equipment was set up.The experimental debugging and measuring were carried out.Finally,the power and efficiency of the system were verified to meet the design requirements.A new way of thinking for wireless powertransmission was provided by this system,which has low cost,wide application range and high promotion value.
Key words:Capacitive coupling;wireless power transmission;DSP driver control;tesla coil
0引言
目前，大多数电子电气设备都釆用传统的电缆供电模式，这种方式不易移动、不适合在恶劣环境(如潮湿、水下)中使用，且存在使用安全性问题，已逐渐不能满足现代用电设备的供电需求叫因此，无线电能传输技术应运而生，以非电气直接接触的方式来传输电能，有效地解决了上述问题叫
本文研究了一种新的单电容耦合无线电能传输方式。该方式在能量传输过程中用电场耦合代替了传统磁场耦合，可克服电磁耦合带来的电磁干扰叫实现能量以更高效率、更安全地进行无线传输。
收稿日期：2020-09-15
基金项目：河南省教育厅重点科研资助项目(21A470004)；河南省科技厅重点研发与推广专项资助项目(192102210071)；南阳市科技攻关资助项目(KJGG003)。
作者简介：刘灿文(1998-)，男，电子信息工程专业学士，研究方向为无线电能传输；张迪(1998-)，女，学士，电气工程专业在读研究生，主要从事无线电能传输、仪器测试及控制等研究；樊京(1974-)，男，教授，博士后，主要从事隧道电磁场、无线输电及智能仪表技术等研究。
通讯作者：李定珍(1972-)，女，河南南阳人，硕士，教授，主要从事无线电能传输、智能仪器测试及自动控制等研究。
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1系统工作原理与实验设计
1.1系统工作原理
该系统的能量传输机构由能量发射模块和接收模块组成，设置两个完全相同的特斯拉线圈充当发射端和接收端，通过线圈顶部连接的均压环产生的电场来实现能量的无线传输。原理图如图1所示。
图1系统工作总体框图
该系统的能量发射系统包括：
⑴电源，本设计中的高频交流电源由直流供电电源、DSP 驱动板与高频逆变器组成，用于产生频率较高的交流电。
(2)升压线圈監，用于将高频的交流电经过多级LC结构逐级升压，传送到上端均压环。
⑶均压环D，将右产生的高压聚集在顶端，形成电场从而向空间中发送电能。
该系统的能量接收系统包括：
(1)均压环与D1形成稳定的电场，从而在电场中获取电能。A与A的结构与参数完全相同。
⑵降压线圈爲将A的高压交流电逐级降压，变换为高频的低压电能。在结构与参数上E与7；完全相同。
(3)电阻性负载，本系统使用了电子负载，便于读取接收部分的电压、电流及功率等数据。
电路模型如图2所示，在发射模块中，用高频正弦交流电源(含内阻〉来表示该SECPT系统的电源，如图2中的AC和耳串联表示；在接收模块中，用电阻R5来表示系统中的电子负载叫
图2SECPT系统的电路模型
其中厶、厶和G为补偿LCL拓扑，与发射端特斯拉线圈乙进行互感；厶、厶和C。为副边LCL拓扑补偿结构，与接收端特斯拉线圈厶进行互感。
2系统软硬件设计
2.1系统硬件设计
系统的硬件包括:DSP主控板、高频逆变电路、补偿耦合结构、能量发射/接收结构、整流滤波电路五部分组成°DSP主控板采用TMS320F28027作为主控制器；高频逆变电路采用GaN全桥逆变；能量发射/接收结构采用特斯拉参数共振变压器；整流滤波电路采用全桥整流和梯次滤波电路，硬件电路的总体设计图如图3所示。
DSP主控板包括：按键模块、DSP最小系统、串口通讯模块、PWM放大模块和电源模块等5个模块。高频逆变电路分为2部分：信号输入电路、GaN功率芯片电路。信号输入电路为驱动模块提供PWM信号;GaN功率芯片电路受DSP主控板输出的5V PWM脉冲控制，实现高压转换为高频高压交流电。高频高压交流电驱动补偿耦合网络与线圈谐振，并在均压环上产生高压电场，实现电能的无线传输，再经过整流滤波电路转换为直流提供负载使用。
DSP驱动板
S
负载
直流电源
高
逆
电
频
变
路
整
玻璃微电极
滝
电
波
波
路
三自由度S
图3系统硬件总体设计框图
2.2系统软件设计
系统的软件设计主要是DSP控制程序。DSP控制程序分为主程序和中断程序。DSP主程序产生206KHz的两路互补且存在死区的PWM波；图4是主函数程序流程图。 系统初始化
主程序流程图如图4所示,DSP芯片通电后，程序进行初始化操作。完成后待机，等待启动。
当系统读取到GPIO6为低电平时(即开关被按下〉，程序进入If循环，等待中断到来，然后执行中断命令。DSP中断程序有2个任务，分别是按键中断、通讯中断，中断类型采用的是定时中断，中断程序流程图如图5所示。
关机中断：当系统检测到GPI07接口为低电平，会触发程序的关机指令,DSP主控板断电关机。通信中断：如果GPI07接口为高电平，则进入通信中断。首先程序接受通信地址，若不是协议中的地址则返回初始化定时器；如果是协议中的地址，则发送对应数据，之后判断数据是否发送完毕，完毕后返回初始化定时器，否则继续发送。
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图5中断程序流程图
3系统参数确定及实验
3.1系统参数确定
补偿结构中各元件参数如表1所示，设负载为无穷大。运行拓扑补偿电路后，得到电源输入电压为100V时，不同频率下的输出电压变化数据。当输入频率为222.7KHZ时，特斯拉线圈顶部均压环获得最高电压值2592V。此时特斯拉线圈升压效果最好。
表1拓扑电路元件参数
元件模型参数元件模型参数
12四K0.002
%52mH局in
q9.83pF100MQ
q0.06pF尺33850
3.2实验验证
搭建实验调试平台如图6所示。经过多次调试实验，发现系统最佳的工作频率是206KHZ。
系统输入输出功率是评价系统的重要指标，经过上述测试，当系统输入为17V、2.876A时，电子负载拾取功率为25.5W，效率达到了52%o
图6搭建实验平台
经多次调试，得到了不同频率下该系统的工作效率数据，如表2所示。
表2不同频率下的工作效率
频率
(KHz)
逆变电路
的輸入功
率Pin(W)
电子负荻拾
拉碗取功率
Pout(W)
效率(％)
Pout/Pin 209.254.024.745.7
206.648.925.552.0
204.950.724.047.3
204」49.824.0482
203.249.424.148.7
kkrrrr202.454.026.448.9
将一个30W的LED灯泡接在整流滤波模块之后,LED灯泡可正常点亮工作，效果如图7所示。
图7LED负载工作图
4结语
本文确立了系统补偿拓扑的结构模型和参数。设计并制作了所需要的各个模块，搭建了实验装置，进行了实验调试及测量，并最终验证了系统的功率、效率等均达到了设计要求。
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