基于FPGA的磁耦合谐振式无线电能传输频率跟踪控制

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摘要

省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室（河北工业大学）、北京化工大学信息科学与技术学院的研究人员刘帼巾、李义鑫等，在2018年第14期《电工技术学报》上撰文指出，磁耦合谐振式无线电能传输是无线电能传输领域的研究热点，保持系统工作在谐振频率是磁耦合谐振式无线电能传输的关键技术之一。

为了解决磁耦合谐振式无线电能传输系统在工作过程中的谐振失谐问题，本文从理论上分析系统的失谐机理，提出基于自适应PI控制的可变模全数字锁相环的频率跟踪控制方法；建立基于PI控制的全数字锁相环的数学模型，分析PI控制参数对系统性能的影响；设计出一种对全数字锁相环的PI控制参数进行自适应调节且兼顾跟踪控制的速度和精度的自适应控制器；利用FPGA实现所提出的全数字锁相环。

仿真结果表明，该全数字锁相环能够较好地实现相位和频率的跟踪功能；最后，在实验样机上进行验证，结果表明该方法可以在谐振频率变化时完成对频率的快速跟踪，使系统工作在谐振状态。

磁耦合谐振式无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）系统在近场耦合式WPT技术中具有传输效率高、传输距离较大的优点[1]，成为无线电能传输领域的研究热点。磁耦合谐振式WPT之所以能够高效传输主要取决于系统能否工作在谐振状态[2]。由于传输距离变化、负载波动和电路参数变化等因素的影响，系统谐振频率会发生偏移，因此保持系统工作在谐振频率下是磁耦合谐振式WPT的关键技术之一[3]。

针对调谐问题，目前主要有动态补偿调谐控  制[4-12]、采用附加线圈动态调谐[13,14]和频率跟踪控制三种做法。频率跟踪控制与前两种方法相比，具有实现简便、调整速度快的优点，因此得到众多关注[15-20]。文献[15]采用模拟锁相环芯片实现了频率跟踪，有效提高了传输效率，但模拟芯片的抗噪声性能差、可靠性低，难以保证系统可靠运行。

文献[16]提出了采用扰动观察法完成频率跟踪，通过软件来实现该控制方法，降低了系统成本，但跟踪速度慢。文献[17]采用FPGA对频率进行实时跟踪控制，实现了较大范围的频率跟踪，但是未对频率跟踪的速度和精度作深入研究。文献[18]实时检测发射和接收功率，提出一种以传输效率或功率为最优目标的频率跟踪控制方法，但对系统工作频率的调整是非连续的，难以精确达到系统的谐振频率。

文献[19]研究了系统谐振频率随温度变化的关系，为控制系统工作频率与谐振频率一致提供了依据；同时提出了一种查表法和扰动观察法相结合的频率控制方法，查表法实现快速的粗调，扰动观察法实现微调，对频率的控制效果良好，但由于是针对温度影响下的频率控制研究，频率可调范围较窄，不具备通用性。

文献[20]采用浮动频率控制，直接跟踪谐振电流过零点，保证了在跟踪控制过程中系统始终工作在软开关模式下，降低了损耗；浮动频率控制系统虽然为闭环控制，但其控制器的输出控制信号未反馈至控制器的输入端，即控制器未使用输入和输出信号的偏差对输出进行控制，仅仅是根据输入信号对输出的驱动信号进行控制，在系统工作频率不高时能够取得较好的控制效果，但当系统工作频率较高时对于相位的控制误差较大，且在出现其他扰动时的稳态误差大。

本文针对谐振频率变化，提出一种基于自适应PI控制的可变模全数字锁相环的频率跟踪控制方法，解决了传统频率跟踪速度慢和精度不高的问题。利用FPGA实现该全数字锁相环，使得频率跟踪控制系统为全硬件结构，与传统软件频率跟踪控制相比跟踪速度更快；该全数字锁相环具有可变模功能，使得系统能够快速响应谐振频率的变化；对PI参数有调节作用的自适应控制器兼顾了跟踪控制的速度和精度，使跟踪控制系统具有更好的性能。

图11  磁耦合谐振式WPT实验装置

结论

本文提出了基于自适应PI控制的可变模ADPLL的频率跟踪控制方法，使得磁耦合谐振式无线电能传输系统在因参数变化而引起谐振频率变化时，能够快速对逆变器的工作频率进行跟踪控制，从而使系统工作在谐振状态；利用FPGA实现了提出的频率跟踪控制方法。

仿真结果表明：跟踪过程中首先快速在2～3个输入周期内完成频率的调整，接着完成相位跟踪；实验表明：在谐振频率从125kHz的固有谐振频率变化为113kHz时实现了对工作频率的调整，系统依然工作在谐振状态。因此，通过仿真和实验均验证了控制方法的可行性。