非接觸電能傳輸技術(shù)或者感應(yīng)電能傳輸技術(shù),，通過采用電磁耦合的方式可實現(xiàn)電能跨越空氣氣隙的無接觸傳遞[1]。在軌道交通[2],、機器人、單軌行車,、消費電子產(chǎn)品,、人體內(nèi)置醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，已經(jīng)成為電力電子領(lǐng)域的研究熱點[3-4]。
    非接觸電能傳輸系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)就是高頻交變磁場的產(chǎn)生,，目前普遍采用的方法是利用軟開關(guān)諧振變換器將輸入低頻交流電（或者直流電）轉(zhuǎn)換為高頻交流電,，所使用的電路拓撲主要為AC-DC-AC或是DC-AC拓撲[5]。對工頻交流輸入的場合,，傳統(tǒng)AC-DC-AC拓撲存在電路復(fù)雜,、效率低、成本高等缺點,。為此,，人們提出了一種新型的AC-AC變換拓撲來實現(xiàn)從低頻交流到高頻交流的直接變換[6]。這種新型的變換拓撲基于一種能量注入控制方法,，當(dāng)輸出電流幅值高于設(shè)定值時,，可使諧振回路的能量自由振蕩或者回饋到電網(wǎng)；當(dāng)輸出電流幅值低于設(shè)定值時,，向諧振回路注入能量,。具有電路拓撲簡單、可靠性高,、轉(zhuǎn)換效率高,、低EMI等優(yōu)點，在非接觸電能傳輸系統(tǒng)及感應(yīng)加熱電源系統(tǒng)中有著很好的應(yīng)用前景,。
    為了實現(xiàn)新型AC-AC變換拓撲所有開關(guān)器件的軟開關(guān)控制及輸出電流的幅值控制,，本文基于FPGA控制平臺設(shè)計了系統(tǒng)的實時幅值控制器，分析了系統(tǒng)的控制要求,，設(shè)計了控制器硬件及軟件,，并進行了實驗驗證。
1 AC-AC電路工作原理分析
    能量注入式AC-AC諧振變換器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示,。整個電路由4個MOSFET開關(guān)管S1,、S2、S3,、S4,，反并聯(lián)二極管D1、D2,、D3,、D4及RLC的串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)組成。S1,、S2及反并聯(lián)二極管組成的雙向開關(guān)用于諧振網(wǎng)絡(luò)的能量注入及能量回饋,；而S3、S4及反并聯(lián)二極管組成的雙向開關(guān)則用于控制諧振網(wǎng)絡(luò)內(nèi)能量的雙向流動,。

    根據(jù)輸入交流電VAC的不同極性,，電路有著互相對稱的兩個半周期運行模式，即正半周和負半周模式。在每個半周期內(nèi),，根據(jù)諧振電流的不同,，電路均存在三種工作模態(tài)：能量注入、自由諧振及能量回饋,。本文只討論輸入電壓正半周時系統(tǒng)的工作模式,，負半周時可以對稱的形式得到。(1)能量注入模態(tài)：該模態(tài)中S1,、D2導(dǎo)通,，其余開關(guān)管及二極管關(guān)斷，能量正向注入諧振回路,，諧振電流幅值增大,。(2)自由諧振模態(tài)：諧振電流正向時，D3,、S4導(dǎo)通,；諧振電流反向時，S3,、D4導(dǎo)通,，諧振回路在無能量注入的情況下自由振蕩，諧振電流幅值逐漸減小,。(3)能量回饋模態(tài)：諧振電流反向時,，S2、D1導(dǎo)通,，諧振回路向電源回饋能量,，諧振電流幅值快速減小。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及電流峰值控制策略
    為了實現(xiàn)系統(tǒng)輸出諧振電流幅值近似恒定,，同時保證系統(tǒng)運行在零電流（ZCS）軟開關(guān)模式,，基于FPGA芯片設(shè)計系統(tǒng)的反饋控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。系統(tǒng)為雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu),，內(nèi)環(huán)檢測諧振電流的過零信號,，用以實現(xiàn)ZCS軟開關(guān)工作模式；外環(huán)采用誤差比較器將反饋信號與參考電流值進行比較,，以確定輸出電流幅值是否在誤差范圍內(nèi),，從而根據(jù)50 Hz交流信號的極性及誤差比較信息判斷系統(tǒng)的工作模態(tài)，以穩(wěn)定輸出諧振電流幅值,。

    根據(jù)上述控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),，結(jié)合系統(tǒng)的工作模式，設(shè)計系統(tǒng)的峰值控制策略如表1所示,。

3 FPGA控制電路板設(shè)計
    基于Altera公司的EP2C5T144C8型FPGA芯片,，根據(jù)圖2所示的系統(tǒng)框圖設(shè)計系統(tǒng)控制板,。控制器有三路輸入,，即50 Hz交流電源過零信號、諧振電流過零信號及參考電流與檢測反饋電流值比較的誤差信號,?？刂破鞲鶕?jù)這三路輸入信號進行相應(yīng)的運算后，在諧振電流過零點輸出控制信號,，控制4個MOSFET的工作狀態(tài),，實現(xiàn)對諧振電流峰值的幅值控制。
    考慮到誤差比較信號需要能夠比較出電流正向和反向兩種情況,，采用高速比較器LM319將輸入電流檢測信號與正向參考和負向參考分別比較,，產(chǎn)生正向峰值和負向峰值檢測信號。結(jié)合另外兩路過零比較信號,，系統(tǒng)的過零檢測及誤差比較電路如圖3所示,。

    為了盡量減小控制延遲并提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在隔離驅(qū)動電路模塊中采用了高速光耦隔離器件6N137,，同時配合三極管組成的推挽電路提高驅(qū)動能力,。
    過零檢測與誤差比較電路的輸出信號以及隔離驅(qū)動電路的輸入信號分別與FPGA控制器的I/O引腳相接，F(xiàn)PGA根據(jù)表1的開關(guān)控制邏輯實時控制系統(tǒng)的工作模式,，實現(xiàn)輸出電流的近似恒幅值控制,。
4 算法流程設(shè)計
    根據(jù)電流峰值控制策略，系統(tǒng)的控制算法流程設(shè)計如下：
    (1)檢測上半周期諧振電流峰值是否大于參考值,，如果大于參考值,，轉(zhuǎn)流程(6)；
    (2)檢測本半個周期的諧振電流的方向,；
    (3)檢測50 Hz低頻信號方向是否與諧振電流方向一致,，如不一致，轉(zhuǎn)流程(5),；
    (4)系統(tǒng)切換到能量注入工作模態(tài),，轉(zhuǎn)流程(1)；
    (5)系統(tǒng)切換到自由振蕩工作模態(tài),，轉(zhuǎn)流程(1),；
    (6)檢測本半個周期的諧振電流的方向；
    (7)檢測50 Hz低頻信號方向是否與諧振電流方向一致,，如不一致,，轉(zhuǎn)流程(9)；
    (8)系統(tǒng)切換到自由振蕩工作模態(tài),，轉(zhuǎn)流程(1),；
    (9)系統(tǒng)切換到能量回饋工作模態(tài),，轉(zhuǎn)流程(1)。
5 實驗測試
    根據(jù)算法流程設(shè)計,，搭建了系統(tǒng)實驗電路進行測試,。實驗中，參考電流設(shè)置為5 A,，系統(tǒng)輸入電壓為80 V/50 Hz,，在空載和10 W負載時輸入電壓波形及諧振電流波形分別如圖4(a)、圖4(b)所示,。圖中上方通道為50 Hz交流電壓波形,，下方通道為諧振電流波形。
    由圖4可以看出,，基于FPGA的諧振電流在拾取端負載變化時,，可以有效地保持初級回路諧振電流峰值在設(shè)定值附近波動。在輸入交流過零點附近,，由于輸入電壓過低,，注入系統(tǒng)的能量不足以維持諧振電流的幅值恒定，因此會出現(xiàn)明顯的凹陷,。另外由于該變換器工作于軟開關(guān)諧振狀態(tài),，因此控制動作只發(fā)生在諧振電流過零時刻，能量注入具有典型的離散性,。這使得空載或者輕載時,，注入能量的頻率過低，導(dǎo)致輸出諧振電流幅值存在較大的紋波,，如圖5（a）的空載諧振電流局部放大波形所示,。但隨負載功率增大，注入能量的頻率提高,，諧振電流的幅值也就越趨平穩(wěn),，如圖5（b）的10 W負載諧振電流局部放大波形所示。

    本文研究了一種能實現(xiàn)從低頻到高頻直接變換的AC-AC諧振變換器的恒幅控制策略及其FPGA實現(xiàn),。借助FPGA芯片強大的邏輯運算能力,、高速以及靈活配置特性，有效地實現(xiàn)了系統(tǒng)在工頻交流輸入到20 kHz恒幅交流輸出的直接變換,。系統(tǒng)具有電路簡單,、開關(guān)損耗低、變換效率高,、動態(tài)性能好等優(yōu)點,。但是由于輸入電壓過零點附近注入能量嚴重不足，導(dǎo)致輸出電流幅值有明顯的凹陷,，但并不影響這種變換器在非接觸電能傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用,。
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