基于FPGA控制的MCR-WPT发射系统设计

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磁耦合谐振式无线电能传输(Magnetically Coupled Resonant Wireless Power Transfer,MCR-WPT)具有安全性能高、使用便捷、易维护等优势,在诸多领域有着重要的应用价值,具有很大的发展潜力。可靠的MCR-WPT发射系统是实现电能传输的重要保障,国内外学者对发射系统的频率跟踪控制、调谐补偿控制、复合控制等调谐控制策略以及谐振补偿网络、线圈设计等进行了大量研究,但完整的发射系统设计文献研究报道不多,基于此,本文研究设计了一套FPGA控制的MCR-WPT发射系统。首先,本文进行了详细的系统方案设计,其中功率因数校正电路选择Boost型有源功率因数校正拓扑结构,采用基于FPGA数字控制的平均电流控制策略实现功率因数校正电路控制;DC-DC谐振变换器电路选择全桥LLC谐振拓扑结构,通过FPGA设计基于DDS的压控振荡器输出控制DC-DC谐振变换器;针对高频谐振逆变器电路方案的设计,通过分析谐振补偿网络,结合现有WPT调谐的变频控制弊端,提出一种锯齿补偿逆变方法,实现定频控制,通过在传统的谐振逆变器电路中添加功率锯齿源,组成一种新型的锯齿补偿逆变电路,并在SS谐振拓扑的互感模型基础上,分析了系统输入阻抗角的影响因素和锯齿补偿逆变与阻抗角变化的关系,验证了锯齿补偿逆变的可行性,而后设计采用FPGA数字鉴相驱动控制锯齿补偿逆变改变系统输入阻抗角的控制方法;发射线圈选择平面式线圈结构,辅助电源选择反激多路输出开关电源拓扑结构。然后,本文进行了系统主功率回路硬件设计和控制保护系统软件设计。硬件设计部分,给出了电路设计指标,对电路主要参数进行了计算;给出了电路原理图,对关键功率器件进行了选型,确定了功率器件风冷散热方式;此外,对电路的核心器件进行了说明并给出了谐振线圈参数和结构示意图。软件设计部分,详细介绍APFC电路数字控制软件、DC-DC谐振变换电路控制软件、锯齿补偿逆变控制软件和系统验证上位机测控终端软件设计的程序实现。最后,本文进行了系统实验调试,对控制电路和主功率电路的调试部分,给出了电路实物图并对关键波形进行了监测,阐述了调试过程中的注意事项,对调试过程的问题进行了分析解决;进行了系统整体实验,验证了锯齿补偿逆变的可行性,系统正常工作,满足预期要求。
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