0 引言

    文獻(xiàn)[1，2]中提出一種基于互感機(jī)理的地下位移測(cè)量集成傳感器用于地下深部的位移監(jiān)測(cè)。它是由一個(gè)個(gè)獨(dú)立的地下位移測(cè)量單元通過(guò)金屬導(dǎo)線串接組成的，在測(cè)量時(shí)通過(guò)從上到下逐一測(cè)出相鄰的兩個(gè)地下位移測(cè)量單元的空間位置相對(duì)變化量，從而測(cè)出從地面到地下深部的變形情況。地下位移測(cè)量單元間的供電和通信都是通過(guò)金屬導(dǎo)線相連完成的，這樣的連接方式使裝置的密封受到影響，并且安裝運(yùn)輸不方便。再者由于整個(gè)集成傳感器長(zhǎng)期掩埋于地下，金屬導(dǎo)線會(huì)受到外界環(huán)境的腐蝕，造成傳感器不能夠穩(wěn)定地工作。在雷雨天氣時(shí)，由于金屬導(dǎo)線的導(dǎo)電作用，雷擊會(huì)損壞傳感器。

    為了解決有線供電方式存在的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種用于地下位移變形測(cè)量傳感器的無(wú)線電能傳輸裝置，以無(wú)線的方式自上而下給每一個(gè)測(cè)量單元提供電能。文獻(xiàn)[3，4]中介紹了無(wú)線電能傳輸方式分類(lèi)、每種方式的優(yōu)缺點(diǎn)以及各自的應(yīng)用場(chǎng)合。由于磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸(Magnetic Resonance Coupling Wireless Power Transmission，MRC-WPT)技術(shù)具有傳輸距離遠(yuǎn)、線圈間錯(cuò)位敏感度小的特點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于地下位移變形測(cè)量傳感器的無(wú)線電能傳輸裝置中。

    本文首先介紹MRC-WPT的工作機(jī)理；接著將該技術(shù)應(yīng)用于地下位移測(cè)量傳感器串的無(wú)線電能傳輸裝置中，提出總體方案并詳細(xì)分析各模塊的電路設(shè)計(jì)；最后實(shí)際搭建電路驗(yàn)證裝置的可行性，并提出存在的不足，為裝置的后續(xù)完善提供指導(dǎo)。

1 磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸機(jī)理和結(jié)構(gòu)

1.1 磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸機(jī)理

    無(wú)線電能傳輸裝置的設(shè)計(jì)是基于MCR-WPT技術(shù)，它是麻省理工學(xué)院的研究小組在2007年提出的^[5]。他們成功點(diǎn)亮了相距2 m外的一個(gè)60 W燈泡。本文以?xún)删€圈結(jié)構(gòu)為例介紹MCR-WPT的工作機(jī)理，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中發(fā)射端由激勵(lì)電源、電源阻抗Z_s、補(bǔ)償電容C₁、發(fā)射線圈組成,接收端由接收線圈、補(bǔ)償電容C₂、接收端負(fù)載阻抗組成。

    電源給發(fā)射線圈供電，頻率為系統(tǒng)諧振頻率。此時(shí)發(fā)射線圈發(fā)生諧振。即使在不高的供電電壓下，因?yàn)榘l(fā)生諧振，也能產(chǎn)生較大的電流，從而建立起較強(qiáng)的電磁場(chǎng)。發(fā)射線圈中電容的電場(chǎng)能因?yàn)橹C振與電感線圈中的磁場(chǎng)能不斷地進(jìn)行交換。而發(fā)射端電感線圈中磁場(chǎng)有一部分鉸鏈到接收端的電感線圈，交變的磁場(chǎng)在接收線圈中感應(yīng)出電流，因此能量傳遞到了接收端。在接收端，電容中的電場(chǎng)能和電感線圈中的磁場(chǎng)能也因?yàn)橹C振在不斷地進(jìn)行能量交換，最終把能量傳遞給負(fù)載。

1.2 串串結(jié)構(gòu)電路模型分析

    文獻(xiàn)[6]中研究了4種MCR-WPT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性能，文獻(xiàn)[7]中從電路角度分析串串結(jié)構(gòu)的傳輸效率與線圈尺寸、距離之間的關(guān)系。本文以?xún)删€圈串串耦合模型為例推導(dǎo)輸出功率和效率的表達(dá)式，其等效的電路模型如圖2所示。為方便說(shuō)明，在以下的分析中，認(rèn)為發(fā)射、接收裝置在建立聯(lián)系之后，均達(dá)到自諧振狀態(tài),同時(shí)只考慮線路的集中參數(shù)，并不計(jì)算雜散參數(shù)對(duì)電路的影響。

    根據(jù)基爾霍夫電壓定律，可得等效電路的回路方程：

    式中U為電壓源電壓；L_S、L_D分別為發(fā)射線圈和接收線圈的電感；R_S、R_D分別為發(fā)射線圈和接收線圈的等效電阻；R_L為負(fù)載等效電阻；C_S、C_D分別為發(fā)射線圈和接收線圈端串聯(lián)的補(bǔ)償電容。

1.3 中繼線圈

    本文所研究的對(duì)象是一個(gè)多級(jí)的電能傳輸系統(tǒng)，具有負(fù)載數(shù)量多、傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)。文獻(xiàn)[8]中研究設(shè)計(jì)了一個(gè)利用中繼線圈延長(zhǎng)傳輸距離的系統(tǒng)，通過(guò)研究比較兩耦合器系統(tǒng)、三耦合器系統(tǒng)、四耦合器系統(tǒng)的特性，指出利用一個(gè)或多個(gè)中繼線圈可以有效地延長(zhǎng)傳輸距離以及提高傳輸效率。

2 裝置硬件設(shè)計(jì)

2.1 裝置設(shè)計(jì)原理

    本文將MCR-WPT技術(shù)應(yīng)用于地下變形測(cè)量傳感器串的供電應(yīng)用中，裝置設(shè)計(jì)原理如圖3所示。無(wú)線電能傳輸裝置由一個(gè)個(gè)電能傳送節(jié)點(diǎn)和一個(gè)地上總控電源組成，其中第M個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)金屬導(dǎo)線與地上總控電源相連，其余各個(gè)電能傳送節(jié)點(diǎn)之間沒(méi)有有線連接。在輸送電時(shí)，通過(guò)磁場(chǎng)耦合的作用，將上一個(gè)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)的電能傳送到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。以此向下，將地上總電源的電能輸送到每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)為整個(gè)地下位移測(cè)量傳感器串供電。

    每個(gè)電能傳送節(jié)點(diǎn)包括線圈回路、微控制單元(Microcontroller Unit，MCU)、接收端電路、發(fā)送端電路、開(kāi)關(guān)切換電路、無(wú)線通信模塊，其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。其中MCU與接收端電路、發(fā)送端電路、無(wú)線通信模塊相連。單片機(jī)根據(jù)無(wú)線通信模塊接收到的指令，控制開(kāi)關(guān)使線圈是與接收端電路相連，或與發(fā)送端電路相連，還是不與其中任何一個(gè)電路相連。所以每個(gè)電能傳送節(jié)點(diǎn)的線圈都有3種工作狀態(tài)，分別為接收狀態(tài)、發(fā)送狀態(tài)和中繼狀態(tài)。

2.2 無(wú)線電能傳送節(jié)點(diǎn)接收端電路設(shè)計(jì)

    無(wú)線電能傳送節(jié)點(diǎn)接收端電路框圖如圖5所示。接收端電路包含整流濾波電路、儲(chǔ)能電路、DC-DC轉(zhuǎn)換器；整流濾波電路采用由肖特基二極管搭建的橋式電路與電解電容并聯(lián)組成，將線圈接收到的交流電整流濾波為直流電。該直流電一路經(jīng)由DC-DC轉(zhuǎn)換器將電壓轉(zhuǎn)換為符合MCU工作的電壓；另一路在MCU的控制下，通過(guò)開(kāi)關(guān)切換與儲(chǔ)能電路相連，將線圈接收到的能量?jī)?chǔ)存在儲(chǔ)能裝置中。

    儲(chǔ)能電路模塊采用LTC3625集成芯片，其可以將兩個(gè)串聯(lián)超級(jí)電容器充電至一個(gè)固定輸出電壓，而且可以自動(dòng)平衡兩節(jié)超級(jí)電容器的電壓，防止任一個(gè)超級(jí)電容器遭受過(guò)壓損壞。

    超級(jí)電容器充電電路如圖6所示，其中C₂、C₃為兩節(jié)耐壓值為2.7 V、電容值為100 F的超級(jí)電容器串接組成。當(dāng)LTC3625的V_out引腳的輸出電壓達(dá)到最終電壓的92.5%時(shí)，其PGOOD引腳由低電平變?yōu)楦咦钁B(tài)，經(jīng)上拉電阻連接單片機(jī)的輸入引腳，指示超級(jí)電容器的電能狀態(tài)。

2.3 無(wú)線電能傳送節(jié)點(diǎn)發(fā)射端電路設(shè)計(jì)

    無(wú)線電能傳送節(jié)點(diǎn)發(fā)射端電路框圖如圖7所示。發(fā)送端電路包含逆變電路、調(diào)頻驅(qū)動(dòng)電路、反饋電路；調(diào)頻驅(qū)動(dòng)電路的輸出端與逆變電路的輸入端相連，逆變電路將儲(chǔ)能裝置中的直流電能逆變?yōu)楦哳l交流電能通入線圈，從而激發(fā)磁場(chǎng)。MCU根據(jù)反饋電路的結(jié)果調(diào)整調(diào)頻驅(qū)動(dòng)電路的輸出，使發(fā)送端電路工作在最優(yōu)或者次優(yōu)狀態(tài)，其中反饋信息通過(guò)地下位移傳感器的測(cè)量得到。

    調(diào)頻驅(qū)動(dòng)電路如圖8所示，由數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、直接數(shù)字式頻率合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)和比較器組成。MCU控制數(shù)模轉(zhuǎn)換電路輸出可調(diào)直流電壓作為比較器的參考電壓。同時(shí)，MCU控制DDS信號(hào)發(fā)生電路輸出可調(diào)頻率的正弦波作為比較器的比較電壓；兩路信號(hào)經(jīng)比較器輸出一定頻率、一定占空比的PWM波驅(qū)動(dòng)逆變電路。

    DDS選用AD9851集成芯片，其可以在單片機(jī)的控制下輸出兩路具有一定頻率、互補(bǔ)的正弦波，而且功耗低，在3.3 V供電時(shí)僅為155 mW。比較器選用TLV3501集成芯片，引腳SHDN具有關(guān)斷功能可降低裝置的功耗。另外通過(guò)R₃電阻引入正反饋，構(gòu)成滯回比較器電路，閾值電壓的表達(dá)式為：

式中V_HYST為閾值電壓；V₊為比較器工作電壓。

    逆變電路由功率放大器和驅(qū)動(dòng)電路組成，其電路如圖9所示。電路功率放大器采用電壓開(kāi)關(guān)類(lèi)型D類(lèi)功率放大器^[10]，其中全控性開(kāi)關(guān)器件采用IRF840功率MOSFET開(kāi)關(guān)管Q1、Q2構(gòu)成,上下MOS管交替導(dǎo)通半個(gè)周期。故D類(lèi)功率放大器輸出電壓的表達(dá)式為：

式中T=1/f，f為系統(tǒng)頻率同時(shí)也是MOS管的開(kāi)關(guān)頻率；V_DSS為MOS管的飽和壓降。

    與此同時(shí)，逆變電路的輸出端連接線圈回路，由于該回路可以等效為由電感、電容、等效電阻串連組成，具有選頻濾波的作用，所以回路中的電流為一余弦波電流，其頻率為激勵(lì)信號(hào)的基頻。

    功率驅(qū)動(dòng)器選用IR2110集成芯片, 其集成度高，可驅(qū)動(dòng)上下兩個(gè)MOS管，響應(yīng)速度快，尤其是上MOS管驅(qū)動(dòng)采用外部自舉電容上電，使得驅(qū)動(dòng)電路數(shù)目較其他IC驅(qū)動(dòng)大大減小。

2.4 無(wú)線電能傳送節(jié)點(diǎn)無(wú)線通信電路設(shè)計(jì)

    無(wú)線通信電路以CC1101集成芯片為核心配合其他外圍電路實(shí)現(xiàn)。CC1101可以通過(guò)SPI接口與MCU連接，可提供對(duì)數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)傳輸、接收信號(hào)強(qiáng)度指示、空閑信道評(píng)估、鏈路質(zhì)量指示以及無(wú)線喚醒的廣泛硬件支持。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    根據(jù)裝置設(shè)計(jì)原理可知，每個(gè)電能傳送節(jié)點(diǎn)都有3種工作狀態(tài)，分別為發(fā)送狀態(tài)、接收狀態(tài)和中繼狀態(tài)。又因?yàn)楸疚乃芯康膶?duì)象是一個(gè)多級(jí)的電能傳輸系統(tǒng)，具有負(fù)載數(shù)量多、傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)。所以系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)在于總控電源根據(jù)反饋信息制定相應(yīng)充電策略來(lái)切換每個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，從而保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)有足夠的電能滿(mǎn)足地下位移測(cè)量傳感器串的工作需求。反饋信息主要包括當(dāng)前電能傳送節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)、儲(chǔ)能裝置的剩余電量、地下位移傳感器的運(yùn)行狀態(tài)等。程序流程圖如圖10所示。

4 實(shí)驗(yàn)

    實(shí)驗(yàn)主要分兩部分：一是用現(xiàn)有線圈骨架繞制導(dǎo)線直徑不同、匝數(shù)不同、結(jié)構(gòu)不同的線圈，用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量其傳輸特性；二是將線圈與節(jié)點(diǎn)電路相連，測(cè)試無(wú)線電能傳輸裝置性能。

4.1 線圈傳輸特性測(cè)試

    實(shí)驗(yàn)選用了兩種不同粗細(xì)的多股線，直徑分別為2 mm和1.85 mm。采用的線圈骨架為一塑料圓柱，直徑為72 mm，高度為80 mm。

    實(shí)驗(yàn)時(shí)，繞制了4種不同的線圈，線圈1采用2 mm多股線均勻在骨架上繞制一層；線圈2采用1.85 mm多股線均勻在骨架上繞制一層；線圈3采用1.85 mm多股線在骨架上繞制二層，第一層均勻密繞，第二層在線圈兩端各均勻密繞10匝；線圈4采用1.85 mm多股線在骨架上繞制二層，第一層均勻密繞，第二層在線圈中間均勻密繞10匝。線圈各參數(shù)見(jiàn)表1。

    將繞制好的兩個(gè)線圈分別接在網(wǎng)絡(luò)分析儀E5063A端口一和端口二上，測(cè)量其S12參數(shù)，結(jié)果如圖11所示。

    從圖11中可以看出，隨著距離增加，線圈的最佳S12在減小。并且線圈3在不同距離下的最佳S12參數(shù)都遠(yuǎn)好于其他線圈，其傳輸特性最好。通過(guò)比較線圈1和線圈2，可以發(fā)現(xiàn)在導(dǎo)線直徑相似的情況下，對(duì)線圈傳輸性能的改善不是特別明顯。

4.2 無(wú)線電能傳輸裝置性能測(cè)試

    將線圈2與節(jié)點(diǎn)電路相連，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)，將一節(jié)點(diǎn)固定在水平面上，另一節(jié)點(diǎn)與三坐標(biāo)平臺(tái)的固定裝置相連，實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)搭建如圖12所示。

    實(shí)驗(yàn)時(shí)，取3.6 Ω模擬實(shí)際負(fù)載，測(cè)量電阻兩端的功率，得到兩節(jié)點(diǎn)在不同距離下輸出功率隨驅(qū)動(dòng)頻率的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

    從圖13中可以看出，在兩節(jié)點(diǎn)距離不變的情況下，隨著激勵(lì)頻率的增大，輸出功率先增大后減小；在激勵(lì)頻率為線圈2自諧振頻率處，隨著兩節(jié)點(diǎn)距離的增大，輸出功率先增大后減小。所以，在實(shí)際過(guò)程中，根據(jù)地下位移傳感器的反饋結(jié)果調(diào)節(jié)線圈的激勵(lì)頻率，使得裝置工作在最優(yōu)或者次優(yōu)狀態(tài)。

5 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)的無(wú)線電能傳輸裝置包含一個(gè)總控電源和多個(gè)無(wú)線電能傳送節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包括線圈回路、微控制單元、接收端電路、發(fā)送端電路、開(kāi)關(guān)切換電路、無(wú)線通信模塊。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了無(wú)線電能傳輸裝置在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)情況下的充電情況，結(jié)果表明充電穩(wěn)定。但是對(duì)于更多節(jié)點(diǎn)的無(wú)線電能傳輸仍需完善，并且要提高充電效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 李青，李雄，施閣.基于互感和自感機(jī)理的地下深部位移測(cè)量方法及傳感器：中國(guó)，ZL200610052816.4[P].2008-06-25.

[2] 李青，李雄，施閣.基于地下位移測(cè)量傳感器的地下位移測(cè)量方法及儀器：中國(guó)，ZL200810163147.7[P].2009-05-20.

[3] 趙爭(zhēng)鳴，張藝明，陳凱楠.磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)新進(jìn)展[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013(3)：1-13，21.

[4] 陳文仙，陳乾宏.共振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)的研究進(jìn)展與應(yīng)用綜述[J].電工電能新技術(shù)，2016(9)：35-47.

[5] KURS A，KARALIS A，MOFFATT R，et al.Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances[J].Science，2007，317(5834)：83.

[6] 田子建，杜欣欣，樊京，等.磁耦合諧振無(wú)線輸電系統(tǒng)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析[J].電氣工程學(xué)報(bào)，2015(6)：47-57.

[7] 傅文珍，張波，丘東元，等.自諧振線圈耦合式電能無(wú)線傳輸?shù)淖畲笮史治雠c設(shè)計(jì)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009(18)：21-26.

[8] ZHANG F，HACKWORTH S A，F(xiàn)U W，et al.Relay effect of wireless power transfer using strongly coupled magnetic resonances[J].IEEE Transactions on Magnetics，2011，47(5)：1478-1481.

[9] TI.TLV3501 Datasheet[DB].(2015-04-17).http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/tlv3501.pdf.

[10] 胡長(zhǎng)陽(yáng).D類(lèi)和E類(lèi)開(kāi)關(guān)模式功率放大器[M].北京：高等教育出版社，1985.

作者信息:

吳  軼，李  青，施  閣

（中國(guó)計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州310018）