非接觸感應(yīng)供電技術(shù)及其在扭矩測試中的應(yīng)用

0 引言

目前，向處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的扭矩測試系統(tǒng)提供能量的方法主要有兩種：滑環(huán)供電，電池供電?；h(huán)供電采用電刷與集電環(huán)滑動(dòng)接觸的方式，在使用上存在諸如滑動(dòng)磨損，接觸火花，碳積和不安全裸露導(dǎo)體等局限;而電池供電存在電能有限以及對供電環(huán)境要求高等一系列缺點(diǎn)和不足，使得這兩種供電方式均不能滿足扭矩測試的需要，所以研究一種為旋轉(zhuǎn)軸扭矩測試系統(tǒng)供電的方式尤為重要。非接觸感應(yīng)供電技術(shù)的發(fā)展為旋轉(zhuǎn)軸扭矩測試供電提供了新的方向。

非接觸感應(yīng)供電結(jié)合電子電力技術(shù)與電磁感應(yīng)耦合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了不通過物理連接或接觸進(jìn)行電能傳輸，克服了傳統(tǒng)供電方式存在的缺點(diǎn)與不足，從而保證了傳輸過程中的安全、可靠。相對于傳統(tǒng)的變壓器感應(yīng)供電，非接觸感應(yīng)供電屬于疏松耦合供電，通過采用原、副邊諧振補(bǔ)償技術(shù)并控制電源輸出電流頻率，不但提高了傳輸性能，同時(shí)降低了成本。

國外對該技術(shù)的研究始于20世紀(jì)70年代，目前已取得了一定的進(jìn)展，有關(guān)非接觸供電系統(tǒng)項(xiàng)目的開發(fā)研究仍在不斷進(jìn)行中，而國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究還是一片空白。

1 非接觸感應(yīng)供電系統(tǒng)構(gòu)成及原理

非接觸感應(yīng)供電系統(tǒng)利用電磁感應(yīng)原理通過非接觸的耦合方式實(shí)現(xiàn)能量傳遞，圖1給出了能量傳輸框圖。

系統(tǒng)通過逆變電路將直流電轉(zhuǎn)換為高頻等幅交流信號(hào)驅(qū)動(dòng)原邊繞組，使其在周圍一定范圍的空間內(nèi)產(chǎn)生磁場強(qiáng)度不大但高頻變化的電磁場。副邊繞組位于該電磁場中，副邊繞組磁通量的高頻變化使得副邊繞組中產(chǎn)生一定幅值的高頻感應(yīng)電動(dòng)勢，經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓可得到具有一定驅(qū)動(dòng)能力的直流電，為扭矩測試提供能量。感應(yīng)供電系統(tǒng)的原邊繞組和副邊繞組之間沒有任何直接的接觸，實(shí)現(xiàn)了電能的無線傳輸。

該供電系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的變壓器感應(yīng)能量傳輸系統(tǒng)，其原、副邊組之間耦合性能較差，處于松耦合狀態(tài)，漏感不能忽略不計(jì)，原、副邊繞組電壓不滿足繞組匝數(shù)比例關(guān)系。為了改善系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)功率傳輸能力，本文通過建立互感模型，對原、副邊繞組分別采用諧振補(bǔ)償技術(shù)。副邊補(bǔ)償能夠有效提高系統(tǒng)的傳輸功率，原邊補(bǔ)償能夠有效改善原邊的功率因數(shù)，降低對直流電源的視在功率要求。

1.1 非接觸感應(yīng)供電系統(tǒng)的互感模型

非接觸原、副邊繞組耦合的互感模型如圖2 所示，忽略原、副邊繞組的電阻。圖中，V-p、V-s 分別表示可非接觸感應(yīng)供電系統(tǒng)的原、副邊繞組電壓，Lp、Ls 分別表示原邊電感和副邊電感，M 表示原、副邊繞組的互感系數(shù)，ω 是逆變電流角頻率，原、副邊繞組電流I-Lp、I-Ls 參考方向如圖所示。jωMI-Lp 表示原邊繞組電流I-Lp 在副邊繞組上的感應(yīng)電壓，-jωMI-Ls 是副邊繞組電流I-Ls 在原邊繞組上的反映電壓。

1.2 原、副邊補(bǔ)償

1.2.1 副邊補(bǔ)償

在松耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中，如果副邊沒有補(bǔ)償電路，副邊繞組直接與電阻為R 的負(fù)載相連，則副邊輸出電壓Uo 、輸出電流Io 以及輸出功率Po 分別為：

由公式(3)~公式(6)可知，系統(tǒng)輸出電壓和電流隨負(fù)載大小的變化而變化，限制了功率輸出。為此，必須對副邊繞組進(jìn)行有效的補(bǔ)償設(shè)計(jì)，如圖3所示，基本的補(bǔ)償拓?fù)溆须娙荽?lián)補(bǔ)償和電容并聯(lián)補(bǔ)償兩種形式。

圖3(b)中，補(bǔ)償電容Cs 與副邊電感Ls 在諧振頻率處，副邊等效為一純電阻，輸出電壓與負(fù)載無關(guān)，等效于輸出電壓為副邊感應(yīng)電壓的恒壓源，圖3(d)給出了副邊串聯(lián)補(bǔ)償且處于諧振時(shí)的等效變換電路，V-oc 是副邊繞組感應(yīng)電壓。

實(shí)際工作時(shí)，副邊補(bǔ)償電路不一定處于完全諧振狀態(tài)，然而越接近諧振狀態(tài)，電路的輸出特性越好。

1.2.2 原邊補(bǔ)償

由于原邊電路電感參數(shù)比較大，系統(tǒng)工作在高頻下，必然要消耗大量的無功功率，從而導(dǎo)致原邊電路的功率因數(shù)較低。為了改善原邊功率因數(shù)，降低對供電電源的視在功率要求，需要采用原邊補(bǔ)償技術(shù)，最基本的原邊補(bǔ)償拓?fù)溆袃煞N--串聯(lián)補(bǔ)償和并聯(lián)補(bǔ)償。串聯(lián)補(bǔ)償時(shí)，串聯(lián)電容上的電壓降與原邊繞組的感抗壓降相抵消，降低了電壓要求;并聯(lián)補(bǔ)償時(shí)，流過并聯(lián)電容的電流補(bǔ)償了原邊繞組中電流的無功分量，從而降低了對供電電源的電流要求。如圖4所示。

由于副邊同樣存在兩種補(bǔ)償方式，因此，非接觸感應(yīng)供電系統(tǒng)的補(bǔ)償電路共四種：原邊串聯(lián)-副邊串聯(lián)補(bǔ)償(SS)，原邊串聯(lián)-副邊并聯(lián)補(bǔ)償(SP)，原邊并聯(lián)-副邊串聯(lián)補(bǔ)償(PS)，原邊并聯(lián)-副邊并聯(lián)補(bǔ)償(PP)。

當(dāng)原邊電路中的電感與電容組成諧振電路時(shí)，輸入電壓和電流同相位，電路的無功功率為零，視在功率最小，對供電電源的要求也最低。

在原邊串聯(lián)補(bǔ)償電路中，電源的負(fù)載阻抗為：

設(shè)計(jì)原邊補(bǔ)償電容時(shí)保證式(11)和(12)的虛部為零，系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)，可以有效降低電源的電壓電流定額，使得原邊電壓電流同相位，輸入具有高功率因數(shù)。

原、副線圈處于諧振時(shí)，原邊補(bǔ)償電容計(jì)算結(jié)果見表1.

1.3 頻率選擇

通過前文原、副邊補(bǔ)償以及互感模型可知，選擇系統(tǒng)工作頻率是非接觸感應(yīng)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步，從式(6)中可以看出，頻率越高，副邊感應(yīng)輸出的電壓越大，傳輸功率越高，因而非接觸供電系統(tǒng)宜采用高頻逆變系統(tǒng)。

然而逆變電路提供的交變電流頻率受限于目前電子器件技術(shù)水平和磁場發(fā)射相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，另一方面頻率的提高使得原、副邊互感繞組兩端的感應(yīng)電壓迅速提高，這將對逆變電路的開關(guān)管和副邊整流電路提出更高的要求。因此，應(yīng)該綜合考慮非接觸感應(yīng)供電的復(fù)雜程度、現(xiàn)場對系統(tǒng)的體積重量要求及系統(tǒng)成本等因素來選取系統(tǒng)工作頻率。通常，在低功耗供電時(shí)，選擇工作頻率處于10~100 kHz之間比較合理。隨著科技水平的不斷進(jìn)步，系統(tǒng)頻率可望進(jìn)一步提高，從而使得系統(tǒng)體積更小、重量更輕。

2 非接觸感應(yīng)供電技術(shù)在扭矩測試中的應(yīng)用

一個(gè)典型的無線扭矩測試系統(tǒng)應(yīng)該包括測量電路、信號(hào)放大電路、數(shù)據(jù)采集及無線傳輸模塊等部分。其中測量電路由應(yīng)變片搭建惠斯通電橋?qū)崿F(xiàn)扭矩物理信號(hào)和微弱電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換，信號(hào)放大電路由高性能運(yùn)算放大器搭成差動(dòng)放大電路組成，數(shù)據(jù)采集模塊將變化的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由無線數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送至固定在軸承座或箱體特定位置的接收裝置，接收裝置將接收的信號(hào)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)軸的扭矩值，從而完成對旋轉(zhuǎn)軸的扭矩測試。扭矩應(yīng)變片、信號(hào)放大電路、數(shù)據(jù)采集模塊和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的工作電壓一般為5~12 V,工作電流為10~100 mA,屬于低功耗模塊。

2.1 非接觸感應(yīng)供電模塊的電路設(shè)計(jì)

綜合考慮非接觸感應(yīng)供電模塊的復(fù)雜程度、體積、成本以及扭矩測試的工作電壓和工作電流需求，設(shè)計(jì)扭矩測試系統(tǒng)的非接觸供電模塊的原邊電路和副邊電路如圖5所示。

原、副邊繞組均設(shè)計(jì)為圓環(huán)，原邊繞組固定在支架上靜止不動(dòng)，副邊繞組隨軸旋轉(zhuǎn)，原、副邊繞組同軸且間隔一定距離，此種設(shè)計(jì)簡便可靠，在安裝時(shí)不需要破壞旋轉(zhuǎn)軸的物理結(jié)構(gòu)，原、副繞組的安裝方式如圖6 所示。原、副繞組之間沒有任何直接的接觸，因此實(shí)現(xiàn)了電能的非接觸傳輸。

非接觸供電模塊的體積大小對于系統(tǒng)安裝至關(guān)重要，體積越小越能滿足更多場合的需要，故選取芯片時(shí)在滿足功能要求的前提下選擇封裝小的高集成芯片，本系統(tǒng)采用XKT-408A 集成PWM 方波調(diào)制發(fā)生器芯片、T5336集成晶閘管芯片和T3168開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片。

原、副邊繞組可根據(jù)具體要求設(shè)計(jì)，這里設(shè)計(jì)原、副邊繞組匝數(shù)為30匝，繞組直徑為40 mm,繞組的電感量Ls = Lp = 25 μH.

XKT-408A 集成芯片產(chǎn)生67 kHz 的方波信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)T5336 集成晶閘管在原邊繞組中產(chǎn)生頻率為67 kHz 的高頻交變電流，副邊繞組感應(yīng)得到的交變電流經(jīng)過整流濾波穩(wěn)壓電路得到紋波很小的直流電。

為了確保負(fù)載能夠獲得穩(wěn)定的電流，副邊采用并聯(lián)補(bǔ)償;為了降低對電源電流的要求，原邊采用并聯(lián)補(bǔ)償。

由式(11)可計(jì)算得到副邊電路的補(bǔ)償電容，C1 =226 pF.

在根據(jù)表1中的PP架構(gòu)公式計(jì)算原邊電路的補(bǔ)償電容時(shí)，因公式中存在變量負(fù)載電阻R 和互感系數(shù)M,滿足原邊電路處于諧振的補(bǔ)償電容是一個(gè)變化值。對于扭矩測試，負(fù)載電阻為90~900 Ω，互感系數(shù)為0~ Lp Ls,計(jì)算原邊補(bǔ)償電容，C3 = 0~ 1 100 pF,為了使電路盡量處于諧振附近，這里取中間值，C3 = 550 pF.

副邊輸出電壓可按照扭矩測試系統(tǒng)的要求通過調(diào)節(jié)電阻R2 和R4 的阻值在5~12 V之間調(diào)節(jié)。

2.2 輸出特性分析

為了分析非接觸感應(yīng)供電模塊的輸出特性，本文測量了接入10~100 Ω范圍內(nèi)不同電阻時(shí)的輸出電壓結(jié)果。

表2為原、副繞組距離為5 mm,接入不同負(fù)載電阻時(shí)的輸出電壓。輸出電壓與負(fù)載電阻的關(guān)系如圖7所示。

由表2和圖7可知，本文設(shè)計(jì)的非接觸感應(yīng)供電模塊在供應(yīng)電壓為9 V時(shí)，最大可提供180 mA的電流，能夠充分滿足低能耗扭矩測試的需要。

3 結(jié)論

本文利用互感模型研究原、副邊補(bǔ)償，得出了原、副邊補(bǔ)償電容的計(jì)算方法，改善了副邊電路的輸出特性，提高了原邊電路的功率因數(shù);提高耦合頻率可提高傳輸功率，然而頻率的增大會(huì)使供電系統(tǒng)的體積和成本增加;本文設(shè)計(jì)的非接觸感應(yīng)供電模塊電路能夠在保證電壓穩(wěn)定的基礎(chǔ)上提供180 mA的電流，可滿足扭矩測試的供電需求。非接觸感應(yīng)供電技術(shù)研究及其在扭矩測試中的應(yīng)用將具有重要的理論研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值。