兼容感应加热与无线电能传输的多功能无线供能系统设计

这是一篇关于无线电能传输,感应加热,控制策略,频率跟踪,同步开关电容的论文, 主要内容为随着科技的发展以及生活水平的提高,人们也越来越追求厨房电器的便捷性、安全性以及舒适的使用感。因此,既能为锅具实现感应加热,又能为无尾厨电供电的多功能无线供能装置也应运而生。相比于传统电磁炉,多功能无线供能装置在降低成本、减小体积,提升厨房环境的整洁性等方面上,有着卓越的提升。在空间效率上,允许食物准备、烹饪和清洁都在同一表面进行,具有高灵活性,同时由于电源发射端嵌入在厨房台面上或安装在台面下,隐藏所有的电线,使得厨房更加美观。基于上述需求,本文设计了一种兼容感应加热与无线电能传输的多功能无线供能系统,既能为锅具实现感应加热功能,又能为厨房电器实现恒压供电。系统由发射端及接收端组成,其中发射端由直流电源、全桥逆变电路、控制电路、开关电容电路、串联补偿拓扑及发射线圈组成。系统接收端构成与工作模式相关:在感应加热模式下,系统接收端为锅具;在无线电能传输模式下,系统接收端由接收线圈、串联补偿拓扑、整流滤波电路以及负载组成。本文首先阐述了无线电能传输系统及感应加热系统基本工作原理,并且从耦合机构等效电路模型、谐振拓扑分析、逆变源等效电路分析、负载等效电路等角度进行了具体的分析。耦合机构等效电路的分析采用互感模型的分析方法;对逆变源采用基波分析法,即将逆变源的输出电压等效为其同频同相的正弦电压源;在谐振电路分析中,首先选择原边谐振回路,比较两种常见的低阶谐振拓扑——串联谐振拓扑、并联谐振拓扑,确定了针对于本设计的最优选择,即串联谐振拓扑。在无线电能传输系统的接收端拓扑选择上,选择适用于本系统的串联谐振拓扑。在最后分析了本系统在两种模式下的系统传输特性,并给出了具体分析过程。为了高效率地实现系统无线电能传输功能和感应加热功能,论文提出了一种PDM、频率跟踪及同步开关电容相结合的协同控制方法,实现双模融合下的一体化高效可靠的控制,并进行了具体的理论分析。在调谐控制策略中,采用频率跟踪及同步开关电容相结合的协同调谐策略;在调功控制策略中,设计改进型PDM调功策略,以弥补其他逆变调功方式的不足。根据上述理论支持,分别从系统硬件设计和系统软件设计两个方面给出了具体设计。在硬件设计方面,设计系统参数并进行器件选型,设计耦合机构、控制电路、逆变电路、检测电路、开关电容电路等。在软件设计方面,设计基于STM32f405单片机的软件系统实现以下功能:AD采样功能、系统调谐功能、改进型脉冲密度调制控制信号输出功能、闭环调节功能、过流保护功能等。最后对系统传输特性及控制策略进行了仿真验证,验证了设计的有效性。仿真结果表明系统可实现感应加热最高1000W可调功率传输,无线电能传输模式最高800W可调功率输出,200V恒压输出,系统传输效率为90%以上,系统在工作过程恒处于谐振状态。

兼容感应加热与无线电能传输的多功能无线供能系统设计

这是一篇关于无线电能传输,感应加热,控制策略,频率跟踪,同步开关电容的论文, 主要内容为随着科技的发展以及生活水平的提高,人们也越来越追求厨房电器的便捷性、安全性以及舒适的使用感。因此,既能为锅具实现感应加热,又能为无尾厨电供电的多功能无线供能装置也应运而生。相比于传统电磁炉,多功能无线供能装置在降低成本、减小体积,提升厨房环境的整洁性等方面上,有着卓越的提升。在空间效率上,允许食物准备、烹饪和清洁都在同一表面进行,具有高灵活性,同时由于电源发射端嵌入在厨房台面上或安装在台面下,隐藏所有的电线,使得厨房更加美观。基于上述需求,本文设计了一种兼容感应加热与无线电能传输的多功能无线供能系统,既能为锅具实现感应加热功能,又能为厨房电器实现恒压供电。系统由发射端及接收端组成,其中发射端由直流电源、全桥逆变电路、控制电路、开关电容电路、串联补偿拓扑及发射线圈组成。系统接收端构成与工作模式相关:在感应加热模式下,系统接收端为锅具;在无线电能传输模式下,系统接收端由接收线圈、串联补偿拓扑、整流滤波电路以及负载组成。本文首先阐述了无线电能传输系统及感应加热系统基本工作原理,并且从耦合机构等效电路模型、谐振拓扑分析、逆变源等效电路分析、负载等效电路等角度进行了具体的分析。耦合机构等效电路的分析采用互感模型的分析方法;对逆变源采用基波分析法,即将逆变源的输出电压等效为其同频同相的正弦电压源;在谐振电路分析中,首先选择原边谐振回路,比较两种常见的低阶谐振拓扑——串联谐振拓扑、并联谐振拓扑,确定了针对于本设计的最优选择,即串联谐振拓扑。在无线电能传输系统的接收端拓扑选择上,选择适用于本系统的串联谐振拓扑。在最后分析了本系统在两种模式下的系统传输特性,并给出了具体分析过程。为了高效率地实现系统无线电能传输功能和感应加热功能,论文提出了一种PDM、频率跟踪及同步开关电容相结合的协同控制方法,实现双模融合下的一体化高效可靠的控制,并进行了具体的理论分析。在调谐控制策略中,采用频率跟踪及同步开关电容相结合的协同调谐策略;在调功控制策略中,设计改进型PDM调功策略,以弥补其他逆变调功方式的不足。根据上述理论支持,分别从系统硬件设计和系统软件设计两个方面给出了具体设计。在硬件设计方面,设计系统参数并进行器件选型,设计耦合机构、控制电路、逆变电路、检测电路、开关电容电路等。在软件设计方面,设计基于STM32f405单片机的软件系统实现以下功能:AD采样功能、系统调谐功能、改进型脉冲密度调制控制信号输出功能、闭环调节功能、过流保护功能等。最后对系统传输特性及控制策略进行了仿真验证,验证了设计的有效性。仿真结果表明系统可实现感应加热最高1000W可调功率传输,无线电能传输模式最高800W可调功率输出,200V恒压输出,系统传输效率为90%以上,系统在工作过程恒处于谐振状态。

百瓦级无线充电系统研究与设计

这是一篇关于无线电能传输,磁耦合谐振式,频率失谐,频率跟踪,传输效率的论文, 主要内容为随着科学技术的发展,智能化水平越来越高,人们对于充电技术提出了更高的要求,无线电能传输技术凭借着其独有的充电特性,受到人们的喜爱。无线电能传输技术不受导线的束缚,使得该技术可以在更多的场合里得到应用,并且该技术在使用起来更加安全、灵活。本文针对各种中小功率用电设备,设计了一套百瓦级无线电能传输系统,并针对系统在运行过程中,存在系统参数变化、传输线圈偏移、负载变化等情况,这些因素都会使得系统的谐振频率点改变,致使整个系统工作在失谐状态下,降低了系统的传输效率,因此设计了一套频率跟踪控制系统,实现了系统的动态调谐,改善了系统的传输性能。本文的主要研究内容主要包括:(1)用分类的方式对微波式、激光式、电场耦合式、磁感应式和磁耦合谐振式进行了详细的介绍与对比,确定本文的研究目标为磁耦合谐振式。接着对系统各部分进行了介绍,并对两种基本谐振模型进行了系统的分析,得到了谐振时的电路参数及其条件,接着用电路理论模型的方法对四种基本谐振拓扑(串串型、串并型、并串型、并并型)进行对比研究,得出串串型拓扑结构发射端谐振电容大小在设计时更简单,系统更稳定,同等条件下串串型传输效率高,确定了本文的拓扑结构为串串型。接着对传输线圈偏移进行理论分析,得出互感M与线圈水平偏移、垂直偏移以及线圈之间的夹角的关系,随后对串串型谐振拓扑进行了失谐分析,得出系统的输入阻抗角与系统谐振的关系,即输入阻抗角为零时系统谐振,并对系统负载、发射端与接收端电感、电容大小发生变化时系统谐振频率与阻抗角的关系进行了分析,确定通过检测系统的阻抗角来实现对系统谐振状态的监测。(2)对无线电能传输系统进行设计,设计了高频逆变电路、带有电压箝位功能的IR2110S驱动电路、滤波整流电路、DC/DC电路、TLP250光耦驱动电路、电源电路,并对所用到的元器件进行选型;接下来对频率跟踪控制系统进行了设计,选用STM32F407作为控制芯片,并对ARM的开发环境以及开发流程进行了介绍,选择采用数字锁相环的频率跟踪方式对系统进行控制,并对其进行数学建模,在Matlab中对其数学模型进行阶跃仿真,并分析在不同PI参数下数字锁相环的性能,并确定出合适的PI参数,使得系统有良好的性能;最后对ARM控制单元、电流采样电路、比较器电路和保护电路进行设计,并且对各个电路进行了性能测试,满足系统的要求,完成了整个系统的设计,为搭建无线电能传输实验台做铺垫。(3)运用Matlab/Simulink搭建了基于锁相环频率跟踪控制的无线电能传输系统仿真模型,验证了频率跟踪控制方案的可行性;然后搭建了无线电能传输系统实验台,并给出系统的重要参数,接着对系统进行了驱动脉冲测试,结果显示驱动脉冲可达10V且边沿陡峭,可以满足系统要求;然后对系统进行了负载特性实验,得到了不同电压等级下负载变化对传输效率的影响,并得到该系统的最优负载电阻为16Ω;最后对系统分别进行了传输线圈水平、垂直、偏转角变化时的频率跟踪控制实验,实验结果表明,在系统传输线圈发生偏移后,系统可以很好的实现对谐振频率的跟踪,保持系统工作谐振状态,实验结果表明该频率跟踪控制系统具有很好的效果;接着对系统频率跟踪控制前后输出功率与传输效率进行了计算与分析,可以得知,在对系统运用了频率跟踪控制后,可以在一定程度上提升无线电能传输系统的性能。

基于STM32的超声洁牙机智能驱动控制系统的研究与应用

这是一篇关于超声洁牙机,STM32单片机,谐振,频率跟踪,智能调节的论文, 主要内容为超声洁牙机利用高频振荡的电信号,经压电陶瓷换能器转变为机械振动,激励工作头共振,从而将牙结石、牙渍等敲击下来实现洁牙。超声驱动控制系统作为超声洁牙机的核心部件,直接影响超声洁牙机的性能。目前,超声洁牙机在实际应用中普遍存在难以快速搜索到换能器谐振频率、长时间工作引起大功率器件温度升高导致谐振漂移、换能器输出功率不足等问题,为了解决上述问题,本文对基于STM32单片机的超声智能驱动控制系统进行了研究,其主要内容由三部分组成:(1)设计开发了超声智能驱动控制硬件系统,该系统以STM32单片机为控制中心,利用TL494构建高频振荡信号发生电路。设计通过半桥逆变功率放大电路对振荡信号进行功率放大,并使用压控调压电路对换能器输出功率进行调节。系统采用相位检测法实现谐振频率的自动跟踪,以及设计电感串联电路调谐换能器的阻抗匹配。此外,以触摸显示屏作为操作平台,设计了简洁明了的人机交互界面。(2)开发实现了超声智能驱动控制系统软件,主要包括:一是提出基于梯度上升法的快速搜频算法,实现对换能器谐振频率的搜索,提高了系统的响应速度;二是提出基于自适应PID的快速频率跟踪算法,实现对振荡电路输出频率的自动调节,达到频率跟踪目的;三是设计自动增量电压实现换能器输出功率的智能调节,提高工作效率。(3)搭建系统测试平台,对研制的驱动控制系统进行性能测试。本文主要对谐振频率搜索、频率自动跟踪以及换能器输出功率的自动调节等进行了测试分析,同时设计单因素对比测试,比较分析了与目前国内市面上主流品牌机型在搜频精度、温度控制以及洁治效果的性能差异。测试结果表明,本设计能快速搜索到频率范围在28KHz-35KHz的换能器谐振频率,搜频响应时间可达0.25ms,平均搜频误差在11Hz左右,并能够对谐振频率进行自动跟踪,使换能器长时间稳定工作且温度保持在39℃左右,同时智能调节换能器输出功率,提高用户操作效率,进一步证明了本设计具备良好的工作性能。

兼容感应加热与无线电能传输的多功能无线供能系统设计

这是一篇关于无线电能传输,感应加热,控制策略,频率跟踪,同步开关电容的论文, 主要内容为随着科技的发展以及生活水平的提高,人们也越来越追求厨房电器的便捷性、安全性以及舒适的使用感。因此,既能为锅具实现感应加热,又能为无尾厨电供电的多功能无线供能装置也应运而生。相比于传统电磁炉,多功能无线供能装置在降低成本、减小体积,提升厨房环境的整洁性等方面上,有着卓越的提升。在空间效率上,允许食物准备、烹饪和清洁都在同一表面进行,具有高灵活性,同时由于电源发射端嵌入在厨房台面上或安装在台面下,隐藏所有的电线,使得厨房更加美观。基于上述需求,本文设计了一种兼容感应加热与无线电能传输的多功能无线供能系统,既能为锅具实现感应加热功能,又能为厨房电器实现恒压供电。系统由发射端及接收端组成,其中发射端由直流电源、全桥逆变电路、控制电路、开关电容电路、串联补偿拓扑及发射线圈组成。系统接收端构成与工作模式相关:在感应加热模式下,系统接收端为锅具;在无线电能传输模式下,系统接收端由接收线圈、串联补偿拓扑、整流滤波电路以及负载组成。本文首先阐述了无线电能传输系统及感应加热系统基本工作原理,并且从耦合机构等效电路模型、谐振拓扑分析、逆变源等效电路分析、负载等效电路等角度进行了具体的分析。耦合机构等效电路的分析采用互感模型的分析方法;对逆变源采用基波分析法,即将逆变源的输出电压等效为其同频同相的正弦电压源;在谐振电路分析中,首先选择原边谐振回路,比较两种常见的低阶谐振拓扑——串联谐振拓扑、并联谐振拓扑,确定了针对于本设计的最优选择,即串联谐振拓扑。在无线电能传输系统的接收端拓扑选择上,选择适用于本系统的串联谐振拓扑。在最后分析了本系统在两种模式下的系统传输特性,并给出了具体分析过程。为了高效率地实现系统无线电能传输功能和感应加热功能,论文提出了一种PDM、频率跟踪及同步开关电容相结合的协同控制方法,实现双模融合下的一体化高效可靠的控制,并进行了具体的理论分析。在调谐控制策略中,采用频率跟踪及同步开关电容相结合的协同调谐策略;在调功控制策略中,设计改进型PDM调功策略,以弥补其他逆变调功方式的不足。根据上述理论支持,分别从系统硬件设计和系统软件设计两个方面给出了具体设计。在硬件设计方面,设计系统参数并进行器件选型,设计耦合机构、控制电路、逆变电路、检测电路、开关电容电路等。在软件设计方面,设计基于STM32f405单片机的软件系统实现以下功能:AD采样功能、系统调谐功能、改进型脉冲密度调制控制信号输出功能、闭环调节功能、过流保护功能等。最后对系统传输特性及控制策略进行了仿真验证,验证了设计的有效性。仿真结果表明系统可实现感应加热最高1000W可调功率传输,无线电能传输模式最高800W可调功率输出,200V恒压输出,系统传输效率为90%以上,系统在工作过程恒处于谐振状态。

百瓦级无线充电系统研究与设计

这是一篇关于无线电能传输,磁耦合谐振式,频率失谐,频率跟踪,传输效率的论文, 主要内容为随着科学技术的发展,智能化水平越来越高,人们对于充电技术提出了更高的要求,无线电能传输技术凭借着其独有的充电特性,受到人们的喜爱。无线电能传输技术不受导线的束缚,使得该技术可以在更多的场合里得到应用,并且该技术在使用起来更加安全、灵活。本文针对各种中小功率用电设备,设计了一套百瓦级无线电能传输系统,并针对系统在运行过程中,存在系统参数变化、传输线圈偏移、负载变化等情况,这些因素都会使得系统的谐振频率点改变,致使整个系统工作在失谐状态下,降低了系统的传输效率,因此设计了一套频率跟踪控制系统,实现了系统的动态调谐,改善了系统的传输性能。本文的主要研究内容主要包括:(1)用分类的方式对微波式、激光式、电场耦合式、磁感应式和磁耦合谐振式进行了详细的介绍与对比,确定本文的研究目标为磁耦合谐振式。接着对系统各部分进行了介绍,并对两种基本谐振模型进行了系统的分析,得到了谐振时的电路参数及其条件,接着用电路理论模型的方法对四种基本谐振拓扑(串串型、串并型、并串型、并并型)进行对比研究,得出串串型拓扑结构发射端谐振电容大小在设计时更简单,系统更稳定,同等条件下串串型传输效率高,确定了本文的拓扑结构为串串型。接着对传输线圈偏移进行理论分析,得出互感M与线圈水平偏移、垂直偏移以及线圈之间的夹角的关系,随后对串串型谐振拓扑进行了失谐分析,得出系统的输入阻抗角与系统谐振的关系,即输入阻抗角为零时系统谐振,并对系统负载、发射端与接收端电感、电容大小发生变化时系统谐振频率与阻抗角的关系进行了分析,确定通过检测系统的阻抗角来实现对系统谐振状态的监测。(2)对无线电能传输系统进行设计,设计了高频逆变电路、带有电压箝位功能的IR2110S驱动电路、滤波整流电路、DC/DC电路、TLP250光耦驱动电路、电源电路,并对所用到的元器件进行选型;接下来对频率跟踪控制系统进行了设计,选用STM32F407作为控制芯片,并对ARM的开发环境以及开发流程进行了介绍,选择采用数字锁相环的频率跟踪方式对系统进行控制,并对其进行数学建模,在Matlab中对其数学模型进行阶跃仿真,并分析在不同PI参数下数字锁相环的性能,并确定出合适的PI参数,使得系统有良好的性能;最后对ARM控制单元、电流采样电路、比较器电路和保护电路进行设计,并且对各个电路进行了性能测试,满足系统的要求,完成了整个系统的设计,为搭建无线电能传输实验台做铺垫。(3)运用Matlab/Simulink搭建了基于锁相环频率跟踪控制的无线电能传输系统仿真模型,验证了频率跟踪控制方案的可行性;然后搭建了无线电能传输系统实验台,并给出系统的重要参数,接着对系统进行了驱动脉冲测试,结果显示驱动脉冲可达10V且边沿陡峭,可以满足系统要求;然后对系统进行了负载特性实验,得到了不同电压等级下负载变化对传输效率的影响,并得到该系统的最优负载电阻为16Ω;最后对系统分别进行了传输线圈水平、垂直、偏转角变化时的频率跟踪控制实验,实验结果表明,在系统传输线圈发生偏移后,系统可以很好的实现对谐振频率的跟踪,保持系统工作谐振状态,实验结果表明该频率跟踪控制系统具有很好的效果;接着对系统频率跟踪控制前后输出功率与传输效率进行了计算与分析,可以得知,在对系统运用了频率跟踪控制后,可以在一定程度上提升无线电能传输系统的性能。

百瓦级无线充电系统研究与设计

这是一篇关于无线电能传输,磁耦合谐振式,频率失谐,频率跟踪,传输效率的论文, 主要内容为随着科学技术的发展,智能化水平越来越高,人们对于充电技术提出了更高的要求,无线电能传输技术凭借着其独有的充电特性,受到人们的喜爱。无线电能传输技术不受导线的束缚,使得该技术可以在更多的场合里得到应用,并且该技术在使用起来更加安全、灵活。本文针对各种中小功率用电设备,设计了一套百瓦级无线电能传输系统,并针对系统在运行过程中,存在系统参数变化、传输线圈偏移、负载变化等情况,这些因素都会使得系统的谐振频率点改变,致使整个系统工作在失谐状态下,降低了系统的传输效率,因此设计了一套频率跟踪控制系统,实现了系统的动态调谐,改善了系统的传输性能。本文的主要研究内容主要包括:(1)用分类的方式对微波式、激光式、电场耦合式、磁感应式和磁耦合谐振式进行了详细的介绍与对比,确定本文的研究目标为磁耦合谐振式。接着对系统各部分进行了介绍,并对两种基本谐振模型进行了系统的分析,得到了谐振时的电路参数及其条件,接着用电路理论模型的方法对四种基本谐振拓扑(串串型、串并型、并串型、并并型)进行对比研究,得出串串型拓扑结构发射端谐振电容大小在设计时更简单,系统更稳定,同等条件下串串型传输效率高,确定了本文的拓扑结构为串串型。接着对传输线圈偏移进行理论分析,得出互感M与线圈水平偏移、垂直偏移以及线圈之间的夹角的关系,随后对串串型谐振拓扑进行了失谐分析,得出系统的输入阻抗角与系统谐振的关系,即输入阻抗角为零时系统谐振,并对系统负载、发射端与接收端电感、电容大小发生变化时系统谐振频率与阻抗角的关系进行了分析,确定通过检测系统的阻抗角来实现对系统谐振状态的监测。(2)对无线电能传输系统进行设计,设计了高频逆变电路、带有电压箝位功能的IR2110S驱动电路、滤波整流电路、DC/DC电路、TLP250光耦驱动电路、电源电路,并对所用到的元器件进行选型;接下来对频率跟踪控制系统进行了设计,选用STM32F407作为控制芯片,并对ARM的开发环境以及开发流程进行了介绍,选择采用数字锁相环的频率跟踪方式对系统进行控制,并对其进行数学建模,在Matlab中对其数学模型进行阶跃仿真,并分析在不同PI参数下数字锁相环的性能,并确定出合适的PI参数,使得系统有良好的性能;最后对ARM控制单元、电流采样电路、比较器电路和保护电路进行设计,并且对各个电路进行了性能测试,满足系统的要求,完成了整个系统的设计,为搭建无线电能传输实验台做铺垫。(3)运用Matlab/Simulink搭建了基于锁相环频率跟踪控制的无线电能传输系统仿真模型,验证了频率跟踪控制方案的可行性;然后搭建了无线电能传输系统实验台,并给出系统的重要参数,接着对系统进行了驱动脉冲测试,结果显示驱动脉冲可达10V且边沿陡峭,可以满足系统要求;然后对系统进行了负载特性实验,得到了不同电压等级下负载变化对传输效率的影响,并得到该系统的最优负载电阻为16Ω;最后对系统分别进行了传输线圈水平、垂直、偏转角变化时的频率跟踪控制实验,实验结果表明,在系统传输线圈发生偏移后,系统可以很好的实现对谐振频率的跟踪,保持系统工作谐振状态,实验结果表明该频率跟踪控制系统具有很好的效果;接着对系统频率跟踪控制前后输出功率与传输效率进行了计算与分析,可以得知,在对系统运用了频率跟踪控制后,可以在一定程度上提升无线电能传输系统的性能。