非對(duì)稱線圈諧振式無線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

楊瑞東 楊俊卿 孫博

摘 ?要： 動(dòng)物機(jī)器人神經(jīng)刺激器使用微型電池供電，較小的電池容量限制了刺激器的工作時(shí)長，為能使刺激器持續(xù)工作，文中提出一種基于無線充電的供電方案。為減小接收線圈的重量和尺寸對(duì)動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的影響，需要選擇較小的尺寸，同時(shí)要保障足夠的傳輸功率，因此提出并設(shè)計(jì)了基于非對(duì)稱諧振線圈的無線充電方案。首先，基于電路理論和無線電能傳輸系統(tǒng)的電路模型，分析無線電能傳輸系統(tǒng)傳輸特性;然后，基于Matlab分析線圈匝數(shù)和線圈半徑對(duì)傳輸性能的影響，并通過HFSS探明了非對(duì)稱諧振線圈情況下傳輸距離與磁場(chǎng)的空間分布的關(guān)系;最后，建立一套基于磁耦合諧振的非對(duì)稱無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，理論數(shù)據(jù)、模擬數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，此方案既能滿足接收線圈尺寸小的要求，又能抑制頻率分裂，提高傳輸功率和效率，完全適用于動(dòng)物機(jī)器人神經(jīng)刺激器的無線電能傳輸。

關(guān)鍵詞： 充電系統(tǒng); 動(dòng)物機(jī)器人; 無線電能傳輸; 非對(duì)稱諧振線圈; 頻率分裂; 傳輸效率; HFSS仿真

中圖分類號(hào)： TN915?34; TM724 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）12?0094?06

Abstract： The nerve stimulator of the animal robot is powered by the micro?battery， and the small capacity of the battery limits the working time of the stimulator. Therefore， a power supply scheme based on wireless charging is proposed in this paper to make the stimulator work continuously. Since it is necessary to select a small size receiving coil to reduce the influence of the weight and size of the receiving coil on animal motion， and sufficient transmission power needs to be ensured， a wireless power charging scheme based on the asymmetric resonant coil is proposed and designed. The transmission features of the wireless power energy transmission system are analyzed based on the circuit theory and circuit model of the wireless power energy transmission system. The influences of coil turns and radius on the transmission performance are analyzed with the Matlab. The relationship between the transmission distance and the spatial distribution of the magnetic field in the case of asymmetric resonant coil is explored by using the HFSS. An asymmetric wireless power energy transmission experimental platform based on the magnetic coupling resonance is established， and verified by the experiment. The experimental results show that the theoretical data， simulation data and experimental data are in good agreement; the scheme can not only meet the small size receiving coil requirement， but also suppress frequency splitting and improve the transmission power and efficiency， which is fully applicable to the wireless power energy transmission for the nerve stimulator of the animal robot.

Keywords： power charging system; animal robot; wireless power energy transmission; asymmetric resonant coil; frequency splitting; transmission efficiency; HFSS simulation

0 ?引 ?言

動(dòng)物機(jī)器人的原理是利用電信號(hào)刺激動(dòng)物特定的神經(jīng)位點(diǎn)，從而控制活體動(dòng)物按照人的要求運(yùn)動(dòng)，因?yàn)槠洳倏氐谋倔w是動(dòng)物本身，所以被稱作動(dòng)物機(jī)器人[1]。圖1所示為動(dòng)物機(jī)器人大鼠。動(dòng)物機(jī)器人的神經(jīng)刺激器安置在動(dòng)物身上。為擺脫電線對(duì)動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的束縛，神經(jīng)刺激器工作于無線遙控方式，因此，整個(gè)刺激器利用電池供電。如果使用大電池，會(huì)增加動(dòng)物的負(fù)重，影響控制效果;如果使用小電池，電能容量有限，更換較為頻繁，每次更換都要中斷實(shí)驗(yàn)過程，并且更換過程中的外界因素會(huì)使動(dòng)物的情緒產(chǎn)生波動(dòng)，破壞實(shí)驗(yàn)過程的連續(xù)性，在一定程度上影響了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的客觀性和一致性，為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析帶來干擾。為了在使用小容量電池的同時(shí)又不頻繁地更換電池，本文提出一種邊刺激邊為電池?zé)o線充電的電能傳輸方案。無線電能傳輸（Wireless Power Transfer，WPT）可以在互不接觸的發(fā)射端和接收端之間傳輸電能，這符合動(dòng)物機(jī)器人自由運(yùn)動(dòng)的要求。然而，動(dòng)物機(jī)器人神經(jīng)刺激器無線電能傳輸不同于一般的電子設(shè)備的無線電能傳輸方案。它對(duì)接收線圈的尺寸有特殊要求，主要原因是動(dòng)物機(jī)器人的神經(jīng)刺激器安裝于動(dòng)物身上，接收線圈與刺激器相連，為減小接收線圈的重量和尺寸對(duì)動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的影響，需要選擇較小尺寸的接收線圈。

圖1 ?動(dòng)物機(jī)器人大鼠

為使無線電能傳輸系統(tǒng)獲得高的傳輸效率，需要保持無線電能傳輸系統(tǒng)工作在臨界耦合的狀態(tài)下。隨著兩線圈之間距離的變化，系統(tǒng)可能從臨界耦合狀態(tài)變?yōu)檫^耦合狀態(tài)，從而出現(xiàn)頻率分裂現(xiàn)象，導(dǎo)致傳輸效率降低。為了提高系統(tǒng)的傳輸效率，必須抑制頻率分裂的發(fā)生。抑制頻率分裂有如下多種方法：采用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)來調(diào)整等效負(fù)載電阻的方法[2];通過測(cè)量和比較接收端和發(fā)射端的功率來調(diào)整諧振頻率的方法[3];調(diào)整四線圈結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中各線圈之間的距離改變耦合系數(shù)來抑制頻率分裂的方法[4];使用自適應(yīng)匹配網(wǎng)絡(luò)抑制頻率分裂的方法[5];利用一套由兩組線圈組成的特殊發(fā)射線圈減緩耦合系數(shù)的變化，從而抑制頻率分裂的方法[6]。

本文提出一種基于非對(duì)稱諧振線圈的無線電能傳輸?shù)姆桨竵硪种祁l率分裂和提高傳輸效率。首先，基于Matlab分析了線圈匝數(shù)和線圈半徑對(duì)傳輸性能的影響;其次，利用HFSS仿真工具探明了傳輸距離和磁場(chǎng)空間分布之間的關(guān)系;最后，建立一套基于磁耦合諧振的非對(duì)稱WPT系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明理論數(shù)據(jù)、模擬數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。最終結(jié)果表明此方案既能滿足接收線圈尺寸小的要求，又能抑制頻率分裂，提高傳輸功率和效率，可以應(yīng)用于動(dòng)物機(jī)器人神經(jīng)刺激器的無線電能傳輸。

1 ?系統(tǒng)建模和分析

1.1 ?建立電路模型

磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)一般可分為兩線圈結(jié)構(gòu)和多線圈結(jié)構(gòu)，為便于分析，本文采用兩線圈結(jié)構(gòu)，電路模型見圖2。其中：U1為發(fā)射端所連接的激勵(lì)電壓;R1，R2分別為發(fā)射端和接收端的內(nèi)阻;L1，L2分別為發(fā)射線圈和接收線圈的電感;C1，C2為發(fā)射端和接收端的諧振電容;RL為負(fù)載;M為發(fā)射和接收線圈間的互感。

圖2 ?無線電能傳輸系統(tǒng)電路模型

對(duì)于確定的RL，傳輸效率是關(guān)于線圈的耦合系數(shù)、線圈品質(zhì)因數(shù)的函數(shù)f（Q1，Q2，K）。通過函數(shù)關(guān)系可得出最佳的線圈參數(shù)，從而獲得最佳傳輸性能。

2 ?仿真分析

2.1 ?線圈匝數(shù)對(duì)傳輸性能的影響

由第1節(jié)的理論分析可知，傳輸效率的大小由線圈的耦合系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)共同決定，而線圈的匝數(shù)直接決定了線圈的品質(zhì)因數(shù)以及耦合系數(shù)，所以最優(yōu)的傳輸效率可以通過選擇合適匝數(shù)的線圈得到。因此，通過研究線圈的匝數(shù)和系統(tǒng)傳輸效率之間的關(guān)系，可以合理地設(shè)計(jì)系統(tǒng)的耦合機(jī)構(gòu)。

選擇用截面半徑為1 mm和0.5 mm的聚氨酯純銅漆包線分別繞制成發(fā)射線圈和接收線圈，設(shè)定發(fā)射線圈和接收線圈的形狀均為半徑r=10 cm的圓形，傳輸距離d=15 cm，發(fā)射線圈和接收線圈的匝數(shù)分別為N1，N2，仿真時(shí)的匝數(shù)起始于5匝，終止于20匝，其仿真的步長為1匝，對(duì)其進(jìn)行有限元的仿真。圖3為傳輸效率隨線圈匝數(shù)變化的關(guān)系。

觀察圖3可知，發(fā)射線圈的匝數(shù)對(duì)傳輸效率的影響比較小，可以忽略不計(jì)。接收線圈匝數(shù)對(duì)傳輸效率影響較大，隨著接收線圈匝數(shù)的增加，傳輸效率先增大后減小，接收線圈匝數(shù)為15匝時(shí)，傳輸效率最高。

圖3 ?傳輸效率隨線圈匝數(shù)變化的關(guān)系

2.2 ?線圈半徑對(duì)傳輸性能的影響

在兩個(gè)線圈的距離逐漸接近時(shí)，電能傳輸會(huì)發(fā)生頻率分裂的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致傳輸效率的下降，此時(shí)兩線圈處于過耦合的狀態(tài)，可以通過耦合因數(shù)θ的大小來判斷線圈是否處于過耦合狀態(tài)。當(dāng)θ>1時(shí)，稱之為過耦合;當(dāng)θ=1時(shí)，稱之為臨界耦合;當(dāng)θ<1時(shí)，稱之為欠耦合。耦合因數(shù)定義為：

根據(jù)第2.1節(jié)中的仿真數(shù)據(jù)，選擇N1=8，N2=15，r1=10 cm，進(jìn)行有限元的仿真，得出如圖4所示的傳輸距離d、接收線圈半徑r2和耦合因數(shù)θ的關(guān)系。

圖4中，接收線圈的半徑不變時(shí)，耦合因數(shù)隨傳輸距離的減小而增大;接收線圈的半徑越小，耦合因數(shù)增大的速度越慢。因?yàn)棣?1時(shí)，會(huì)出現(xiàn)頻率分裂，所以為了抑制耦合因數(shù)的快速增大，可以選擇較小半徑的接收線圈。由此可知，接收線圈半徑較小的不對(duì)稱線圈結(jié)構(gòu)可以有效地抑制頻率分裂。

2.3 ?基于磁場(chǎng)分布的HFSS仿真

為了進(jìn)一步驗(yàn)證，對(duì)其進(jìn)行HFSS仿真。首先仿真得出如圖5所示的電能傳輸系統(tǒng)工作時(shí)的平面磁場(chǎng)分布圖。圖中藍(lán)色表示磁場(chǎng)強(qiáng)度最小，紅色表示磁場(chǎng)強(qiáng)度最大，所以由圖5可知，隨著距離的增加，磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減小。然后，再進(jìn)一步對(duì)電能傳輸系統(tǒng)的磁場(chǎng)增益進(jìn)行仿真，得出如圖6所示的三維磁場(chǎng)增益圖。觀察圖6可得，在線圈軸向方向（沿y軸方向）系統(tǒng)的磁場(chǎng)增益最大，說明沿軸向方向電能的傳輸性能最好。

圖4 ?傳輸距離、接收線圈半徑和耦合因數(shù)[θ]的關(guān)系

圖5 ?平面磁場(chǎng)分布圖

圖6 ?三維磁場(chǎng)增益圖

為了更加直觀地觀察在軸向方向上的磁場(chǎng)增益，進(jìn)一步仿真得出圖7所示的二維磁場(chǎng)增益圖，表示在不同的軸向傳輸距離下的二維磁場(chǎng)增益。

根據(jù)圖7可以繪制出圖8所示的傳輸距離和磁場(chǎng)增益關(guān)系圖。觀察圖8可知，隨著傳輸距離的增大，磁場(chǎng)增益都會(huì)先增大后減小。這是因?yàn)榻嚯x電能傳輸時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的頻率分裂，所以磁場(chǎng)增益較小，隨著距離的增加，頻率分裂消失，磁場(chǎng)增益會(huì)逐漸增大，然而當(dāng)傳輸距離太大時(shí)，線圈間的耦合系數(shù)會(huì)減小，導(dǎo)致磁場(chǎng)增益減小。同時(shí)磁場(chǎng)增益在線圈近距離傳輸時(shí)也保持較高的數(shù)值（大于1 dB），由此可以證明非對(duì)稱線圈可以使磁場(chǎng)的增益在近距離傳輸時(shí)保持較高的值，從而使接收端的感應(yīng)電壓較高，系統(tǒng)的傳輸功率較大。

圖7 ?非對(duì)稱線圈在不同傳輸距離下的磁場(chǎng)增益圖

圖8 ?非對(duì)稱線圈下傳輸距離和磁場(chǎng)增益關(guān)系圖

通過仿真分析可知：發(fā)射線圈的匝數(shù)對(duì)傳輸效率影響很小，負(fù)載確定的情況下，可以通過改變接收線圈的匝數(shù)來提高傳輸效率，為了在近距離傳輸時(shí)抑制頻率分裂，可以采用半徑較小的接收線圈。同時(shí)半徑較小的接收線圈的非對(duì)稱線圈結(jié)構(gòu)也可使近距離傳輸時(shí)的磁場(chǎng)增益保持較高的值，使近距離傳輸時(shí)達(dá)到較高的傳輸功率。

3 ?實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 ?實(shí)驗(yàn)裝置

為了驗(yàn)證理論的正確性，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖9所示。該系統(tǒng)包括逆變電源、發(fā)射裝置、接收裝置、穩(wěn)壓模塊和負(fù)載。發(fā)射電路采用單E類高頻逆變電源電路，發(fā)射線圈采用線徑為2 mm的漆包線，繞制成直徑20 cm的多匝線圈，匝數(shù)為8;接收線圈采用線徑為1 mm漆包線，繞制成直徑8 cm的多匝線圈，匝數(shù)為15。接收回路采用全橋整流電路進(jìn)行整流，然后并聯(lián)一個(gè)大電容進(jìn)行濾波。為了進(jìn)行比較，再繞制一個(gè)與發(fā)射線圈相同的線圈作為比較線圈。各線圈參數(shù)如表1所示。

圖9 ?無線電能傳輸系統(tǒng)

表1 ?各線圈參數(shù)

3.2 ?驗(yàn)證比較

將線圈接入電路進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，固定發(fā)射端的電壓為5 V，電流為1 A，多次改變傳輸距離，分別測(cè)量不同傳輸距離下的接收端的電壓和電流，然后計(jì)算出傳輸效率，結(jié)果如表2所示。

表2 ?不同距離的傳輸效率

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)繪制距離與傳輸效率關(guān)系圖，把兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀的比較，如圖10所示。由圖10可知，當(dāng)系統(tǒng)近距離傳輸時(shí)，不對(duì)稱線圈有效地抑制了頻率分裂，使傳輸效率相比使用對(duì)稱線圈時(shí)提高了接近1倍;但是中距離傳輸時(shí)，使用不對(duì)稱線圈時(shí)的傳輸效率略低于使用對(duì)稱線圈時(shí)的傳輸效率。

圖10 ?傳輸效率隨距離變化的關(guān)系

3.3 ?驗(yàn)證結(jié)果

由以上實(shí)驗(yàn)可知，不對(duì)稱的線圈可以有效地抑制頻率分裂，提高近距離的電能傳輸?shù)男?。將?shí)驗(yàn)結(jié)果與理論數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果如圖11所示。

圖11 ?理論、仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由圖11可知，理論數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)基本一致，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上傳輸效率都略低于理論數(shù)據(jù)，但是整體趨勢(shì)是相同的，這是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)中產(chǎn)生了各種消耗以及外界的干擾。要消除干擾和減少消耗是需要進(jìn)一步考慮的問題。

4 ?結(jié) ?論

本文以動(dòng)物機(jī)器人神經(jīng)刺激器的無線充電為背景，提出一種使用非對(duì)稱諧振線圈的無線充電方案。此方案采用具有較大尺寸發(fā)射線圈和較小尺寸接收線圈的非對(duì)稱線圈結(jié)構(gòu)，小尺寸的接收線圈可以有效地減輕動(dòng)物機(jī)器人的負(fù)重，從而減小對(duì)動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的不利影響。本文在理論分析和仿真驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一套基于磁耦合諧振的非對(duì)稱無線電能傳輸系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)既能滿足接收線圈尺寸小的要求，又能抑制頻率分裂，提高傳輸功率和效率，從而驗(yàn)證了非對(duì)稱諧振線圈無線電能傳輸為動(dòng)物機(jī)器人神經(jīng)刺激器無線充電的可行性。

注：本文通訊作者為楊俊卿。

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