高頻信號采集系統在高速列車無線供電技術中的應用

張 欣 李連鶴 楊慶新 張 獻 蘇 杭

（天津工業大學天津市電工電能新技術重點實驗室 天津 300387）

1 引言

電力列車在低速運行狀態下，受電弓滑板與接觸網導線之間的接觸相對平穩，通常能夠正常受流。然而在高速運行狀態下，弓網關系將受到摩擦、離線、振動、電弧和環境等多方面挑戰，持續穩定的高速受流問題亟待解決。因此，研究高速列車無線供電技術具有十分重要的意義[1]。本文分析了無線供電技術的發展現狀，尤其對無線供電的效率進行了分析，指出了提高效率需要解決的關鍵問題，并提出可行性方案。

2 無線供電技術及其發展

隨著第二次工業革命的到來我們進入了電氣化的時代。全球各地的用電設備、高壓線、電網、電線等電能的傳送主要通過金屬的導線直接接觸式的傳輸。這種接觸式的傳輸方式逐漸有很多問題暴露出來，老化、摩擦、能量在傳輸的過程中經常出現火花，存在用電安全隱患以及影響用電設備的壽命[2]。另外，傳統的有線供電方式已經不能滿足時代的發展，不再滿足一些特殊應用場合的需求，如水中、礦井和深海等[3]。除此之外，植入人體內的醫療產品等的供電也越來越顯現出缺陷。這些問題和不足，預示著一個無金屬線的無線供電模式的興起，即無線供電技術。無線供電的成功實現將使人類的生活發生歷史性的變化。

早在19 世紀中后期，無線電能傳輸的概念就被著名的特斯拉提出，并獲得了專利[4]，為后來無線電能傳輸技術的發展繪制了美好的藍圖和奠定了一定的研究基礎。

隨后伴隨著電磁波理論的發展，出現了微波、激光式的無線電能傳輸技術。到目前為止，利用微波傳輸電能已經可以實現大功率、遠距離的功率傳輸[5]，激光作為一種新型的無線能量傳輸方式也被用來實現大功率遠距離的能量傳輸。新西蘭奧克蘭大學在20 世紀90年代初開始進行感應耦合方法的研究，在理論原理與工程應用技術都取得了顯著成果[6]，實現了國家地熱公園載人游覽車的無線供電試驗系統[7]。但感應式無線電能傳輸技術對磁路的設計要求比較苛刻，傳輸距離較低一般為厘米以下，導致該技術在大功率無線能量傳輸的應用中具有很大的局限性。2007年MIT 的科學家利用磁場的諧振方式，通過構建兩個半徑為30cm 的發射和接收諧振器線圈，在1.9m 之外成功點亮了60W 的燈泡[8]，成功開辟了無線電能傳輸技術的一個新方向，該方式彌補了感應式非接觸無線電能傳輸技術傳輸距離短的缺陷，該技術的提出將無線電能傳輸技術推到一個新的研究高度。

在國內，文獻[9]研究了生物體體內植入器件的無線電能傳輸系統的效率。一些科研團隊研究了大功率感應耦合電能傳輸技術，自主研發了多向拾取機構、交直交變換器及適合大功率逆變的控制算法[10]。文獻[11]對耦合機構設計及不同補償時頻率特性等進行了深入分析。總的來說，無線供電技術的研究與發展在國內還處于初步階段。在不久的將來，無線供電技術將廣泛應用于社會的各個領域，促進社會生產力的發展。

3 高速列車無線供電的需求前景及面臨的問題

近年來，我國高速鐵路取得了迅猛發展。截至2013年年底，中國高鐵客運專線達1 1028 公里，超過了世界上其他國家高鐵運營里程總和，居全球首位。在列車運行過程中主要通過弓網系統獲取電能，受電弓安裝在車頂，高鐵列車通過受電弓滑板與接觸網導線接觸，在靜止或滑動狀態下獲取電能。電力列車在低速運行狀態下，受電弓滑板與接觸網導線之間的接觸相對平穩，通常能夠正常受流。然而在高速運行狀態下，弓網關系將受到摩擦、離線、振動、電弧和環境等多方面挑戰，持續穩定的高速受流問題亟待解決。

無線供電技術能很好地解決這一問題，該方式代替受電弓與接觸網滑動取電的傳統方式，允許存在數十厘米的工作間隙，提高了絕緣強度，避免了弓網電弧頻繁出現及高速移動時材料磨損等諸多問題，從而顯著提高受流質量。

當前，國內的相關科研院所研究動態下的無線供電技術還比較少，動態下的無線供電功率、效率不易把握，傳輸距離不定、負載有功功率波動較大、外界干擾波動較大等問題，這都是研究高速列車無線供電技術的難點。

4 無接觸式傳能系統的效率分析

在無線供電過程中，受到外界障礙物（如導磁性物體等）干擾、接收端負載和電路工作溫度變化等情況下發射與接收系統的諧振頻率會發生偏移；當傳輸距離發生變化或角度發生偏移等情況下發射與接收系統的諧振頻率會發生分裂。這種由于各方面的影響使諧振頻率發生變化稱為失調，失調發生時傳能效率會大幅下降，因此提高系統共振頻率的魯棒性、研究頻率追蹤是無線供電技術的關鍵。

諧振頻率是影響系統傳輸效率的一個主要因素。文獻[12]通過諧振頻率跟蹤與控制方法實現了自諧振線圈最大效率的獲取。文獻[13]提出了一種基于頻率分段的效率控制方法，通過在不同傳輸距離段采用不同的諧振頻率，來實現傳輸效率的穩定。文獻[14]利用相控電感來實現諧振頻率調節，從而達到傳輸效率穩定控制的目的。

因為諧振頻率的測量存在很大困難，對高頻（100kHz 以上）頻段，數字化的頻率追蹤的應用還十分的少。當前，頻率追蹤方法大多由硬件實現，但是硬件實現頻率追蹤越來越呈現出其缺點，硬件電路在不同的頻率段工作時需要不同的濾波網絡參數，死區時間需要輔助電路實現，跟蹤范圍窄；硬件電路復雜、成本高；元件容易老化、零漂，使用壽命短；維護困難；實時性差精度不夠等缺點。

本文主要提出一種實時數字化檢測頻率的方法，提出了一種ARM+FPGA 架構的高頻信號采集方案。此方案能夠實時采集無線供電的高頻信號，此方案已應用于高速列車無線供電模型中，并且在高速列車負載波動變化的情況下對功率進行補償控制。應用此方案在數字化頻率追蹤技術中將簡化無線供電電源電路，亦可將數據保存下來，有利于大數據的分析，對于分析無線供電的功率、效率等具有十分方便、高效、不可估量的作用。

4 本文研究內容

4.1 高速列車無線供電系統

本課題首次提出應用磁場耦合諧振式無線供電技術應用于高速列車，圖1為本課題高速列車無線供電系統動態實物模型。磁場耦合諧振無線供電技術是感應式無線供電技術上融合了諧振技術。傳遞能量的兩個線圈是空心線圈，線圈的耦合屬于松耦合，耦合系數很小。在某一頻率下，通過對兩個能量傳輸的線圈進行并聯或者串聯電容進行補償，使得空間上兩個分離的線圈都同時產生諧振，兩個相同諧振頻率的諧振物體間能產生更強的耦合，從而使得能量在兩個諧振線圈之間更高效的傳遞。磁場耦合諧振無線供電技術可以滿足接收端與發射端存在相對速度情況下高效、穩定、安全的無線供電。

圖1 高速列車無線供電系統模型Fig.1 Physical diagram of wireless power transmission technology in high speed train system

圖2為高速列車無線供電模型的示意圖。由于列車本身沿固定路線運動，有自己獨立的供電線路，該課題采用懸掛式發射線圈技術，發射線圈懸空架設在軌道及列車的上空，布滿整個軌道，避免了對軌道鋪設的復雜要求。本課題對列車的位置進行全程定位，獲得了列車的位置后對發送線圈進行分段分時輸電，使能量的利用率最大化；接收線圈放置在車身頂部，發射線圈與接收線圈的間距為1CM，工作頻率為80kHz，一次側有功功率為25W，效率可達85%。

圖2 高速列車無線供電模型示意圖Fig.2 Structure of wireless power transmission technology in high speed train system

4.2 高頻信號采集系統方案

高頻信號采集系統采用高速 AD 控制器嵌入FPGA 架構的 ARM為控制器的信號采集系統，FPGA 實現對外接AD 控制器的FIFO 管理控制和數據緩存，此方案可達到MHz 以上數量級高頻信號的采集，可對無線供電過程的電壓、電流信號實時觀測。一次側高頻信號采集系統可將信號波形直接顯示到無線供電模型操控臺的觸摸屏上，二次側高頻信號采集系統通過Modbus 通信協議與一次側DSP控制器通信，亦可將波形顯示到觸摸屏上。

圖3 觸摸屏界面Fig.3 Interface of touch screen

4.3 功率補償控制方案

高速列車在運動狀態下其負載一直在變化，尤其是在高速列車上坡、下坡時，其消耗的功率變化較大，發送端與接收端的收發功率無法達到平衡，甚至無線供電的發送端不足以供給負載端的消耗，現利用高頻信號采集系統對負載端的接收能量信號進行檢測，將檢測到的高頻信號反饋到能量發送端的DSP 高頻電源控制器，DSP 控制發送端的高頻電源進行功率補償。其總體結構框圖如圖4。

圖4 高速列車無線供電系統框圖Fig.4 Diagram of wireless power transmission technology in high speed train system

5 實驗結果及分析

基于無線供電系統的工作頻率檢測困難等問題，提出一種以高性能FPGA 嵌入ARM 架構的高頻信號采集系統方案。測試部分包括波形與參數測試，部分實測數據如表1（幅值誤差為滿量程誤差）所示。

表1 部分實測數據Tab.1 A part of measured data

測試結果表明，波形顯示清晰，穩定，參數測量精度高，完全達到采集高頻信號的設計要求。應用此方案對無線供電高速列車的一次側、二次側高頻信號進行測試，其中平路、上坡、下坡三個位置的信號波形如表2，應用了功率補償閉環控制方案后的信號波形如表3。

表2 未應用功率補償閉環控制方案的電壓和電流波形Tab.2 Waveforms of no applications of closed-loop control for power compensation

表3 應用功率補償閉環控制方案的電壓和電流波形Tab.3 Waveforms of applications of closed-loop control for power compensation

結果表明，在高速列車無線供電系統中應用ARM+FPGA 架構的高頻信號采集方案，一次側隨二次側負載變化進行了良好的功率補償。將此ARM+FPGA 架構的方案應用到數字化頻率追蹤中相比于硬件的頻率追蹤方案將具有良好實時性與穩定性，所采用的資源少，減少了成本和體積，跟蹤速度快，跟蹤頻率準確，抗干擾能力強，此方案為頻率追蹤軟件實現提供了基礎保障。設計應用前景廣闊，意義非凡。

6 結論

高速列車無線供電系統中應用ARM+FPGA 架構的高頻信號采集系統方案，對列車在不同環境下引起的負載變化進行了功率補償，在后續工作中將在高頻信號采集系統的基礎上加入軟件頻率追蹤算法，預計將高鐵模型傳能效率提升到93%以上。高速列車無線供電技術不僅提供了極為靈活的無線供電方式，而且實現了電能的高效傳輸與利用，被中國科學技術協會列為10 項引領未來的科學技術之一。以無接觸的方式向高速電力機車進行供電，可以避免由于受電弓滑板在接觸網導線上滑動取電而造成的材料磨損與弓網電弧問題，實現向高速列車穩定、可靠的提供驅動電源，顯著提高受流質量，對促進我國高速鐵路的建設和發展具有重要意義。

[1]郭言平.無線充電的關鍵技術和研究[J].合肥學院(自然科學版),2012,22(1):73-75.Guo Yanping.Wireless charging technology and the key research[J].Journal of Hefei University(Natural Sciences),2012,22 (1):73-75.

[2]余衛國,熊幼京,周新風.電力網技術線損分析及降損對策[J].電網技術,2006,30(18):54-63.Yu Weiguo,Xiong Youjing,Zhou Xinfeng.Analysis on technical line losses of power grids and countermeasures to reduce line losses[J].Power System Technology.2006,30(18):54-63.

[3]GLASER P E.Power From the Sun:Its Future[J].Science,1968(62):857-861.

[4]Tesla N.Apparatus for transmitting electrical energy:US,1/119,732[P].1914-12-1.

[5]Brown W C.The history of power transmission by radio waves[J].IEEE Transactions on Microwave Theory abd Technioues,1984,32(9):1230-1242.

[6]Brown W C.Progress in the Design of Rectennas[J].J.Microwave Power,1969,4:168-175.

[7]Boys J T,Covic G A.Pick-up transformer for ICPT applications[C].Electronics Letters.2002:1276-1278.

[8]ANDRE Kurs,ARISTEIDIS Karalis,ROBERT Moffatt,et al.Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances[J].Science,2007,317(6):83-86.

[9]Liu Xiaoyu,Zhang Fei,HACKWORTH Steven A,etal.Wire-less power transfer system design for implanted and worn devices[C].IEEE Northeast Biomedical Engineering Conference.Boston,Cambridge:IEEE Press,2009:1-2.

[10]孫躍,黃衛,蘇玉剛.非接觸電能傳輸系統的負載識別算法[J].重慶大學學報,2009,32(02):141-145.Sun Yue,Huang Wei,Su Yugang.A load identification algorithm for contactless power transmission systems[J].Journal of Chongqing University.2009,32(02):141-145.

[11]周雯琪,馬皓,何湘寧.感應耦合電能傳輸系統不同補償拓撲的研究[J].電工技術學報,2009,24(01):133-139.Zhou Wenqi,Ma Hao,He Xiangning.Investigation on different compensation topologies in inductively coupled power transfer system[J].Transactions of China Electrotechnical Society.2009,24(01):133-139.

[12]傅文珍,張波,丘東元等.自諧振線圈耦合式電能無線傳輸的最大效率分析與設計[J].中國電機工程學報,2009,29(18):21-26.Fu Wenzhen,Zhang Bo,Qiu Dongyuan,et al.Maximum efficiency analysis and design of self-resonance coupling coils for wireless power transmission system[J].Proceedings of the CSEE,2009,29(18):21-26.

[13]Tan Linlin,Huang Xueliang,Huang Hui,et al.Transfer efficiency optimal control of magnetic resonance coupled system of wireless power transfer based on frequency control[J].Science in China Series E:Engineering &Materials Science,2011,54(6):1428-1434.

[14]強浩,黃學良,譚林林,等.基于動態調諧實現感應耦合無線電能傳輸系統的最大功率傳輸[J].中國科學:技術科學,2012,42(7):830-837.Qiang Hao,Huang Xueliang,Tan Linlin,et al.Achieving maximum power transfer of inductively coupled wireless power transfer system based on dynamic tuning control[J].Science:China Technological Sciences,2012,42(7):830-837.