無線傳感網電能補給技術研究

謝小軍++昝繼業(yè)++孫長翔

摘要：無線傳感器網絡由大量無線傳感器構成的自組織網絡，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域內對象信息，并將信息傳送給需要的用戶。針對無線傳感節(jié)點供電可靠性問題，通過對磁共振技術進行研究，分析能量傳輸技術特性和補給技術的特點、優(yōu)勢與不足。根據調研與研究結果，制定無線傳感網無線供電技術實現方案，保障無線傳感網能源的持續(xù)穩(wěn)定供給。

關鍵詞：無線傳感網絡；無線供電；磁共振；電能

中圖分類號：TP212.91 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）02-0097-03

無線充電技術是指具有電池的裝置不需要借助于電導線，利用電磁波感應原理或者其他相關的交流感應技術，在發(fā)送端和接收端用相應的設備來發(fā)送和接收產生感應的交流信號來進行充電的一項技術。目前無線充電技術主要有電磁感應式、磁共振式、無線電波式、電場耦合式四種基本方式。這幾種技術分別適用于近程、中短程與遠程電力傳送。以下對當前四種主要無線充電方式進行比較。如表1所示。

考慮到無線傳感網的實際應用需求，磁共振式無線供電技術，以其傳輸距離較遠，效率高、輸出功率大，可以在復雜的環(huán)境下工作的優(yōu)點，非常適合在電力無線傳感網中進行能量補給。

1 無線供電系統(tǒng)原理

磁共振式無線充電包含兩個線圈，每一個線圈都是一個自振系統(tǒng)，其中一個是發(fā)射裝置，與能量源連接，它并不向外發(fā)射電磁波，而是利用振蕩器產生高頻振蕩電流，通過發(fā)射線圈向外發(fā)射電磁波，在周圍形成一個非輻射磁場，即將電能轉換成磁場；當接收裝置的固有頻率與收到的電磁波頻率相同時，接受電路中產生的振蕩電流最強，完成磁場到電能的轉換。下圖利用電磁共振耦合來實現無線電力傳輸的原理圖。電磁波的頻率越高其向空間輻射能量越大，傳輸效率越高。如圖1所示。

2 系統(tǒng)實現

2.1 電能發(fā)射與拾取機構

無線充供電系統(tǒng)的原邊的輸入電能經過能量變換后通過能量發(fā)射機構后向受端發(fā)射，拾取線圈拾取到電能后，經過能量變換裝置把高頻的交流電能轉化成所需要的電能。本裝置研究的無線供電系統(tǒng)諧振頻率為數百kHz、輸出電壓為5V、最大輸出功率為0.5W，因此發(fā)射與拾取機構應滿足上述參數指標要求。

高頻發(fā)射與接收線圈繞法的不同決定著磁通的分布，基于磁諧振式無線電能傳輸技術原理的無線輸電系統(tǒng)，其發(fā)射線圈與接收線圈在磁通的分布上應該盡量滿足均勻分布。輸電系統(tǒng)的電能發(fā)射部分所在位置，與電能接收部分所在的受電負載之間的位置直接影響著接收線圈與發(fā)射線圈之間的耦合共振關系，不同的相對位置、不同的方向磁通耦合效率不同，影響著輸電效率。針對這種“磁通分布不均”的問題，可以通過研究線圈繞法來解決。提出用磁場分布特性不同的繞組，集中繞組和螺旋繞組復合，解決磁通分布不均的問題。集中繞組由一匝或多匝線圈集中繞制，螺旋繞組包含于集中繞組內，兩者可位于同一平面或不同平面。由于集中繞組的磁場中間低、四周高，與螺旋繞組正好相反，組成復合繞組就可實現充電平臺中的磁場均勻分布，該繞組方式的磁場仿真結果如下圖2所示。

考慮到實際情況，由于更大的線圈面積更適合傳輸較大的距離，而當正方形的邊長與圓的直徑一致時，正方形面積要大于圓的面積，因此在本項目的設計中，采用了正方形的線圈繞組方式，如下圖3所示。

在磁共振式無線能量傳輸系統(tǒng)中，接收端和發(fā)射端之間的能量主要通過磁場來傳遞，現對兩線圈之間的互感進行仿真，如下圖4圖5所示。

2.2 高頻逆變電源設計

設計發(fā)射端控制電路結構圖如圖6所示。發(fā)射端控制電路主要包括四個部分：ARM處理器、傳感測量環(huán)節(jié)、通信環(huán)節(jié)、頻率合成環(huán)節(jié)。傳感測量環(huán)節(jié)可以實現對交流電壓/電流的測量，并提供給ARM處理器用以判斷系統(tǒng)是否處于諧振工作狀態(tài)；通信環(huán)節(jié)主要實現和接收端電池模組管理系統(tǒng)的通信，用以實現對發(fā)射功率的協(xié)調控制；頻率合成環(huán)節(jié)接受ARM處理器的控制信號，用以實現特定頻率和相位的控制信號；ARM處理器綜合分析系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實現對發(fā)射功率及頻率的控制，并與接收端進行通信協(xié)調。

2.3 逆變橋驅動電路

相控逆變器驅動電路是相控逆變器的核心，是其將直流電壓逆變?yōu)闈M足系統(tǒng)需求頻率電壓主要驅動力量，通過相位控制技術控制系統(tǒng)輸出電能的方法主要依靠相控逆變器驅動電路來執(zhí)行相移指令，其靈敏度是最主要的技術指標。驅動電路的核心元器件選擇IXDE514SIA型電橋驅動器，該驅動器對MOS管驅動有很好的效果，其峰值電流為14A，基本滿足本方案設計需求。頻率合成模塊通過鎖相調制后的驅動信號往往帶有較大的模擬信號噪聲，因此頻率合成模塊信號需要經過光耦處理，降低系統(tǒng)噪聲，信號通過電橋驅動器驅動由MOS管組成的橋路，調節(jié)橋路電壓相位。驅動電路原理圖如下圖7所示。

2.4 軟件控制

實際應用中，傳輸線圈的電容、電感會受環(huán)境影響產生參數漂移，很難使2個線圈的諧振頻率相同。而傳輸過程中對頻率的選擇性較強，電源激勵頻率或電路參數的微小偏差也可能導致能量傳輸性能的下降；因此需跟蹤最大功率點，通過動態(tài)調整裝置的工作頻率.使其工作在最大功率點，保證在線監(jiān)測設備較優(yōu)的工作狀態(tài)。

本研究通過對發(fā)射端電流進行掃頻分析，檢測峰值點的個數，選擇將發(fā)射端電流峰值波峰或波谷值對應的頻率點作為無線供能裝置的工作頻率點，以獲取最大輸出功率。發(fā)射端控制電路的原理圖如下圖8所示。發(fā)射端由控制用單片機MCU控制數字式頻率發(fā)生器模塊DDS產生方波頻率信號，通過逆變電路給發(fā)射線圈供電，通過設定DDS控制字，調節(jié)裝置工作頻率；電流傳感器采集發(fā)射端逆變前的直流電流經低通濾波后送至MCU。

3 結語

本文系統(tǒng)地描述了磁共振無線傳輸技術，通過對無線傳感網的能量補給技術進行了相關研究，考慮到無線傳感網的實際需求，分析和總結了其普適性與局限性。綜合分析，利用共振式無線供電技術對無線傳感網進行供電的可行性和實用性較強。針對共振式無線供電技術，提出解決方案，實現高效穩(wěn)定的無線電能傳輸，保障無線傳感網絡可靠運行。

參考文獻

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