基于ARM的CPT控制系统的相关问题分析

随着科学技术的不断发展，社会经济飞速前进，在社会、企业和家庭中电气化设备日益成为现代化生产和生活工具的主流。对于一些电气设备，传统供电方式限制了它们的普及和使用灵活性，同时给安全供电和环境安全问题带来了很大的影响。随着人们生活以及生产活动范围的扩大，人们迫切需要一种新型的电能传输技术来满足新型电气设备及各种特殊条件下的供电需求。非接触电能传输技术是近年来备受国际学术界关注的一项新的能量传输技术，即用电设备以非接触方式从固定电网取电的技术，所以又可称为非接触感应供电。信号的无线传输技术早已实现，电源线已成为用电设备灵活移动的羁绊，非接触电能传输技术的出现使设备实现真正的“无线”成为可能。要使一个系统具有更高的性能，就需要对其进行适当的控制。

1.2 引入嵌入式技术的必要性

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统[1]。它主要由嵌入式处理器、嵌入式操作系统、输入输出设备、外围接口设备以及嵌入式应用软件等组成，具有软件代码小、高度自动化和响应速度快等特点。它是可独立工作的“器件”[2]。

在CPT系统中引入嵌入式技术的理由有以下两点：

（1）从目前的角度出发，首先，CPT系统需要一个能够提供监视、控制、多进程、可实现实时或非实时的任务、可人工手动控制亦可自动运行等功能的智能控制系统；其次，嵌入式系统体积小、结构紧凑，可作为一个部件埋藏于所控制的装置中，它提供用户接口、管理有关信息的输入输出、监控设备工作，使设备及应用系统有较高智能和性价比；再者，目前微处理器可选用DSP、单片机和ARM系列等，而ARM微处理器在工业控制、手持设备中的应用则比较多，更主要的是ARM能够很容易地实现以上的功能。

（2）从未来的角度出发，首先，嵌入式系统是CPT系统的部件，适用于对功能、体积、

成本、可靠性、功耗有严格要求的CPT系统或其它系统；其次，嵌入式控制系统还可应用于CPT系统的故障诊断，且嵌入式系统接口的可扩展性和软硬件可裁减的灵活性也是一大优点，对将来系统的扩展或者裁减都十分方便。

2 CPT系统的相关控制问题分析

本文所介绍的非接触电能传输系统主要由两大部分组成。一部分是电能变换与发送电路，又称初级电路；另一部分是可在一定范围内沿导轨线圈移动的能量拾取电路，又称次级电路。

在CPT系统中应用嵌入式技术需重点解决以下三个控制问题。

2.1 软启动控制

整流滤波电路将工频交流电流转换为平稳的直流电流提供给后面的高频逆变部分。

未加入软启动时会形成很大的冲激电流，而电容电压不能突变，所以加电瞬间电容是短路的，如果没有电阻Rlimit缓冲，则系统会因过流而导致元器件的损坏。

只要Rlimit的阻值足够大，就可以避免产生冲激电流烧坏元器件。在该电路中，整流后的电压有效值为Vin=220V，输出电压为Vo，通过电阻Rlimit给电容C充电，继电器断开，同时ARM控制平台采集滤波电容两端的电压Vo，检测Vo的大小，当达到设定电压峰值时，ARM控制平台发出一个高电平脉冲闭合开关，软启动结束。

2.2 逆变控制

能量的非接触传输是通过磁场的松耦合原理实现的，而要得到这个交变磁场，必须有一个相应的变化电流作为励磁电流，在本系统中即为在导轨中产生较高频率的正弦电流Icp，该电流的理想形式应该为标准正弦波，表达式为：

Icp=Ipmsin（2πft+θ）= 式（2.1）

式（2.1）中Ipm和f分别决定了磁场的强度和磁场的频率。在负载拾取电路确定的情况下，磁场强度越强，传输的功率就越大。因此，在一定的功率容量下要求逆变器能够产生足够大的正弦电流。

下面给出CPT系统对逆变电路的要求，，进而得出CPT系统对ARM控制系统的要求。

在负载拾取和导轨形式确定，二者之间的位置相对确定（即互感基本不变）的情况下，非接触电能传输系统正常工作需要以下条件：首先，导轨电流的有效值应该达到设计的容量要求，以保证足够的能量传输；其次，系统的工作频率应该稳定，以保证传输功率恒定。所以，高频逆变电路必须能够输出相应强度的电流，并且能够保持电流频率不变，或者其偏移必须在允许的范围内（能够使负载正常工作）。另外，因为非接触电能传输系统实现的是大功率的传输，必须限制其高次谐波的含量以减小其电磁辐射。这就要求逆变电路能够为导轨提供一个谐波含量较小的准正弦波电流。根据不同系统的要求，导轨的形式和距离各有不同，为了达到同样的输出，其对逆变电路的驱动能力要求也有不同。

由以上分析得出，CPT系统对逆变电路的基本要求有：能够为导轨提供足够大的电流，使导轨产生所需的磁场；逆变电流在导轨中产生的电流的频率保持稳定；导轨电流波形的谐波含量必须很小。

综上所述，导轨电流幅值若发生变化就会影响负载拾取功率的变化，而负载的变化也会引起导轨电流的变化，这样将导致系统不能正常工作。所以，CPT系统对ARM控制系统有如下要求：保证谐振网络中的频率不变，即保持导轨电流的幅值和频率不变。通过控制高频逆变电路的四个IGBT的脉冲频率，使谐振电容的电压与导轨电流保持同相位，这就是CPT系统对本ARM控制系统的控制要求。

2.3 显示采集的波形

CPT系统工作的部分参数波形需要进行及时的监控，以便需要的时候进行手动调节，进一步提高系统的工作效率。因此，人机交互界面的加入将更好地保证用户对质量和效率的要求。本嵌入式控制系统主要显示的是导轨电流Ip和补偿电容两端的电压Vp的波形，在导轨电流频率发生变化时，手动或者由控制算法自动调整频率，这对保证系统长期正常工作非常重要。CPT系统的工作频率为20 KHz。ARM CPU自带的A/D转换器的采样速率为500ksps，同时采集三路信号，则采样的频率约为166.67KHz，即约6μs采集一次，可以达到CPT系统的要求。

3 结论

随着嵌入式系统的飞速发展，社会对技术的要求越来越高，对非接触式电能传输技术的需求也日益增长，而嵌入式系统的加入使得本CPT系统的性能和工作效率得到了大大的提高，通过实验分析，CPT系统中相关控制问题均可应用嵌入式控制技术解决。

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