自變模無線電能傳輸全數(shù)字鎖相環(huán)

作者 溫梓慎1 崔玉龍2 范好亮3 1.河北工業(yè)大學 電氣工程學院(天津 300130) 2.北京化工大學(北京 100029) 3.河北長孚電氣設備有限公司 (河北 保定 071051)

*基金項目：河北省科技型中小企業(yè)技術創(chuàng)新資金項目(編號：16C1303121010)

溫梓慎(1989-)，男，碩士生，研究方向：電器可靠性及檢測技術;崔玉龍，男，博士生，高級工程師，研究方向：無線電能傳輸技術，工業(yè)電氣自動化和電力電子技術應用;范好亮，男，碩士，工程師，研究方向：無線電能傳輸裝置。

摘要：針對無線電能傳輸頻率跟蹤設計中傳統(tǒng)鎖相環(huán)電路設計復雜、跟蹤速度慢、鎖相頻帶窄和無超前滯后環(huán)節(jié)，單獨模塊設計修改繁瑣等問題,對自變模全數(shù)字鎖相環(huán)進行改進, 與傳統(tǒng)的全數(shù)字鎖相環(huán)相比，該鎖相環(huán)采用可變模分頻器，使得中心頻率可變，鎖相范圍增大;通過前饋回路進行鑒頻調頻，提高了鎖相速度;同時，其環(huán)路濾波器采用比例積分結構，使得鎖相輸出無靜差且比例積分參數(shù)依據相位差自動進行調節(jié);通過參數(shù)設置可調節(jié)輸出信號的相位。應用modelsim進行仿真，并進行實物驗證證實了該設計具有寬范圍的鎖相能力及快速精確的頻率跟蹤性能。

引言

　　無線電能傳輸技術具有十分廣闊的前景，是輸電方式革命性的重大變化，將為人們靈活自如、隨時隨地智能化用電帶來巨大方便^[1]。磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)工作過程中，外界導磁材料的影響、負載的不同、電路器件溫度的升高等因素都會引起負載RLC諧振回路參數(shù)的改變，進而使高頻逆變器的工作頻率與負載固有諧振頻率不一致，高頻逆變器偏離最佳工作點，導致電能的傳輸效率下降^[2]。為了改善這種狀況，需要高頻逆變器的工作頻率能夠實時跟蹤負載的固有諧振頻率，鎖相環(huán)(PLL)就是實現(xiàn)上述控制的重要器件。然而，現(xiàn)在廠家針對無線電能傳輸頻率跟蹤大多采用模擬鎖相環(huán)，模擬鎖相環(huán)存在著線路設計復雜、開發(fā)周期長、跟蹤速度慢、鎖相頻帶窄等諸多缺點。

　　基于FPGA的數(shù)字鎖相環(huán)具有抗干擾能力強、易于集成等諸多優(yōu)點，因而成為一種新的發(fā)展方向。但由于傳統(tǒng)全數(shù)字鎖相環(huán)(All Digital Phase Locked Loop)采用的是固定模分頻器與比例結構的環(huán)路濾波器，因此，鎖相速度慢，鎖相范圍窄，相位輸出存在靜差。并且，如果輸入頻率偏離中心頻率時，ADPLL的輸出會存在較大穩(wěn)態(tài)誤差和明顯的抖動。針對上述問題，單長虹等人提出了一種具有自動變模控制的快速全數(shù)字鎖相環(huán)，有效地解決了捕捉速度和抗噪聲性能之間的矛盾。龐浩等人提出了一種基于比例積分結構的全數(shù)字鎖相環(huán)來消除靜態(tài)誤差，但上述改進都沒有解決ADPLL性能受固定中心頻率制約的問題。尤波提出的自變模控制全數(shù)字鎖相環(huán)中心頻率可變，比例系數(shù)可調，但無積分環(huán)節(jié)系統(tǒng)存在誤差。盛臻提出的快速自適應鎖相環(huán)一方面根據輸入信號的頻率以及鑒相誤差的大小兩個方面進行實時調節(jié)，另一方面，當輸入信號頻率發(fā)生較大突變時，通過對濾波器參數(shù)的初始置位，來改變環(huán)路的中心頻率。但中心頻率不是實時改變的，鎖相速度受到一定限制。

　　本文提出了一種基于FPGA的新型無線電能傳輸全數(shù)字鎖相環(huán),該鎖相環(huán)采用可變模分頻器，使得其中心頻率可變，鎖相范圍增大;通過前饋回路進行鑒頻調頻，提高了鎖相速度;同時，其環(huán)路濾波器采用比例積分結構，使得鎖相輸出無靜差，輸出抖動減小且比例積分系數(shù)依據相位差自動進行調節(jié)，同時通過參數(shù)設置可調節(jié)輸出信號的相位?；谏鲜龅难芯炕A，通過modelsim軟件仿真以及FPGA的實際硬件驗證，證明了該設計方案的合理性和有效性。

1 ADPLL結構與工作原理

　　可變模ADPLL由鑒相器、環(huán)路濾波器、可變模分頻器、自適應控制器、超前模塊和滯后模塊構成。ADPLL結構框圖如圖1所示，其中U0為輸入信號，fout為輸出信號，clk為系統(tǒng)時鐘。

　　該ADPLL采用了雙D鑒相器。鑒相器對輸入和輸出信號的相位進行比較，輸出超前或滯后信號。環(huán)路濾波器模塊具有比例積分調節(jié)作用，通過系統(tǒng)時鐘clk，將鑒相器的輸出調制為脈沖序列，比例環(huán)節(jié)對脈沖序列以參數(shù)1/Kp進行分頻并計數(shù)，并將結果輸出到加法器;積分環(huán)節(jié)同樣是對脈沖序列以參數(shù)1/KI進行分頻并計數(shù)，并將結果輸出到加法器，但積分環(huán)節(jié)的結果不清零，從而消除了比例環(huán)節(jié)帶來的穩(wěn)態(tài)誤差。為了限制積分環(huán)節(jié)的輸出，積分環(huán)節(jié)需設置輸出限幅。除N計數(shù)器對本地固定頻率的高速時鐘進行分頻。其分頻系數(shù)來自數(shù)字環(huán)路濾波器的N比特輸出相位誤差碼。從而實現(xiàn)對輸入信號相位的控制^[3]。

　　自適應控制模塊是根據鑒相誤差的相對大小來進行工作的，它采用了兩級比較的電路結構，如圖2所示。采用系統(tǒng)時鐘clk將輸入信號U0調制成一系列脈沖，計數(shù)器計算并輸出每個輸入周期內系統(tǒng)時鐘脈沖數(shù)目，近似表示了clk與輸入信號頻率之間的倍數(shù)關系。其中的比較器電路，將移位后的值與經高頻時鐘clk量化計數(shù)的相位誤差大小進行比較，并分別輸出各自的比較值A1、A2;譯碼器電路根據A1和A2的值，生成數(shù)字環(huán)路濾波器的比例積分控制參數(shù)K1和K2^[4]。

　　在無線電能傳輸頻率跟蹤電路中，電流采樣，頻率跟蹤、MOSFET通斷等都需要時間，導致諧振電流和諧振電壓相位不一致，高頻諧振逆變器工作在容性狀態(tài)，因此需要對逆變器進行諧振補償，使逆變器工作在諧振狀態(tài)。傳統(tǒng)的補償電路都是模擬器件，容易產生溫漂，該文提出的全數(shù)字鎖相環(huán)可進行相位調節(jié)。調節(jié)超前模塊和滯后模塊可以調節(jié)輸出信號的相位。當輸出信號穩(wěn)定時，輸出信號超前或滯后輸入信號固定的時鐘周期，其RTL級電路如圖3所示。