高频信号采集系统在高速列车无线供电技术中的应用

张 欣 李连鹤 杨庆新 张 献 苏 杭

（天津工业大学天津市电工电能新技术重点实验室 天津 300387）

1 引言

电力列车在低速运行状态下，受电弓滑板与接触网导线之间的接触相对平稳，通常能够正常受流。然而在高速运行状态下，弓网关系将受到摩擦、离线、振动、电弧和环境等多方面挑战，持续稳定的高速受流问题亟待解决。因此，研究高速列车无线供电技术具有十分重要的意义[1]。本文分析了无线供电技术的发展现状，尤其对无线供电的效率进行了分析，指出了提高效率需要解决的关键问题，并提出可行性方案。

2 无线供电技术及其发展

随着第二次工业革命的到来我们进入了电气化的时代。全球各地的用电设备、高压线、电网、电线等电能的传送主要通过金属的导线直接接触式的传输。这种接触式的传输方式逐渐有很多问题暴露出来，老化、摩擦、能量在传输的过程中经常出现火花，存在用电安全隐患以及影响用电设备的寿命[2]。另外，传统的有线供电方式已经不能满足时代的发展，不再满足一些特殊应用场合的需求，如水中、矿井和深海等[3]。除此之外，植入人体内的医疗产品等的供电也越来越显现出缺陷。这些问题和不足，预示着一个无金属线的无线供电模式的兴起，即无线供电技术。无线供电的成功实现将使人类的生活发生历史性的变化。

早在19 世纪中后期，无线电能传输的概念就被著名的特斯拉提出，并获得了专利[4]，为后来无线电能传输技术的发展绘制了美好的蓝图和奠定了一定的研究基础。

随后伴随着电磁波理论的发展，出现了微波、激光式的无线电能传输技术。到目前为止，利用微波传输电能已经可以实现大功率、远距离的功率传输[5]，激光作为一种新型的无线能量传输方式也被用来实现大功率远距离的能量传输。新西兰奥克兰大学在20 世纪90年代初开始进行感应耦合方法的研究，在理论原理与工程应用技术都取得了显著成果[6]，实现了国家地热公园载人游览车的无线供电试验系统[7]。但感应式无线电能传输技术对磁路的设计要求比较苛刻，传输距离较低一般为厘米以下，导致该技术在大功率无线能量传输的应用中具有很大的局限性。2007年MIT 的科学家利用磁场的谐振方式，通过构建两个半径为30cm 的发射和接收谐振器线圈，在1.9m 之外成功点亮了60W 的灯泡[8]，成功开辟了无线电能传输技术的一个新方向，该方式弥补了感应式非接触无线电能传输技术传输距离短的缺陷，该技术的提出将无线电能传输技术推到一个新的研究高度。

在国内，文献[9]研究了生物体体内植入器件的无线电能传输系统的效率。一些科研团队研究了大功率感应耦合电能传输技术，自主研发了多向拾取机构、交直交变换器及适合大功率逆变的控制算法[10]。文献[11]对耦合机构设计及不同补偿时频率特性等进行了深入分析。总的来说，无线供电技术的研究与发展在国内还处于初步阶段。在不久的将来，无线供电技术将广泛应用于社会的各个领域，促进社会生产力的发展。

3 高速列车无线供电的需求前景及面临的问题

近年来，我国高速铁路取得了迅猛发展。截至2013年年底，中国高铁客运专线达1 1028 公里，超过了世界上其他国家高铁运营里程总和，居全球首位。在列车运行过程中主要通过弓网系统获取电能，受电弓安装在车顶，高铁列车通过受电弓滑板与接触网导线接触，在静止或滑动状态下获取电能。电力列车在低速运行状态下，受电弓滑板与接触网导线之间的接触相对平稳，通常能够正常受流。然而在高速运行状态下，弓网关系将受到摩擦、离线、振动、电弧和环境等多方面挑战，持续稳定的高速受流问题亟待解决。

无线供电技术能很好地解决这一问题，该方式代替受电弓与接触网滑动取电的传统方式，允许存在数十厘米的工作间隙，提高了绝缘强度，避免了弓网电弧频繁出现及高速移动时材料磨损等诸多问题，从而显著提高受流质量。

当前，国内的相关科研院所研究动态下的无线供电技术还比较少，动态下的无线供电功率、效率不易把握，传输距离不定、负载有功功率波动较大、外界干扰波动较大等问题，这都是研究高速列车无线供电技术的难点。

4 无接触式传能系统的效率分析

在无线供电过程中，受到外界障碍物（如导磁性物体等）干扰、接收端负载和电路工作温度变化等情况下发射与接收系统的谐振频率会发生偏移；当传输距离发生变化或角度发生偏移等情况下发射与接收系统的谐振频率会发生分裂。这种由于各方面的影响使谐振频率发生变化称为失调，失调发生时传能效率会大幅下降，因此提高系统共振频率的鲁棒性、研究频率追踪是无线供电技术的关键。

谐振频率是影响系统传输效率的一个主要因素。文献[12]通过谐振频率跟踪与控制方法实现了自谐振线圈最大效率的获取。文献[13]提出了一种基于频率分段的效率控制方法，通过在不同传输距离段采用不同的谐振频率，来实现传输效率的稳定。文献[14]利用相控电感来实现谐振频率调节，从而达到传输效率稳定控制的目的。

因为谐振频率的测量存在很大困难，对高频（100kHz 以上）频段，数字化的频率追踪的应用还十分的少。当前，频率追踪方法大多由硬件实现，但是硬件实现频率追踪越来越呈现出其缺点，硬件电路在不同的频率段工作时需要不同的滤波网络参数，死区时间需要辅助电路实现，跟踪范围窄；硬件电路复杂、成本高；元件容易老化、零漂，使用寿命短；维护困难；实时性差精度不够等缺点。

本文主要提出一种实时数字化检测频率的方法，提出了一种ARM+FPGA 架构的高频信号采集方案。此方案能够实时采集无线供电的高频信号，此方案已应用于高速列车无线供电模型中，并且在高速列车负载波动变化的情况下对功率进行补偿控制。应用此方案在数字化频率追踪技术中将简化无线供电电源电路，亦可将数据保存下来，有利于大数据的分析，对于分析无线供电的功率、效率等具有十分方便、高效、不可估量的作用。

4 本文研究内容

4.1 高速列车无线供电系统

本课题首次提出应用磁场耦合谐振式无线供电技术应用于高速列车，图1为本课题高速列车无线供电系统动态实物模型。磁场耦合谐振无线供电技术是感应式无线供电技术上融合了谐振技术。传递能量的两个线圈是空心线圈，线圈的耦合属于松耦合，耦合系数很小。在某一频率下，通过对两个能量传输的线圈进行并联或者串联电容进行补偿，使得空间上两个分离的线圈都同时产生谐振，两个相同谐振频率的谐振物体间能产生更强的耦合，从而使得能量在两个谐振线圈之间更高效的传递。磁场耦合谐振无线供电技术可以满足接收端与发射端存在相对速度情况下高效、稳定、安全的无线供电。

图1 高速列车无线供电系统模型Fig.1 Physical diagram of wireless power transmission technology in high speed train system

图2为高速列车无线供电模型的示意图。由于列车本身沿固定路线运动，有自己独立的供电线路，该课题采用悬挂式发射线圈技术，发射线圈悬空架设在轨道及列车的上空，布满整个轨道，避免了对轨道铺设的复杂要求。本课题对列车的位置进行全程定位，获得了列车的位置后对发送线圈进行分段分时输电，使能量的利用率最大化；接收线圈放置在车身顶部，发射线圈与接收线圈的间距为1CM，工作频率为80kHz，一次侧有功功率为25W，效率可达85%。

图2 高速列车无线供电模型示意图Fig.2 Structure of wireless power transmission technology in high speed train system

4.2 高频信号采集系统方案

高频信号采集系统采用高速 AD 控制器嵌入FPGA 架构的 ARM为控制器的信号采集系统，FPGA 实现对外接AD 控制器的FIFO 管理控制和数据缓存，此方案可达到MHz 以上数量级高频信号的采集，可对无线供电过程的电压、电流信号实时观测。一次侧高频信号采集系统可将信号波形直接显示到无线供电模型操控台的触摸屏上，二次侧高频信号采集系统通过Modbus 通信协议与一次侧DSP控制器通信，亦可将波形显示到触摸屏上。

图3 触摸屏界面Fig.3 Interface of touch screen

4.3 功率补偿控制方案

高速列车在运动状态下其负载一直在变化，尤其是在高速列车上坡、下坡时，其消耗的功率变化较大，发送端与接收端的收发功率无法达到平衡，甚至无线供电的发送端不足以供给负载端的消耗，现利用高频信号采集系统对负载端的接收能量信号进行检测，将检测到的高频信号反馈到能量发送端的DSP 高频电源控制器，DSP 控制发送端的高频电源进行功率补偿。其总体结构框图如图4。

图4 高速列车无线供电系统框图Fig.4 Diagram of wireless power transmission technology in high speed train system

5 实验结果及分析

基于无线供电系统的工作频率检测困难等问题，提出一种以高性能FPGA 嵌入ARM 架构的高频信号采集系统方案。测试部分包括波形与参数测试，部分实测数据如表1（幅值误差为满量程误差）所示。

表1 部分实测数据Tab.1 A part of measured data

测试结果表明，波形显示清晰，稳定，参数测量精度高，完全达到采集高频信号的设计要求。应用此方案对无线供电高速列车的一次侧、二次侧高频信号进行测试，其中平路、上坡、下坡三个位置的信号波形如表2，应用了功率补偿闭环控制方案后的信号波形如表3。

表2 未应用功率补偿闭环控制方案的电压和电流波形Tab.2 Waveforms of no applications of closed-loop control for power compensation

表3 应用功率补偿闭环控制方案的电压和电流波形Tab.3 Waveforms of applications of closed-loop control for power compensation

结果表明，在高速列车无线供电系统中应用ARM+FPGA 架构的高频信号采集方案，一次侧随二次侧负载变化进行了良好的功率补偿。将此ARM+FPGA 架构的方案应用到数字化频率追踪中相比于硬件的频率追踪方案将具有良好实时性与稳定性，所采用的资源少，减少了成本和体积，跟踪速度快，跟踪频率准确，抗干扰能力强，此方案为频率追踪软件实现提供了基础保障。设计应用前景广阔，意义非凡。

6 结论

高速列车无线供电系统中应用ARM+FPGA 架构的高频信号采集系统方案，对列车在不同环境下引起的负载变化进行了功率补偿，在后续工作中将在高频信号采集系统的基础上加入软件频率追踪算法，预计将高铁模型传能效率提升到93%以上。高速列车无线供电技术不仅提供了极为灵活的无线供电方式，而且实现了电能的高效传输与利用，被中国科学技术协会列为10 项引领未来的科学技术之一。以无接触的方式向高速电力机车进行供电，可以避免由于受电弓滑板在接触网导线上滑动取电而造成的材料磨损与弓网电弧问题，实现向高速列车稳定、可靠的提供驱动电源，显著提高受流质量，对促进我国高速铁路的建设和发展具有重要意义。

[1]郭言平.无线充电的关键技术和研究[J].合肥学院(自然科学版),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]余卫国,熊幼京,周新风.电力网技术线损分析及降损对策[J].电网技术,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]孙跃,黄卫,苏玉刚.非接触电能传输系统的负载识别算法[J].重庆大学学报,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,马皓,何湘宁.感应耦合电能传输系统不同补偿拓扑的研究[J].电工技术学报,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,张波,丘东元等.自谐振线圈耦合式电能无线传输的最大效率分析与设计[J].中国电机工程学报,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]强浩,黄学良,谭林林,等.基于动态调谐实现感应耦合无线电能传输系统的最大功率传输[J].中国科学:技术科学,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.