1传输效率自寻优控制方法分析
在无线电能传输系统中，当工作频率在谐振点附近时，传输效率较高，随着工作频率偏离谐振点，传输效率会下降［8］。由于接收线圈两端的感应电压决定了接收模块的驱动能力，为了方便对传输效率进行测量，简单以接收线圈两端的电压与发送线圈两端电压之比衡量系统的传输效率。在频率较低时，增加频率可以提高传输效率，而当频率高于某一值时，继续增加频率则传输效率反而会降低，即存在一个频率点可以使传输效率取得最大值。实验显示，可以用高斯函数近似模拟传输效率随传输频率变化的趋势，如图1所示。发送设备自动调整工作频率到发送模块谐振点与接收模块谐振点之间的某一值，从而使传输效率达到最优。综上所述，以频率为变量对传输效率最大值的寻优过程就是寻找效率随频率变化曲线的最大值。模糊控制器是一种不需要了解被控对象的精确数学模型的控制器，它根据一套控制规则推理出控制决策。模糊控制的实质是用人的经验知识进行控制的一种控制方式［9-11］，它是一种非线性控制，对参数的变化不敏感，具有很好的鲁棒性［12］。在无线电能传输系统中，工作频率由频率发生器决定，系统中采用单片机模拟输出PWM波形来作为频率发生器［13-15］。因此，可以直接在单片机中编程实现模糊控制器。利用实时采集到的数据计算出传输效率及传输效率变化率(传输效率变化量除以频率变化量)作为模糊控制器的输入，利用模糊控制规则推理出控制决策，调整工作频率，使系统始终工作在传输效率较高的频率点处。控制器设计思路如下:在系统开始工作时，由于无法计算传输效率变化率，任意设定1个较小的初始频率调整量，此后，则根据当前传输效率及传输效率变化率确定下一步频率调整量。不同频率处传输效率及传输效率变化率的曲线图如图2所示。当传输效率较低而传输效率变化率较大时，频率调整量取一个比较大的值，频率是增加还是减小则取决于传输效率变化率的符号。当传输效率变化率为正是，说明频率处于谐振点左边，频率调整量为正;当传输效率变化率为负时，则说明频率处于谐振点右边，频率调整量应该为负。而当传输效率较高或者传输效率变化率很小时，频率变化量应该取较小的值，其正负同样取决于传输效率变化率的正负。
2模糊控制器的设计
传输效率自寻优的过程实质上是一个通过不断改变工作频率进行尝试从而逐渐逼近极值点的过程。要尽快逼近到极值点附近就需要选取合适的频率调整量。在本文的设计中频率调整量由模糊控制器推理得出，因此，传输效率自寻优的实现关键是设计合适的模糊控制器。本文设计了1个双输入单输出模糊控制器，其中，两个输入变量分别为传输效率η(f)及传输效率变化率dη(f)/df。通过测量发送线圈两端电压u(1)与接收线圈两端电压u(2)可求得传输效率，即η(f)=u(2)u(1)×100，(2)作为输入变量1;将当前传输效率减去前一次测得的传输效率求得传输效率改变量，然后除以频率调整量得到传输效率对频率的变化率dη(f)/df，作为输入变量2。输出变量为频率调整量的决定因子U，由映射df=g(U)，(3)决定下一步的频率调整量df。模糊控制器将输入变量1和输入变量2进行模糊化后根据控制规则推理出下一次的频率调整量df，以当前频率加上求得的频率调整量作为下一步的工作频率。模糊控制器结构示意图如图3所示。输入变量1，即η(f)采用6个语言值，分别为5(很大)、4(大)、3(一般大)、2(小)、1(很小)、0(零);输入变量2，即dη(f)/df采用5个语言值，分别为－2(负大)、－1(负小)、0(零)、1(正小)，2(正大);输出变量U采用11个语言值，分别为5(正很大)、4(正大)、3(正一般大)、2(正小)、1(正很小)、0(零)、－1(负很小)、－2(负小)、－3(负一般大)、－4(负大)、－5(负很大)。输入变量及输出变量均采用三角形隶属度函数。各变量隶属度函数的图形分别用图4、图5和图6表示。分析频率调整因子U与输入变量1(传输效率)和输入变量2(传输效率变化率)之间的关系，可得到模糊控制器的规则表如表1所示。系统采用Mamdani模糊模型，在模糊推理过程中，“与”运算采用最小值运算，“或”运算采用最大值运算，模糊蕴含采用最小值运算，综合规则采用最大值运算，解模糊化采用中心法。
3仿真结果使用
Matlab对所设计的无线电能传输自寻优算法进行仿真验证。实验室所研究的无线电能传输系统在接收端靠近发送端时的理论谐振频率为530kHz。在实际工作过程中，由于元器件参数变化及测量误差，谐振频率会偏离理论谐振频率，因此，在实际系统运行时，可将初始传输频率设置为理论谐振频率，随后按文中控制方法进行传输效率自寻优。在做仿真验证时，将初始频率设置为530kHz，假设由于参数的改变，谐振频率变为600kHz，且理想最佳传输效率为80%，用高斯函数η=80×exp－f－600000()200000[]2，(4)模拟实际系统的传输效率随工作频率的变化曲线。经试验，当df与U的映射关系取df=sign(U)×10×10|U|时控制效果较好。系统在工作时有两种调整方式，第一种方式是持续调整，始终保持效率最优;第二种方式是连续5次调整量df均小于某一固定值时结束调整，系统传输频率不再改变。对应第一种工作方式，观察100个调整周期，其仿真结果如图7所示。对应第二种方式，设定结束条件为连续5次|U|＜2，即频率调整量df≤100，仿真结果如图8所示。由图7、图8可以看出，经过4个调整周期后，传输效率就很接近理想传输效率，此后，传输效率均能一直保持在最优传输效率附近。
4结语
【关键词】无线电传输技术现状应用
随着社会经济的发展，人们对无线电传输技术的质量有了更高的要求。传统的电能传输技术已经暴露了诸多问题，比如说导线接触产生的火花、碳积累及带电导体等。无线电传输技术是一种用无线电能传输的一种新技术，与传统的传输技术相比，无线电传输技术不需要用导线之间相连，这就避免了有线传输技术带来的那些问题，具有更加安全、高效、方便的优势。近些年来，无线电传输技术已经在众多领域应用，产生了非常好的效果，特别是在军事、石油、矿井、医疗等领域中的应用。因此，对无线电传输技术进行研究是非常有意义的课题。
一、无线电传输技术简述
无线电能传输（WirelessPowerTransmission，WPT）又称无线电力传输，非接触电能传输，是通过发射器将电能转换为其他形式的中继能量（如电磁场能、激光、微波及机械波等），隔空传输一段距离后，在通过接收器将中继能量转换为电能，实现无线电能传输。现有的无线能量传输技术主要有三种形式：（1）电磁感应技术；（2）电磁耦合共振技术；（3）基于微波或光波的原场辐射技术。
电磁感应耦合式无线输电系统是基于一种电磁感应耦合理论、现代电力电子能量变换技术及控制理论的新型电能传输模式。无接触电能传输系统属于疏松耦合系统，传输性能一般较差。为了提高系统的传输能力，初级变换器通常采用高频变换器。可分离变压器是无接触电能传输系统的最重要组成部分，它的性能对于整个系统的稳定、高效起着至关重要的作用。发射端和接受端之间是利用电磁感应耦合的方式来传递能量的。电磁耦合共振式无线输电系统中程无线输电方式是基于电磁共振耦合原理，利用非辐射磁场实现电能高效的传输。其原理是基于2个电磁波在满足规定条件的情况下，在同一波导（腔体）的不同电磁波的模式之间或不同波导（或腔体）的同一电磁波模式之间可以发生耦合谐振的现象，通过理论分析计算或实验的方法选择耦合模参数，利用强磁场耦合共振方式使能量在收发2个谐振腔之间有效传输。远场辐射式无线输电系统远场一般指远远大于装置尺寸的几千米以上的传输距离。只要合理设计接收机形状，采用高精度定向天线或高质量的平行激光束就可实现远距离传能。通过无线电波可以在微波范围内实现能量定向传输，接收端采用硅整流二极管天线可将微波能量转换回电能。
二、无线电传输技术的现状及应用
电磁感应技术一般适用于距离比较近、功率比较低的传输系统中；电磁共振技术通常在距离适度、功率中等的条件下适用；基于微波或光波的原场辐射技术一般在功率比较大、传输距离比较远的环境中适用。近些年来，随着各种便携式设备和电器的应用，采用有线的技术，既不安全，也容易磨损。特别在一些比较特殊的领域，有线传输的危害更大，比如说矿山矿井、石油、孤立的岛屿以及自然环境恶劣的环境中等。因此，无线传输技术具有极大的应用市场。
1、医疗领域。无线电传输技术的发展和应用改变了医疗领域植入式电子系统的供电方式。如心脏启博器的核电池，其充电方式一般采用ICPT和RFPT等进行体外能量传输。在医疗电子系统中，主要采取RFPT技术，通过体外与体内两个线圈之间的电磁耦合输送电能，主要有经皮能量传输和直接能量传输。随着植入式系统的复杂化，系统的功耗越碓酱螅对于短期植入式系统，电池完全可以胜任，如胶囊内窥镜。但对于长期植入式系统往往不能满足要求。无线和光电供电能解决上述问题。
2、航空领域。无线电传输技术在航空航天领域已经开始得到应用。MPT技术的发展也推动了空间太阳能发电和卫星技术的革新。空间太阳能电站发出的电能可通过微波向卫星和地面传输电能。空间太阳能电站中的WPT技术发展经历了很多的阶段发射反射和接收技术等得到了很大的发展。
3、水下领域。水下高频功率传输损耗是关键问题。由于海水是优良导体，其电阻随着频率的增长而增加。随着工作频率的提高，海水导电面积减小电流主要从电缆流通。海水作为导体损耗增加。在研究水下电能传输时可将海水看作与原边绕组同轴匝链的绕组通过增加耦合来限制电流路径以减小耦合海水的损耗。
结语：无线电传输技术是一种用无线电能传输的一种新技术，与传统的传输技术相比，无线电传输技术不需要用导线之间相连，这就避免了有线传输技术带来的那些问题，具有更加安全、高效、方便的优势。随着无线电传输技术的发展，它可以在更多领域得到普及和应用，这对于促进社会进行发展具有重大的现实作用。
参考文献
[1]戴卫力，费峻涛，肖建康，范新南.无线电能传输技术综述及应用前景[J].电气技术，2010，（7）.
Abstract:WedesignawirelessmessagedelivermachineworkinginanintermediatedistancewiththeMSP430system.Thewirelesstransceiver,nrf905,theLCDandthekeyboardarecontrolledbytheMSP430systemwiththemethodofinterrupt.Inthisway,wecanachievemanyfunctionslikesendingandreceivingmessagesfromonepointtoanotherone,savingthemessages,savingandestablishingtheinformationofthepeoplewewillcontact,showingandadjustingthetime,thealarmclockfunction,theswitchingoftheinputmethodsandtheE-bookfunction.What’smore,lowpowerconsumptionisagreatcharacteristicofourdesign.
关键词:中距离;无线短信传输;中断;低功耗
Keywords:intermediatedistance;wirelessmessagedeliver;interrupt;lowpowerconsumption
中图分类号:TN91文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)13-0177-02
1设计要求
设计一个中距离无线短信传输器,要求具有点对点短信的发送与接收、存储信息、存储与新建联系人等功能;并且为了方便使用,还要像一般手机那样具有时间的显示与调整、闹钟、输入法的切换、电子书等功能。为了能够达到节能的效果,要求设计尽量低功耗。
2设计思想及方案论证
为了要达到项目所提出的要求,我们采用如下的设计:
2.1为了达到低功耗,本设计全部采用中断,当有任务请求时,执行相关任务,而其它空闲时间,则工作在低功耗模式。采用MSP430系统则能够很好地达到此要求。
MSP430系统是一种超低功耗微控制器系统,能够实现最大化的代码效率,唤醒时间(低功率模式唤醒到运行模式所用时间)小于6us。MSP430系统具有一种活动模式和五种软件可选的低功耗运行模式。一个中断事件可以将芯片从五种低功耗模式中的任何一种唤醒,为请求服务并在从中断程序返回时恢复低功耗模式。
因此,本设计选用MSP430系统作为核心控制芯片。
2.2无线收发器的选择本设计中的短信传输器,选择工作在433MHz频段,又结合低功耗的要求,最终选用nrf905单片无线收发器。nrf905单片无线收发器可工作在433/868/95MHz的ISM频段,其工作模式的特点是可以自动产生前导码和CRC,可以很容易通过SPI接口进行编程配置。另外其电流消耗很低,进入POWERDOWN模式可以很容易实现节电。
2.3显示方面由于短信中含有汉字、字符、数字等,所以选用内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形,能够显示汉字、字符、时间等的12864作为液晶显示模块。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令,可构成全中文人机交互界面。另外低电压、低功耗也是12864液晶显示模块的一个显著特点,能够进一步起到节能的效果。
2.4时钟芯片的选用本设计中的时钟及闹钟功能都要用到计时,若采用核心系统设置定时器计时,一方面需要采用计数器,占用硬件资源;另一方面又需要设置查询、中断等,同样耗费系统的资源。如果在系统中采用专门的时钟芯片,则能很好地解决这个问题。经查阅可知:DS1302芯片,每月的天数和闰年的天数可自动调整,与控制器之间能简单地采用同步串行的方式进行通信,仅需用到三个口线:复位、数据线、串行时钟。另外,DS1302工作时功耗很低,保持数据和时钟信息时功率小于1mW。
所以我们最终选用DS1302作为计时芯片。
2.5SD卡存储由于MSP430系统自带的flash容量较小,而设计中需要用到存储的地方较多,所需存储容量也较大,所以我们采用SD卡来扩展系统的存储容量。TF卡具有:能够移动,可扩展性强,能够支持文件系统、便于与PC数据传输等优点,所以最终选用TF卡作为外部存储卡来扩展系统的存储容量。
3硬件设计
根据以上论证,我们以MSP430系统为核心,采用中断控制nrf905单片无线收发器、液晶显示模块、时钟芯片DS1302以及输入设备键盘、用来扩展存储的SD卡和提供声音信号的蜂鸣器。
系统原理框图如图1所示:
4软件设计
4.1设计程序流程
设计程序的流程图如图2所示:
即系统初始化后进入MSP430系统低功耗模式,当有中断请求时,中断请求会将MSP430系统从低功耗模式中唤醒,根据中断请求响应相应的中断操作,而若没有中断请求则保持在低功耗模式。
4.2核心技术为了实现各项功能的要求,我们的系统在软件设计方面花费了较大的精力,现将一些核心技术作如下简介:
4.2.1低功耗为了尽可能实现低功耗,所有模块均采用中断方式,即没有中断时,MSP430系统处于低功耗模式3下,此时430的所有端口均关闭,相应的晶振端口也关闭;另外由于主界面是计时显示时间的,需要不断刷新,所以此处为了更好地实现低功耗,我们采用时钟中断的方式(即每一秒钟产生一个中断来执行时间的刷新功能);为了进一步实现低功耗,我们又作了相应的设置:当系统处在主界面并且连续60秒没有任何操作时,设置显示屏自动关闭,此时键盘和nRF905中断均可以将其唤醒。
4.2.2点对点信息的发送由于所使用的nRF905单片无线收发器一次只能传送32个字节,为了传输信息容量的最大化,我们采用分时传送的方式来实现信息与号码的发送。
4.2.3输入法的切换(中文的输入与显示)在设计系统时,我们预先将中文字库存储在MSP430系统自带的flash中,这样在中文输入时,采用直接寻址的方式对中文字库进行调用。
由于12864显示中文时必须双字节显示,所以我们在显示中文的程序中添加了相应的判断语句:若已显示字节数为偶数,则直接显示该中文字;若已显示字节数为奇数,则先显示一个空格,再显示该中文字。
4.2.4独立标识号我们所设计的每个终端系统均具有独立的标识号,由于nRF905的地址验证码是4个字节,所以有232(约43亿)个独立标识号。另外为了方便用户使用,我们将十六进制的标识号转化为相应是十进制数显示。
4.2.5SD卡的存储SD卡是系统中的外部存储设备,我们的设计程序中,所有有关存储的操作(例如:联系人的新建、联系人的查看、收件箱、发件箱、草稿箱、电子书等)均预先对SD卡进行检测,如果SD卡存在,则进行相关操作;如果SD卡不存在则给出提示并退出当前操作界面。
4.2.6脱离SD卡时信息的发送与存储系统设置成将SD卡拔出时,仍能够进行信息的发送与接收,但由于MSP430自带的flash太小,此中状态下发送与接收的信息部进行存储。
4.2.7文件系统我们设计的程序在系统开机时自动对SD卡进行检测,如果SD卡不存在,则给出提示;如果SD卡存在,则检测其是否具有系统文件(即联系人文件、收件箱文件、发件箱文件、草稿箱文件等),如果没有,则自动生成系统文件,此后,所有的存储操作均建立在该系统文件上。
5系统界面结构框图及功能
5.1系统界面结构图
由于设计的系统功能较多,我们采用多级菜单的形式,根据键盘按键的选择转至相应的界面,系统界面结构图如图3所示:
5.2项目功能①能够实现点对点信息的发送与接收,最大程度地缩短接收信息处理时间,同时还实现分时传送,即完成信息内容和发送者地址的分时接收;②信息的大容量存储(信息接收、发送及新建的实时存储);③联系人的存储与新建:最多可以新建21个联系人,可实时删除选中联系人并刷新所显示的联系人;④时间的调整与显示;⑤闹钟功能;⑥输入法的切换:能够实现中文、英文字母(大、小写)和数字之间输入法的切换;⑦电子书功能(重新打开电子书时,能够自动记忆上次的浏览);⑧文件系统:所有存储的信息和电子书均是以文件的形式保存在记忆卡中的,可以在windows下直接进行读取或修改;⑨每个终端系统均具有独立的标识号,最多可支持约43亿个独立标识号。