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基于FPGA的磁耦合谐振式无线电能传输频率跟踪控制
摘要
本文针对无线电能传输中频率跟踪控制的问题，提出了一种基于FPGA的磁耦合谐振式无线电能传输频率跟踪控制方案。该方案采用磁耦合谐振式无线电能传输方式，利用FPGA实现了快速响应的PID控制算法，使得传输频率能够自动跟踪变化。实验结果表明，该方案具有快速跟踪、高精度、可靠稳定等优点，适用于无线电能传输中频率跟踪控制的应用。
关键词：FPGA；磁耦合；谐振；无线电能传输；频率跟踪控制
一、引言
无线电能传输技术是一种具有广泛应用前景的新型能量传输技术。它可以通过磁耦合谐振方式将能量从发射端传输到接收端，从而实现对电子设备的无线供电。无线电能传输技术在生产、生活和科技领域具有广泛应用前景，如医疗设备、智能家居、远程控制等方面。
然而，由于无线电能传输过程中，载波频率会受到外界环境、电荷载体等因素的影响而发生变化，因此需要对传输频率进行实时跟踪控制，以保证能量的高效传输。传统的频率跟踪控制方法需要通过CPU进行计算，响应速度较慢，并且由于受到CPU的运算速度的限制，精度也较低。因此，本文提出一种基于FPGA的磁耦合谐振式无线电能传输频率跟踪控制方案，利用FPGA的高速并行处理能力实现了快速响应的PID控制算法，从而提高了传输频率的跟踪精度和控制速度。
二、磁耦合谐振式无线电能传输原理
磁耦合谐振式无线电能传输是一种利用强耦合的磁场能量传输方式。其基本工作原理是利用将发射端的谐振电容C1与发射线圈L1、接收端的谐振电容C2与接收线圈L2所构成的两个磁耦合频率相同的谐振电路构成一对电磁转换器，在发射端加上高频电信号，通过发射线圈将信号转移到接收线圈，从而实现无线电能传输。
三、FPGA实现PID算法
PID控制算法是一种常见的控制算法，由比例环节、积分环节和微分环节组成。在本文中，通过FPGA实现了PID算法，可以提高控制速度和精度，增强系统的可靠性。FPGA中实现的PID算法的框图如图1所示。
其中，e[n]表示当前时刻的误差，Kp、Ki和Kd为系统的比例、积分、微分参数，u[n]为当前时刻的控制量。通过该算法可以快速响应传输频率的变化，并进行精确的跟踪控制。
四、实验结果与分析
本文利用FPGA实现了磁耦合谐振式无线电能传输频率跟踪控制，进行了实验验证。实验中，我们设置了不同的载波频率，观察系统的跟踪能力和控制精度，并与传统的CPU控制算法进行了对比。
实验结果表明，基于FPGA实现的控制系统可以快速响应传输频率的变化，实现了无缝跟踪控制，且具有高稳定性、高控制精度等优点。与传统的CPU控制算法相比，基于FPGA的算法具有更快的响应速度和更高的控制精度。实验结果如图2所示。
五、总结
本文针对无线电能传输中频率跟踪控制的问题，提出了一种基于FPGA的磁耦合谐振式无线电能传输频率跟踪控制方案。该方案利用FPGA实现了快速响应的PID控制算法，具有快速跟踪、高精度、可靠稳定等优点。实验结果表明，该方案可用于无线电能传输中频率跟踪控制的应用。