杨瑞东 杨俊卿 孙博

摘  要： 动物机器人神经刺激器使用微型电池供电，较小的电池容量限制了刺激器的工作时长，为能使刺激器持续工作，文中提出一种基于无线充电的供电方案。为减小接收线圈的重量和尺寸对动物运动的影响，需要选择较小的尺寸，同时要保障足够的传输功率，因此提出并设计了基于非对称谐振线圈的无线充电方案。首先，基于电路理论和无线电能传输系统的电路模型，分析无线电能传输系统传输特性;然后，基于Matlab分析线圈匝数和线圈半径对传输性能的影响，并通过HFSS探明了非对称谐振线圈情况下传输距离与磁场的空间分布的关系;最后，建立一套基于磁耦合谐振的非对称无线电能传输实验平台，并进行实验验证。实验结果表明，理论数据、模拟数据和实验数据吻合较好，此方案既能满足接收线圈尺寸小的要求，又能抑制频率分裂，提高传输功率和效率，完全适用于动物机器人神经刺激器的无线电能传输。

关键词： 充电系统; 动物机器人; 无线电能传输; 非对称谐振线圈; 频率分裂; 传输效率; HFSS仿真

中图分类号： TN915?34; TM724                 文献标识码： A                    文章编号： 1004?373X（2019）12?0094?06

Abstract： The nerve stimulator of the animal robot is powered by the micro?battery， and the small capacity of the battery limits the working time of the stimulator. Therefore， a power supply scheme based on wireless charging is proposed in this paper to make the stimulator work continuously. Since it is necessary to select a small size receiving coil to reduce the influence of the weight and size of the receiving coil on animal motion， and sufficient transmission power needs to be ensured， a wireless power charging scheme based on the asymmetric resonant coil is proposed and designed. The transmission features of the wireless power energy transmission system are analyzed based on the circuit theory and circuit model of the wireless power energy transmission system. The influences of coil turns and radius on the transmission performance are analyzed with the Matlab. The relationship between the transmission distance and the spatial distribution of the magnetic field in the case of asymmetric resonant coil is explored by using the HFSS. An asymmetric wireless power energy transmission experimental platform based on the magnetic coupling resonance is established， and verified by the experiment. The experimental results show that the theoretical data， simulation data and experimental data are in good agreement; the scheme can not only meet the small size receiving coil requirement， but also suppress frequency splitting and improve the transmission power and efficiency， which is fully applicable to the wireless power energy transmission for the nerve stimulator of the animal robot.

Keywords： power charging system; animal robot; wireless power energy transmission; asymmetric resonant coil; frequency splitting; transmission efficiency; HFSS simulation

0  引  言

動物机器人的原理是利用电信号刺激动物特定的神经位点，从而控制活体动物按照人的要求运动，因为其操控的本体是动物本身，所以被称作动物机器人[1]。图1所示为动物机器人大鼠。动物机器人的神经刺激器安置在动物身上。为摆脱电线对动物运动的束缚，神经刺激器工作于无线遥控方式，因此，整个刺激器利用电池供电。如果使用大电池，会增加动物的负重，影响控制效果;如果使用小电池，电能容量有限，更换较为频繁，每次更换都要中断实验过程，并且更换过程中的外界因素会使动物的情绪产生波动，破坏实验过程的连续性，在一定程度上影响了实验数据的客观性和一致性，为实验数据的分析带来干扰。为了在使用小容量电池的同时又不频繁地更换电池，本文提出一种边刺激边为电池无线充电的电能传输方案。无线电能传输（Wireless Power Transfer，WPT）可以在互不接触的发射端和接收端之间传输电能，这符合动物机器人自由运动的要求。然而，动物机器人神经刺激器无线电能传输不同于一般的电子设备的无线电能传输方案。它对接收线圈的尺寸有特殊要求，主要原因是动物机器人的神经刺激器安装于动物身上，接收线圈与刺激器相连，为减小接收线圈的重量和尺寸对动物运动的影响，需要选择较小尺寸的接收线圈。

图1  动物机器人大鼠

为使无线电能传输系统获得高的传输效率，需要保持无线电能传输系统工作在临界耦合的状态下。随着两线圈之间距离的变化，系统可能从临界耦合状态变为过耦合状态，从而出现频率分裂现象，导致传输效率降低。为了提高系统的传输效率，必须抑制频率分裂的发生。抑制频率分裂有如下多种方法：采用阻抗匹配网络来调整等效负载电阻的方法[2];通过测量和比较接收端和发射端的功率来调整谐振频率的方法[3];调整四线圈结构系统中各线圈之间的距离改变耦合系数来抑制频率分裂的方法[4];使用自适应匹配网络抑制频率分裂的方法[5];利用一套由两组线圈组成的特殊发射线圈减缓耦合系数的变化，从而抑制频率分裂的方法[6]。

本文提出一种基于非对称谐振线圈的无线电能传输的方案来抑制频率分裂和提高传输效率。首先，基于Matlab分析了线圈匝数和线圈半径对传输性能的影响;其次，利用HFSS仿真工具探明了传输距离和磁场空间分布之间的关系;最后，建立一套基于磁耦合谐振的非对称WPT系统，并进行了实验验证，结果表明理论数据、模拟数据和实验数据吻合较好。最终结果表明此方案既能满足接收线圈尺寸小的要求，又能抑制频率分裂，提高传输功率和效率，可以应用于动物机器人神经刺激器的无线电能传输。

1  系统建模和分析

1.1  建立电路模型

磁耦合谐振式无线电能传输系统一般可分为两线圈结构和多线圈结构，为便于分析，本文采用两线圈结构，电路模型见图2。其中：U1为发射端所连接的激励电压;R1，R2分别为发射端和接收端的内阻;L1，L2分别为发射线圈和接收线圈的电感;C1，C2为发射端和接收端的谐振电容;RL为负载;M为发射和接收线圈間的互感。

图2  无线电能传输系统电路模型

对于确定的RL，传输效率是关于线圈的耦合系数、线圈品质因数的函数f（Q1，Q2，K）。通过函数关系可得出最佳的线圈参数，从而获得最佳传输性能。

2  仿真分析

2.1  线圈匝数对传输性能的影响

由第1节的理论分析可知，传输效率的大小由线圈的耦合系数和品质因数共同决定，而线圈的匝数直接决定了线圈的品质因数以及耦合系数，所以最优的传输效率可以通过选择合适匝数的线圈得到。因此，通过研究线圈的匝数和系统传输效率之间的关系，可以合理地设计系统的耦合机构。

选择用截面半径为1 mm和0.5 mm的聚氨酯纯铜漆包线分别绕制成发射线圈和接收线圈，设定发射线圈和接收线圈的形状均为半径r=10 cm的圆形，传输距离d=15 cm，发射线圈和接收线圈的匝数分别为N1，N2，仿真时的匝数起始于5匝，终止于20匝，其仿真的步长为1匝，对其进行有限元的仿真。图3为传输效率随线圈匝数变化的关系。

观察图3可知，发射线圈的匝数对传输效率的影响比较小，可以忽略不计。接收线圈匝数对传输效率影响较大，随着接收线圈匝数的增加，传输效率先增大后减小，接收线圈匝数为15匝时，传输效率最高。

图3  传输效率随线圈匝数变化的关系

2.2  线圈半径对传输性能的影响

在两个线圈的距离逐渐接近时，电能传输会发生频率分裂的现象，从而导致传输效率的下降，此时两线圈处于过耦合的状态，可以通过耦合因数θ的大小来判断线圈是否处于过耦合状态。当θ>1时，称之为过耦合;当θ=1时，称之为临界耦合;当θ<1时，称之为欠耦合。耦合因数定义为：

根据第2.1节中的仿真数据，选择N1=8，N2=15，r1=10 cm，进行有限元的仿真，得出如图4所示的传输距离d、接收线圈半径r2和耦合因数θ的关系。

图4中，接收线圈的半径不变时，耦合因数随传输距离的减小而增大;接收线圈的半径越小，耦合因数增大的速度越慢。因为θ>1时，会出现频率分裂，所以为了抑制耦合因数的快速增大，可以选择较小半径的接收线圈。由此可知，接收线圈半径较小的不对称线圈结构可以有效地抑制频率分裂。

2.3  基于磁场分布的HFSS仿真

为了进一步验证，对其进行HFSS仿真。首先仿真得出如图5所示的电能传输系统工作时的平面磁场分布图。图中蓝色表示磁场强度最小，红色表示磁场强度最大，所以由图5可知，随着距离的增加，磁场强度逐渐减小。然后，再进一步对电能传输系统的磁场增益进行仿真，得出如图6所示的三维磁场增益图。观察图6可得，在线圈轴向方向（沿y轴方向）系统的磁场增益最大，说明沿轴向方向电能的传输性能最好。

图4  传输距离、接收线圈半径和耦合因数[θ]的关系

图5  平面磁场分布图

图6  三维磁场增益图

为了更加直观地观察在轴向方向上的磁场增益，进一步仿真得出图7所示的二维磁场增益图，表示在不同的轴向传输距离下的二维磁场增益。

根据图7可以绘制出图8所示的传输距离和磁场增益关系图。观察图8可知，随着传输距离的增大，磁场增益都会先增大后减小。这是因为近距离电能传输时会产生一定的频率分裂，所以磁场增益较小，随着距离的增加，频率分裂消失，磁场增益会逐渐增大，然而当传输距离太大时，线圈间的耦合系数会减小，导致磁场增益减小。同时磁场增益在线圈近距离传输时也保持较高的数值（大于1 dB），由此可以证明非对称线圈可以使磁场的增益在近距离传输时保持较高的值，从而使接收端的感应电压较高，系统的传输功率较大。

图7  非对称线圈在不同传输距离下的磁场增益图

图8  非对称线圈下传输距离和磁场增益关系图

通過仿真分析可知：发射线圈的匝数对传输效率影响很小，负载确定的情况下，可以通过改变接收线圈的匝数来提高传输效率，为了在近距离传输时抑制频率分裂，可以采用半径较小的接收线圈。同时半径较小的接收线圈的非对称线圈结构也可使近距离传输时的磁场增益保持较高的值，使近距离传输时达到较高的传输功率。

3  实验验证

3.1  实验装置

为了验证理论的正确性，设计开发了一套实验系统，如图9所示。该系统包括逆变电源、发射装置、接收装置、稳压模块和负载。发射电路采用单E类高频逆变电源电路，发射线圈采用线径为2 mm的漆包线，绕制成直径20 cm的多匝线圈，匝数为8;接收线圈采用线径为1 mm漆包线，绕制成直径8 cm的多匝线圈，匝数为15。接收回路采用全桥整流电路进行整流，然后并联一个大电容进行滤波。为了进行比较，再绕制一个与发射线圈相同的线圈作为比较线圈。各线圈参数如表1所示。

图9  无线电能传输系统

表1  各线圈参数

3.2  验证比较

将线圈接入电路进行验证实验，固定发射端的电压为5 V，电流为1 A，多次改变传输距离，分别测量不同传输距离下的接收端的电压和电流，然后计算出传输效率，结果如表2所示。

表2  不同距离的传输效率

根据表2中的数据绘制距离与传输效率关系图，把两组数据进行直观的比较，如图10所示。由图10可知，当系统近距离传输时，不对称线圈有效地抑制了频率分裂，使传输效率相比使用对称线圈时提高了接近1倍;但是中距离传输时，使用不对称线圈时的传输效率略低于使用对称线圈时的传输效率。

图10  传输效率随距离变化的关系

3.3  验证结果

由以上实验可知，不对称的线圈可以有效地抑制频率分裂，提高近距离的电能传输的效率。将实验结果与理论数据和仿真数据进行比较，结果如图11所示。

图11  理论、仿真和实验数据

由图11可知，理论数据与仿真数据基本一致，实验数据在每个节点上传输效率都略低于理论数据，但是整体趋势是相同的，这是因为在实验中产生了各种消耗以及外界的干扰。要消除干扰和减少消耗是需要进一步考虑的问题。

4  结  论

本文以动物机器人神经刺激器的无线充电为背景，提出一种使用非对称谐振线圈的无线充电方案。此方案采用具有较大尺寸发射线圈和较小尺寸接收线圈的非对称线圈结构，小尺寸的接收线圈可以有效地减轻动物机器人的负重，从而减小对动物运动的不利影响。本文在理论分析和仿真验证的基础上，设计一套基于磁耦合谐振的非对称无线电能传输系统。实验表明该系统既能满足接收线圈尺寸小的要求，又能抑制频率分裂，提高传输功率和效率，从而验证了非对称谐振线圈无线电能传输为动物机器人神经刺激器无线充电的可行性。

注：本文通讯作者为杨俊卿。

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