引信无线装定中负载阻抗角对能量传输性能影响

曹 娟，张 合，王晓锋

(南京理工大学智能弹药技术国防重点学科实验室，江苏 南京 210094)

0 引言

引信无线装定技术因装定过程不需要装定器与引信间发生直接物理接触，可显著提高装定速度，缩短发射准备时间，得到广泛应用，根据装定原理不同，又可分为电磁感应装定、光学装定、射频装定、磁共振耦合装定等[1-3]。其中，磁共振耦合无线装定，是近几年提出的一种新型装定技术[4-5]，其技术基础是依据2007年麻省理工学院Marin Soljacic科研小组发表在《Science》上的磁共振耦合无线电能传输原理[6]，通过信息加载技术，实现单一通道的能量和信息同步传输。

对于磁共振耦合无线电能传输技术的研究，国内外学者已在传输机理、共振状态跟踪保持、多负载特性等方面取得了卓有成效的成果，但是早期研究主要集中在负载为纯电阻条件下的传输理论。随着研究的深入，该技术已逐渐进入工程实用阶段，相应的负载阻抗特性影响也引起研究人员的重视，现有研究结论已确认：负载阻抗对磁共振耦合无线电能传输系统性能有重要影响，负载阻抗变动、非纯阻性负载等均会引起传输功率下降，通过频率控制或动态调谐方法可起到优化控制作用[7-9]。但是，负载阻抗角对传输系统的影响规律，如阻抗角对传输功率、效率的影响，尚无较深入的研究。引信磁共振耦合无线装定系统作为磁共振技术的典型应用，其接收端负载为引信装定接收电路，与电动汽车无线充电、无线胶囊内窥镜等应用场合类似[10-11]，传输系统的接收端是由不同电路功能模块构成的复杂负载，因线圈回路间的互感耦合作用，共振系统传输性能对负载中的电抗部分反应比较敏感，采用负载阻抗角来定量衡量传输性能影响规律。

在当今制造业中，微电子技术、传感器技术等飞速发展，在提高生产效率的同时也需保障产品的质量，自动化越来越受到企业的重视。工业机械臂作为自动化生产线上的重要部分，将机械化和自动化有机的结合在一起，大大提高了生产自动化、精准化[1]。机械臂拾取装置在电子制造领域较为普遍，为了实现加快生产效率和保证产品质量的目标，机械臂拾取装置在工作过程中需具备快速准确定位的性能。模糊控制是以模糊集理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种智能算法，在工业生产领域的控制上有着广泛的应用[2]。针对机械臂拾取装置的控制性能，应用模糊控制方法对其进行仿真研究，实现快速拾取和准确定位。

针对引信无线装定中负载阻抗角对系统传输性能具有重要影响的问题，采用理论分析、软件仿真结合实验测试的方法，分析不同负载阻抗角下的系统功率、效率传输性能，对比负载阻抗中阻性部分和阻抗角相同，而电抗部分构成不同情况下的传输特性，并研究了收发端耦合磁场空间分布特征随负载阻抗角的变化规律。

文中阐述了折臂式铁钻工底座回转机构工作原理为：电动机通过驱动轮带动行星轮将扭转力传递到回转轴承上进而实现了铁钻工整体的旋转运动，完成钻井上卸钻柱丝扣的工艺要求，并得出了以下结论：

1 非纯阻性负载下传输特性理论分析

为使研究结论更具一般性，对装定系统分析时，不对引信装定电路模块具体系统组成或电路结构做分析，不论其由多少器件构成，结构上串并联如何复杂，将其看作二端网络，阻抗均可写为Z=RL+jXL的形式，而XL可进一步拆分成XL=ωLL-1/(ωCL)。采用阻抗角φ=arctan(XL/RL)来定量分析负载阻抗中阻性部分RL和电抗部分XL对系统传输性能的影响。

图1 装定系统等效电路Fig.1 Equivalent circuit of the setting system

负载阻抗Z通过线圈回路耦合，在中继线圈D中产生映射阻抗，可表示为[4]：

(1)

由磁场分布云图可知：对于负载中电阻部分相同，阻抗角也相同的系统，其共振条件下的磁场空间分布特征也基本相同，如图5(a)与(b)；随着阻抗角绝对值的增大，收发端磁场耦合效果逐渐减弱，如图5(b)至(c)中接收端磁场分布云图依次减弱；不同负载阻抗角下的磁场分布特征与能量传输性能相对应，即磁场分布相似，其传输性能也相似，收发端磁场耦合减弱，其传输性能也相应下降。

采用ANSYS Maxwell电磁仿真软件，分析不同负载阻抗下传输系统磁场分布情况。参数设置如下：导线直径0.69 mm，线圈直径76 mm，A、B为2匝，S、D为4匝，其中A与S，B与D分别紧靠(间距为0)，收发端间距60 mm。因文中分析的螺线圈耦合系统为关于轴线的旋转对称结构，因此可用二维模型对其仿真。传输系统线圈结构参数相同，取四组不同负载阻抗条件，其中电阻和电感部分分别固定为50 Ω、9.01 μH，电容部分见图题标注，结果如图5所示，各云图中上半部分为发送端，下半部分为接收端。

(2)

(3)

因此中继线圈D工作时的等效参数较设计参数产生偏移。引信磁共振装定系统能量高效从装定器至引信无线传输的基础是收发端固有频率一致，以形成磁共振强耦合。因负载阻抗中含容性或感性成份，在映射阻抗影响下，中继线圈等效阻抗发生了变化，收发端固有频率不再一致，可以预见：传输性能较负载为纯电阻情况将下降，共振频率也将产生偏移。

2 影响规律分析

由图3可知：阻抗角对系统传输性能有重要影响，虽然非零阻抗角下功率、效率频响曲线形状与负载为纯电阻下相似，也存在功率、效率峰值，但这种工作状态是一种亚共振状态，主要原因是负载阻抗通过线圈间耦合映射，使得中继线圈等效参数发生了变化，收发端固有频率不再一致，从而引起传输性能的下降，且随着阻抗角绝对值的增大，传输功率和效率下降越明显。

图2 阻抗角随频率的变化Fig.2 Impedance angle changes with frequency

为研究阻抗角变化对系统传输性能的影响，仿真分析了相同线圈参数，不同负载阻抗角下的系统功率传输特性，线圈参数见表1。本文分析中负载阻抗的阻性部分固定为50 Ω，通过调整电容与电感间组合，实现阻抗角的变化。图3负载阻抗中电感部分LL=50 μH，电容部分见图中标注。

表1 计算参数Tab.1 Calculation parameters

图3 阻抗角变化下的传输曲线Fig.3 Transmission curves under different impedance angles

阻抗角是与工作频率的相关量，随频率变化而变化，如图2。为获得好的传输性能，装定系统是在共振频率下工作的，因此，采用阻抗角衡量负载阻抗中阻性和电抗部分对系统传输性能的影响时，阻抗角是指共振频率下的阻抗角，图中共振频率1 MHz下的阻抗角为-70°。

为验证上述分析结论的正误，设计了一套传输系统，如图6所示。线圈参数设置与图5仿真参数相同。传输系统输入端由峰-峰值1 V的正弦激励信号驱动。为便于负载参数调整，定量分析负载阻抗角影响规律，实验中负载阻抗角调整由电阻、电容、电感分立元件的不同组合实现，与理论分析部分相同，电阻部分取50 Ω固定值。

图4 相同阻抗角下传输性能对比Fig.4 Comparison of transmission performance under the same impedance angle

自然条件的技术措施不是对自然条件的制衡，而是通过科学合理地掌握红松的生长发育条件，进行适宜的林分选择和自然条件的有效改善。首先，红松造林前应选择适宜的造林地。在充分考虑土壤水分、肥力、排水、日照和温度等因素后，应选择适宜的区域种植红松。在选择红松种植面积后，必须对造林地进行春、秋耕细作，并计划具体的播种期。红松林造林的适宜时间是人工林一年前的雨季。以保持土壤适合造林。红松的播种期最好是春季。苗床湿润，随着土壤的融化，形成了上浆造林的土壤优势。保障苗木的生长发育，促进苗木良好的木质化。

图5 不同负载阻抗下的磁场分布云图Fig.5 Magnetic field distribution under different load impedances

3 实验验证

负载阻抗的具体构成不同也可能存在阻抗角相同的情况，图4为不同负载阻抗构成，相同阻抗角下的系统功率与效率传输性能。由该图可知：对于负载中电阻部分相同的传输系统，若阻抗角相等，则共振下的传输性能也相同，原因在于负载阻抗通过线圈回路耦合映射在中继线圈中引起的映射阻抗相同，因而，引起的传输性能下降程度、共振频率偏移情况也相同；随着工作频率偏离共振点，相同阻抗角下的不同负载阻抗传输系统传输性能会出现差别，这主要因为本文所述阻抗角是定义在共振频率下的阻抗角，偏离共振频率点后，阻抗角不再相同，线圈耦合映射引起的映射阻抗也有差别。

图6 实验测试图Fig.6 Experimental test figure

图7为不同情况下的实验数据，表2列出了实验值，其中“fr”为共振频率，“功率”为共振频率下的功率，“效率”一栏为共振频率下的系统传输效率。由该图可知：非纯阻性负载下的传输性能与纯阻性负载系统相似，即对工作频率较为敏感，存在共振频率点；负载阻抗角对系统传输性能有重要影响，随着阻抗角绝对值的增大，传输功率逐渐下降；对于负载中阻性部分相同的系统，若阻抗角相同，不论其电抗部分构成如何，传输功率和效率也基本相同。相同阻抗角下传输性能实验值间存在微小差别主要因为试验测试过程中线圈间距离误差、测量误差等原因引起。实验结果与理论分析结论一致。

图7 传输性能实验图Fig.7 Experimental result

阻抗角负载参数fr/MHz功率/mW效率/%α=-64°CL=1.00 nFLL=9.01 μF1.0035.9636.81CL=1.55 nF1.0066.0437.06CL=0.84 nFCL=13.81 μF1.0045.9637.13α=0°CL=2.82 nFCL=9.01 nF1.0139.1554.52纯电阻1.0209.2055.67CL=1.84 nFCL=13.81 μF1.0199.0655.39α=45°CL=30.73 nFCL=9.01 μF1.0327.2746.36CL=7.86 μF1.0337.2445.87CL=4.47 nFCL=13.81 μF1.0317.1345.73

4 结论

本文分析了引信磁共振耦合无线装定中负载阻抗角对能量传输性能的影响规律。首先基于互感耦合理论，指出负载阻抗中电抗部分通过耦合映射，会引起中继线圈等效阻抗变化，从而导致系统传输性

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能下降，然后进行数值仿真、磁场仿真分析，最后结合实验验证，得出了负载阻抗角的影响规律。仿真与实验结果表明：负载阻抗中电抗部分会引起装定系统传输性能下降及共振频率偏移；随着负载阻抗角绝对值的增大，系统传输性能下降越明显；对于负载阻抗中电阻部分相同的传输系统，只要负载阻抗角相同，不论电抗部分具体构成如何，其传输特性也相同；装定系统收发端线圈耦合磁场空间分布特性与能量传输特性变化规律相对应。文中所得结论对认清负载阻抗角在装定系统中的影响规律有重要意义，通过阻抗匹配设计，减小负载阻抗角，提高系统传输性能，是接下来重点研究方向。