CN101719726A - 非接触能量信号同步传输的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种非接触式能量信号同步传输的方法，其特征在于，搭建非接触式交流电能传输系统；在初级回路中安装信号调制器，对信号调制器提供数字信号，在次级回路接收电能的同时，从次级回路中提取信号特征并进行数字信号复原，最终实现能量及信号非接触式同步传输。一种实现该方法的非接触式能量信号同步传输装置，初级回路设置有直流电源、逆变器以及激励线圈，其特征在于：所述逆变器中的信号调制器上连接有数字信号输入单元，所述次级回路中设置有信号提取与复原电路，信号提取与复原电路的输出端输出复原后的数字信号。本发明的显著效果是：简单易行，成本低廉，将能量大小当成一种数字信号进行还原，系统可靠性较高。
Description
技术领域
本发明属于能量传输以及信号传输领域，具体地说是一种非接触能量信号同步传输方法及其装置。
背景技术
随着科学技术的发展，非接触式能量传输已经广泛应用到电力传输以及自动控制等领域，如图1所示的传统非接触式电能传输系统，由初级回路和次级回路组成，其中初级回路包括直流电源、逆变器以及激励线圈，次级回路包括拾取线圈、补偿整流滤波单元以及负载，初级回路通过逆变器将直流电变换为一个高频交流电，进而在激励线圈附近形成高频交变磁场，拾取线圈通过电磁感应方式从磁场中获取能量，从而实现能量的非接触式传输。
然而在常见的技术中，我们一般只看到单一的能量传输系统或信号传输系统，功能比较单一，存在少数的能量信号同步传输装置，如参考文献[1-3]中在能量传输电磁耦合机构中增设一对信号传输线圈。该方法中需要额外增加一对信号传输线圈，增加了系统的成本和复杂度。论文[4，5]通过在初级线圈及次级线圈上分别增设一个信号耦合线圈，以逆变器输出电压的上升及下降边沿为同步时钟信号，通过对谐振变换器的控制，在开关切换动作之间将高频载波信号耦合到主电路上进行传输。该方法中载波信号容易受到干扰，系统设计较为复杂。
参考文献[5，6]通过调制逆变器开关频率，将信号通过能量流载波到拾取端，该方法在通信过程中很短的开关间隙将会在完全谐振前引起硬开关，增加了干扰，降低了系统稳定性。参考文献[7]在主电路增加了一个开关管，通过控制该开关管的通断来将被传输的窄脉冲信号加载到输入能量上，形成综合能量信息流传递到次级回路。该方法增加了系统主电路成本及复杂度，
现有技术的缺点：传统非接触式电能传输系统只能实现能量传输，其功能单一，存在少数的能量信号同步传输装置，其系统控制流程非常复杂，信号的调制和解调十分繁琐，干扰以及失真比较严重，系统的稳定性也不够高。
参考文献：
[1]T.Bieler，M.Perrottet，V.Nguyen and Y.Perriard，Contactlesspower and information transmission，IEEE Transactions on IndustryApplications，38(5)，2002，pp：1266-1272
[2]Kuo-kai Shyu，Ko-Wen Jwo，Zheng-Yong Chen and Chih-HungLo，Inductive power supply system with fast full-duplex information ratedevice，EUROCON，2007.The International Conference on″Computeras a Tool″，Warsaw，pp：1382-1386
[3]Fumihiro Sato，Takashi Nomoto，Genki Kano，Hidetoshi Matsukiand Tadakuni Sato，A new contactless power-signal transmission devicefor implanted functional electrical stimulation(FES)，IEEE Transactionson Magnetics，40(4)，2004，pp：2964-2966
[4]Junji Hirai，Tae-Woong Kim and Atsuo Kawamura，Study onintelligent battery charging using inductive transmission of power andinformation，IEEE Transactions on Power Electronics，15(2)，2000，pp：335-345
[5]Atsuo Kawamura，Kazuaki Ishioka and Junji Hirai，Wirelesstransmission of power and information through one high-frequencyresonant AC link inverter for robot manipulator applications，IEEETransactions on Industry Applications，32(3)，1996，pp：503-508
[6]周晓东，张河.用于引信的能量和信息非接触同步传输技术，兵工学报，24(3)，2003，pp：424-426
[7]周锦锋，孙跃，苏玉刚，戴欣，翟渊.感应耦合电能与信号同步传输技术，重庆工学院学报(自然科学)，23(4)，2009，pp：93-97
发明内容
本发明的目的是提供一种非接触能量信号同步传输的方法及其装置，该方法基于系统多软开关工作点功率传输能力差异特性，根据被传输的数字信号来调节系统注入能量，在初级回路和次级回路的耦合线圈间形成综合能量信息流，次级回路在接收电能的同时提取出信号特征并进行数字信号复原，该方法简单易行，实现该方法的装置，成本低廉，系统可靠性较高。
为达到上述目的，本发明表述一种非接触式能量信号同步传输的方法，其关键在于，按照以下步骤进行：
步骤一：搭建一个传统的非接触式交流电能传输系统，该非接触式交流电能传输系统由初级回路和次级回路构成，其中初级回路传送能量给次级回路；
步骤二：在所述初级回路中安装信号调制器和逆变器，并对信号调制器提供数字信号，令数字信号1对应的系统软开关工作点频率为f1，数字信号0对应的系统软开关工作点频率为f3，当信号调制器接收到数字信号1或0时，信号调制器产生相应工作点频率的软开关控制信号控制逆变器中开关管的通断，初级回路发送带有信息载波的能量信息流给次级回路；
信号调制器产生两种不同工作频率的软开关控制信号控制逆变器中开关管的通断，结合初级回路自身的谐振频率，初级回路发送两种具有不同能量值的电能给次级回路；
步骤三：在所述次级回路上设置一个信号提取与复原电路，用于提取次级回路电流中的能量信息流，在次级回路获得能量的同时，实现数字信号的接收和还原。
当接收到数字信号为1时，信号调制器产生的软开关控制信号的频率f1等于初级回路的谐振频率f0；
当接收到数字信号为0时，信号调制器产生的软开关控制信号的频率
因为系统始终在软开关工作模式下运行，有效避免了硬开关的出现，提高了系统的稳定性和抗干扰能力。
在系统工作时，通过初级回路中激励线圈与次级回路中的拾取线圈产生磁场耦合，完成能量的非接触式传输，当安装的信号调制器接收到数字信号1或0时，分别产生两种不同工作频率的软开关控制信号来控制逆变器中开关管的通断，由于初级回路中设置有谐振网络，不同频率的交流信号传输到同一谐振频率的谐振网络中，该谐振网络发送到次级回路中的能量信号将有所不同，所述次级回路设置有信号提取与复原电路，由于接收的能量信号不同，在接收电能的同时提取信号特征并进行数字信号复原，根据不同的能量信号判决出不同的数字信息，最终实现了能量与信号非接触式同步传输。
本发明还表述一种用于实现上述非接触式能量信号同步传输方法的装置，该装置由初级回路和次级回路组成，其中初级回路设置有直流电源、逆变器以及激励线圈，该逆变器主要由电流检测单元、信号调制器、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管以及谐振网络组成，所述次级回路设置有拾取线圈、补偿整流滤波电路以及负载电阻，其关键在于：所述逆变器中的信号调制器上还连接有数字信号输入单元，所述次级回路中还设置有信号提取与复原电路，该信号提取与复原电路的输入端连接在次级回路上，该信号提取与复原电路的输出端输出复原后的数字信号；
所述逆变器还可以由其他桥式电路组成。
该装置工作时，其初级回路和次级回路可以看作一个传统的非接触式能量传输系统，由初级回路中激励线圈与次级回路中的拾取线圈产生磁场耦合，完成能量的非接触式传输，由于在逆变器中设置有信号调制器，当信号调制器接收到数字信号1或0时，分别以不同的控制频率来控制四个开关管的通断状态，使其产生不同工作频率的交流信号，由于不同频率的交流信号传输到同一谐振频率的谐振网络中，该谐振网络将通过耦合线圈产生不同的能量信号传输到次级回路中，由于次级回路中设置有信号提取与复原电路，该信号提取与复原电路在接收到不同的能量信号时，通过检波比较电路最终还原出原有的数字信号，实现了能量与信号非接触式同步传输。
所述信号提取与复原电路由第一包络检波器、第二包络检波器以及电压比较器组成，其中第一包络检波器主要由第一二极管、第一电阻以及第一电容组成，该第一包络检波器的输出端还由第三电阻以及第三电容构成一个低通滤波器，该第一包络检波器的输出端输出电压连接在所述电压比较器的反相输入端上，所述第二包络检波器基本结构与第一包络检波器一致，分别由第二二极管、第二电阻、第二电容、第四电阻以及第四电容组成，其输出端输出电压经过第五电阻以及第六电阻分压后连接在电压比较器的正相输入端上，所述电压比较器的输出端输出复原后的数字信号。在电压比较器输出端连接的微处理器内设置一个时钟判别装置，时钟判别装置定时读取电压比较器的输出信号，当电压比较器输出的数字信号出现连续的0或连续的1时，时钟判别装置能自动识别并将其隔离出来。
所述信号提取与复原电路还可以由第一包络检波器、电源电压电路以及电压比较器组成，其中第一包络检波器主要由第一二极管、第一电阻以及第一电容组成，该第一包络检波器的输出端还由第三电阻以及第三电容构成一个低通滤波器，该第一包络检波器的输出端输出电压连接在所述电压比较器的反相输入端上，所述电源电压电路输出比较电压到电压比较器的正相输入端上，所述电压比较器的输出端输出复原后的数字信号。
信号提取与复原电路通过电压比较器还原出数字信号，该电压比较器的反相输入端采用包络检波的方式检测出能量信号的包络变化，其中2π/ω＜＜R1C1＜＜τ(τ为避免惰性失真的最大截止时间，ω为谐振网络的谐振角频率)，R3，C3构成的低通滤波器可以滤除高频交流信号，输入电压比较器反相端的电压Vout1可以反映出次级回路接收能量信号的包络变化，该电压比较器的正相输入端可以采用反相输入端结构一致的包络检波器，将包络检波器的参数更改为R2C2＞＞τ，使其输出端的电压Vout2近似直流，再经过设置的电阻R5，R6进行分压处理，最终将分压后的电压Vout3作为判决电压，使得电压比较器不失真地还原出原有的数字信号。
该电压比较器的正相输入端还可以设置为一个电源电压电路，通过一个电源电压电路输出一个判决电压，同样可以实现数字信号的还原，最终实现一种非接触式能量信号同步传输。
本发明的显著效果是：根据被传输的数字信号来调节系统注入能量，在初级回路和次级回路的耦合线圈间形成综合能量信息流，次级回路在接收电能的同时提取出信号特征并进行数字信号复原，该方法简单易行，实现该方法的装置，成本低廉，将能量大小当成一种数字信号进行还原，系统可靠性较高。
附图说明
图1为传统非接触式电能传输系统原理图；
图2为本发明的主系统电路图；
图3为信号调制器以控制频率f1控制开关管断通时，谐振网络中谐振电流的波形图；
图4为信号调制器以控制频率f3控制开关管断通时，谐振网络中谐振电流的波形图；
图5为数字信号进入本发明装置后的调制波形图；
图6为实施例1中信号提取与复原电路的电路原理图；
图7为实施例2中信号提取与复原电路的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1，2所示，一种非接触式能量信号同步传输的方法，其关键在于，按照以下步骤进行：
步骤一：搭建一个传统的非接触式交流电能传输系统，该非接触式交流电能传输系统由初级回路A和次级回路B构成，其中初级回路A传送能量给次级回路B；
步骤二：步骤二：在所述初级回路A中安装信号调制器A1和逆变器a，并对信号调制器A1提供数字信号，令数字信号1对应的系统软开关工作点频率为f1，数字信号0对应的系统软开关工作点频率为f3，当信号调制器A1接收到数字信号1或0时，信号调制器产生A1相应工作点频率的软开关控制信号控制逆变器中开关管的通断，初级回路A发送带有信息载波的能量信息流给次级回路B；
步骤三：在所述次级回路B上设置一个信号提取与复原电路B1，用于提取次级回路B电流中的能量信息流，在次级回路B获得能量的同时，实现数字信号的接收和还原。
当接收到数字信号为1时，信号调制器A1产生的软开关控制信号的频率f1等于初级回路A的谐振频率f0；
当接收到数字信号为0时，信号调制器A1产生的软开关控制信号的频率
在系统工作时，通过初级回路A中激励线圈Lp与次级回路B中的拾取线圈Ls产生磁场耦合，完成能量的非接触式传输，当安装的信号调制器A1接收到数字信号1或0时，分别产生两种不同的工作频率的软开关控制信号f1和f3来控制逆变器中开关管的通断，由于初级回路A中设置有谐振网络，不同频率的交流信号传输到同一谐振频率的谐振网络中，该谐振网络发送到次级回路B中的能量信号将有所不同，所述次级回路B设置有信号提取与复原电路B1，由于接收的能力信号不同，在接收电能的同时提取信号特征并进行数字信号复原，根据不同的能量信号判决出不同的数字信息，最终实现了能量信号非接触式同步传输。
本发明还表述一种用于实现上述非接触式能量信号同步传输方法的装置。
实施例1：如图1，2所示，该装置由初级回路A和次级回路B组成，其中初级回路A设置有直流电源Edc、逆变器a以及激励线圈Lp，该逆变器a主要由电流检测单元A2、信号调制器A1、第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4以及谐振网络组成，所述次级回路B设置有拾取线圈Ls、补偿整流滤波电路b以及负载电阻RL，其关键在于：所述逆变器a中的信号调制器A1上还连接有数字信号输入单元A3，所述次级回路B中还设置有信号提取与复原电路B1，该信号提取与复原电路B1的输入端连接在次级回路B上，该信号提取与复原电路B1的输出端输出复原后的数字信号。
该装置工作时，其初级回路A和次级回路B可以看着一个传统的非接触式能量传输系统，由初级回路A中激励线圈Lp与次级回路B中的拾取线圈Ls产生磁场耦合，完成能量的非接触式传输。
如图3，4所示，由于在逆变器a中设置有信号调制器A1，当信号调制器A1接收到数字信号1或0时，分别以不同的控制频率f1或f3来控制四个开关管的通断状态，使其产生不同工作频率的交流信号，由于不同频率的交流信号传输到同一谐振频率的谐振网络中，该谐振网络将通过耦合线圈产生不同的能量信号传输到次级回路B中。
所述信号调制器A1可以采用单片机或微控制器(MCU)完成数字信号的接收和控制功能。根据电流检测单元A2对LC串联谐振回路中的谐振电流进行过零检测，可以获得谐振网络的谐振频率f0，由信号调制器A1对接收的数字信号进行判别，分别产生f1＝f0或 的控制频率来控制开关管S1、S2、S3、S4的断通，使其产生不同工作频率的交流信号，该交流信号传输到同一谐振频率的谐振网络中后将会产生两种不同的能量信号，最终实现数字信号的调制功能。
如图5所示，信号调制器A1接收到不同的数字信号1和0时，分别产生了两种不同的能量信号到次级回路B中。
由于次级回路B中设置有信号提取与复原电路B1，该信号提取与复原电路B1在接收到不同的能量信号时，通过检波比较电路还原出原有的数字信号，实现了能量信号非接触式同步传输。
如图6所示，所述信号提取与复原电路B1由第一包络检波器B1a、第二包络检波器B1b以及电压比较器B1c组成，其中第一包络检波器B1a主要由第一二极管D1、第一电阻R1以及第一电容C1组成，该第一包络检波器B1a的输出端还由第三电阻R3以及第三电容C3构成一个低通滤波器，该第一包络检波器B1a的输出端输出电压Vout1连接在所述电压比较器B1c的反相输入端上，所述第二包络检波器B1b的基本结构与第一包络检波器B1a一致，分别由第二二极管D2、第二电阻R2、第二电容C2、第四电阻R4以及第四电容C4组成，其输出端输出电压Vout2，该输出电压Vout2再经过第五电阻R5以及第六电阻R6分压后输出Vout3连接在电压比较器B1c的正相输入端上，所述电压比较器B1c的输出端输出复原后的数字信号。
在电压比较器B1c输出端连接的微处理器内设置一个时钟判别装置，时钟判别装置定时读取电压比较器B1c的输出信号，当电压比较器B1c输出的数字信号出现连续的0或连续的1时，时钟判别装置能自动识别并将其隔离出来。
信号提取与复原电路B1通过电压比较器B1c还原出数字信号，该电压比较器B1c的反相输入端采用包络检波的方式检测出能量信号的包络变化，其中2π/ω＜＜R1C1＜＜τ(τ为避免惰性失真的最大截止时间)，R3，C3构成的低通滤波器可以滤除高频电能，输入电压比较器B1c反相端的电压Vout1可以反映出次级回路B接收能量信号的包络变化，该电压比较器B1c的正相输入端可以采用反相输入端结构一致的包络检波器，将包络检波器的参数更改为R2C2＞＞τ，使其输出端的电压Vout2近似直流，再经过设置的电阻R5，R6进行分压处理，最终将分压后的电压Vout3作为判决电压，最终使电压比较器B1c不失真地还原出原来的数字信号。
实施例2：如图7所示，所述信号提取与复原电路B1由第一包络检波器B1a、电源电压电路B1d以及电压比较器B1c组成，其中第一包络检波器B1a主要由第一二极管D1、第一电阻R1以及第一电容C1组成，该第一包络检波器B1a的输出端还由第三电阻R3以及第三电容C3构成一个低通滤波器，该第一包络检波器B1a的输出端输出电压Vout1连接在所述电压比较器B1c的反相输入端上，所述电源电压电路B1d输出一个判决电压Vout4到电压比较器B1c的正相输入端上，所述电压比较器B1c的输出端输出复原后的数字信号。
本发明的工作原理：
在系统工作时，通过初级回路A中激励线圈Lp与次级回路B中的拾取线圈Ls产生磁场耦合，完成能量的非接触式传输，当安装的信号调制器A1接收到数字信号1或0时，分别产生两种不同的工作频率的软开关控制信号f1和f3来控制逆变器中开关管的断通，由于初级回路A中设置有谐振网络，不同频率的交流信号传输到同一谐振频率的谐振网络中，该谐振网络发送到次级回路B中的能量信号将有所不同，所述次级回路B设置有信号提取与复原电路B1，由于接收的能量信号不同，在接收电能的同时提取信号特征并进行数字信号复原，根据不同的能量信号判决出不同的数字信息，最终实现了能量信号非接触式同步传输。
Claims (5)
1.一种非接触式能量信号同步传输的方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
步骤一：搭建一个传统的非接触式交流电能传输系统，该非接触式交流电能传输系统由初级回路(A)和次级回路(B)构成，其中初级回路(A)传送能量给次级回路(B)；
步骤二：在所述初级回路(A)中安装信号调制器(A1)和逆变器(a)，并对信号调制器(A1)提供数字信号，令数字信号1对应的系统软开关工作点频率为f1，数字信号0对应的系统软开关工作点频率为f3，当信号调制器(A1)接收到数字信号1或0时，信号调制器产生(A1)相应工作点频率的软开关控制信号控制逆变器中开关管的通断，初级回路(A)发送带有信息载波的能量信息流给次级回路(B)；
步骤三：在所述次级回路(B)上设置一个信号提取与复原电路(B1)，用于提取次级回路(B)电流中的能量信息流，在次级回路(B)获得能量的同时，实现数字信号的接收和还原。
2.根据权利要求1所述的一种非接触式能量信号同步传输的方法，其特征在于：当接收到数字信号为1时，信号调制器(A1)产生的软开关控制信号的频率f1等于初级回路(A)的谐振频率f0；
当接收到数字信号为0时，信号调制器(A1)产生的软开关控制信号的频率
3.一种用于实现权1所述方法的非接触式能量信号同步传输装置，由初级回路(A)和次级回路(B)组成，其中初级回路(A)设置有直流电源(Edc)、逆变器(a)以及激励线圈(Lp)，该逆变器(a)主要由电流检测单元(A2)、信号调制器(A1)、第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)以及谐振网络组成，所述次级回路(B)设置有拾取线圈(Ls)、补偿整流滤波电路(b)以及负载电阻(RL)，其特征在于：所述逆变器(a)中的信号调制器(A1)上还连接有数字信号输入单元(A3)，所述次级回路(B)中还设置有信号提取与复原电路(B1)，该信号提取与复原电路(B1)的输入端连接在次级回路(B)上，该信号提取与复原电路(B1)的输出端输出复原后的数字信号。
4.根据权利要求3所述的一种非接触式能量信号同步传输装置，其特征在于：所述信号提取与复原电路(B1)由第一包络检波器(B1a)、第二包络检波器(B1b)以及电压比较器(B1c)组成，其中第一包络检波器(B1a)主要由第一二极管(D1)、第一电阻(R1)以及第一电容(C1)组成，该第一包络检波器(B1a)的输出端还由第三电阻(R3)以及第三电容(C3)构成一个低通滤波器，该第一包络检波器(B1a)的输出端输出电压(Vout1)连接在所述电压比较器(B1c)的反相输入端上，所述第二包络检波器(B1b)的基本结构与第一包络检波器(B1a)一致，分别由第二二极管(D2)、第二电阻(R2)、第二电容(C2)、第四电阻(R4)以及第四电容(C4)组成，其输出端输出电压(Vout2)，该输出电压(Vout2)再经过第五电阻(R5)以及第六电阻(R6)分压后输出(Vout3)连接在电压比较器(B1c)的正相输入端上，所述电压比较器(B1c)的输出端输出复原后的数字信号。
5.根据权利要求3所述的一种非接触式能量信号同步传输装置，其特征在于：所述信号提取与复原电路(B1)由第一包络检波器(B1a)、电源电压电路(B1d)以及电压比较器(B1c)组成，其中第一包络检波器(B1a)主要由第一二极管(D1)、第一电阻(R1)以及第一电容(C1)组成，该第一包络检波器(B1a)的输出端还由第三电阻(R3)以及第三电容(C3)构成一个低通滤波器，该第一包络检波器(B1a)的输出端输出电压(Vout1)连接在所述电压比较器(B1c)的反相输入端上，所述电源电压电路(B1d)输出比较电压(Vout4)到电压比较器(B1c)的正相输入端上，所述电压比较器(B1c)的输出端输出复原后的数字信号。
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