CN102290874A - 非接触式能量传输系统的功率调节电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种非接触式能量传输系统的功率调节电路，包括拾取线圈、调谐电容以及负载，其特征在于：拾取线圈由一个固定电感和一个可变电感串联而成，可变电感的接入值由控制器控制，该控制器的输入端设置有过零检测电路和采样电路，该控制器的输出端还设置隔离电路和驱动电路，该控制器的控制方法是通过比较上一个周期和下一个周期的采样电压值的大小来确定可变电感的接入值，通过循环的对前后周期电压进行比较，最终使副边拾取电压稳定在一个固定值或者在两个值之间波动。其显著效果是：电路结构简单，控制算法容易实现，系统有较好的动态响应速度、稳定性和抗干扰性，在负载变化过程中，能够保证功率的有效拾取，实现系统最大能量传输。

Description

非接触式能量传输系统的功率调节电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及到非接触式能量传输技术，具体地说，是一种非接触式能量传输系统的功率调节电路及其控制方法。

背景技术

随着科学技术的发展，非接触式能量传输技术已经得到广泛应用，例如大功率电气设备的非接触供电、小功率便携式电子装置的非接触充电、特殊环境下工作的电气设备的非接触供电等。该技术因其无接触火花，无器件磨损、易维护、安全性能好、低噪声、自动化程度高等优点，从而具有广阔的应用前景。

如图1所示，非接触式能量传输系统主要由初级回路和次级回路组成，也叫原边回路和副边回路。通常初级回路是由高频逆变器和LC谐振电路组成的固定模块，次级回路主要由拾取线圈，功率调节电路以及可变负载组成，可在一定范围内移动，初级回路与次级回路之间不存在电气连接。初级回路主要完成电能的变换与发送，次级回路主要完成能量的拾取与功率调节，系统之间通过空间电磁耦合实现能量的传递。

由于受到负载变化以及次级回路移动距离的影响，系统的谐振频率将会发生变化，从而改变系统的传输功率。因此在负载端进行功率调节是非常重要的。目前，非接触式能量传输系统中输出功率调节通常采用在次级回路中接入降压斩波电路或升压斩波电路的方法，或者是通过解耦的方式来调节。它们都是从控制占空比的角度出发来达到控制系统输出功率的目的。但是，以上三种方法都存在一些不足之处。对于接入降压斩波电路和解耦这两种方法来说，如果本来次级回路拾取到的功率就比较低，而负载需要输出更大功率的时候，不管怎样调节占空比，系统的输出功率将始终无法增大。而对于接入升压斩波电路的方法来说，当次级回路电压随着负载的变化而升高时，升压斩波电路不能达到减小电压的目的。可以看出，以上这三种方式都是在假设系统本来就有足够大的输出功率的前提下才能够使用的。

因此，非接触式能量传输系统中还需要采用更加优越的功率控制策略。

发明内容

本发明的目的之一是提出一种非接触式能量传输系统的功率调节电路，不管负载是增加或者减少，该功率调节电路能够保证次级回路中的谐振电路始终处于谐振状态，实现能量的最大功率传输。 

为达到上述目的，所采用的方案如下：

一种非接触式能量传输系统的功率调节电路，包括拾取线圈、调谐电容以及负载，所述拾取线圈与调谐电容组成副边谐振回路实现能量的拾取并将拾取的能量传送至所述负载，其关键在于：所述拾取线圈由一个固定电感和一个可变电感串联而成，所述可变电感的接入值由控制器控制，该控制器的输入端设置有过零检测电路和采样电路，所述过零检测电路的检测点和采样电路的采样点均连接在所述负载的高电平端，其中过零检测电路将检测到的电压过零信号送入到所述控制器的第一输入端，所述采样电路将采集到的电压信号送入到所述控制器的第二输入端，该控制器的输出端输出控制信号，该控制信号经过隔离电路和驱动电路控制所述可变电感。

通过在次级回路中串联可变电感来对系统谐振频率进行动态跟踪，实现次级回路拾取功率的调节。负载变化以及原边频率变化时，拾取线圈中的感应电动势频率将会发生变化，使其偏离了副边的固有谐振频率，副边不能达到完全谐振，导致拾取功率下降，通过改变拾取线圈的接入值来保证副边始终处于谐振状态，从而实现能量的最佳拾取。

拾取线圈为一个固定电感和一个可变电感串联而成，固定电感可为负载拾取部分基本能量，可变电感作为调节机构，其电感值由控制器进行控制，控制器根据采样电路实时采集副边回路能量拾取状态，根据拾取功率的变化情况动态调整可变电感的接入值，另外，控制器通过过零检测电路获取副边电压的过零时刻，在谐振电压为零时输出控制信号，这样可变电感投切过程中开关器件工作在软开关模式，减少系统的开关损耗。

为了控制信号的稳定性和有效性，必须设置隔离电路和驱动电路，该技术为本领域惯用技术手段，具体细节不再赘述。

所述可变电感由8个电感串联而成，其电感值分别为L1=1uH、L2=2uH、 L3=4uH、 L4=7uH、 L5=10uH、L6=20uH、L7=40uH、 L8=70uH，在每个电感的两端并联有一个可控开关管，该可变电感接入值的变化范围为0～154uH。

可变电感采用多个电感串联而成，在电感两端并联可控开关，开关断开时，电感有效，开关闭合时，电感短路，通过不同的开关组合确定可变电感的接入值，电路结构和控制算法都比较简单，实施效果优越。电感的数量以及各个电感的电感值并不局限于此，可根据具体的应用场景和需求进行设定。

本发明的目的之二上提出一种非接触式能量传输系统的功率调节电路的控制方法，以保证系统功率的最佳拾取和有效传输。

其具体步骤如下：

第一步：进程开始，系统初始化并设置计数器N=0；

第二步：控制器获取采样电路所采集的电压值，并作为第一采集电压值U1存储在寄存器中；

第三步：进入延时进程，延时一个周期T；

第四步：控制器获取采样电路所采集的电压值作为第二采集电压值U2；

第五步：控制器判断所述第一采集电压值U1与第二采集电压值U2之间的关系；

如果第一采集电压值U1小于第二采集电压值U2，设置计数器N=N-1；

如果第一采集电压值U1等于第二采集电压值U2，设置计数器N=N；

如果第一采集电压值U1大于第二采集电压值U2，设置计数器N=N+1；

第六步：控制器输出电感接入值为N的控制信号；

    第七步：设置第一采集电压值U1等于第二采集电压值U2并返回第三步循环运行。

本发明的显著效果是：电路结构简单，控制算法容易实现，系统有较好的动态响应速度、稳定性和抗干扰性，在负载变化过程中，能够保证功率的有效拾取，实现系统最大能量传输。

附图说明

图1是非接触式能量传输系统的电路原理框图；

图2是本发明的电路原理框图；

图3是图2中可变电感L’的电路原理图；

图4是图2中控制器3的控制流程图。

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2所示：本发明提出的一种非接触式能量传输系统的功率调节电路，包括拾取线圈Ls、调谐电容Cs以及负载RL，所述拾取线圈Ls与调谐电容Cs组成副边谐振回路实现能量的拾取并将拾取的能量传送至所述负载RL，所述拾取线圈Ls由一个固定电感L和一个可变电感L’串联而成，所述可变电感L’的接入值由控制器3控制，该控制器3的输入端设置有过零检测电路1和采样电路2，所述过零检测电路1的检测点和采样电路2的采样点均连接在所述负载RL的高电平端，其中过零检测电路1将检测到的电压过零信号S1送入到所述控制器3的第一输入端，所述采样电路2将采集到的电压信号S2送入到所述控制器3的第二输入端，该控制器3的输出端输出控制信号S3，该控制信号S3经过隔离电路4和驱动电路5控制所述可变电感L’。

在具体实施时，过零检测电路1选用LM311系列的电压比较器实现过零检测，比较器的正相输入端接地作为零点，负相输入端作为检测点，比较器的输出端作为过零检测电路1的输出端。采样电路2采用霍尔传感器进行电压采样，控制器3采用FPGA可编程逻辑控制器，隔离电路4采用6N137光耦隔离芯片，驱动电路5采用IR2103作为驱动芯片，各个电路模块中的数字芯片均有标准的参考电路，其连接方式属于是本领域熟知技术，在此不再赘述。

如图3所示，串联电感的电感值可根据需要进行绕制，以最小的电感值为步进单位，补偿为1。举例说明如下：

如果需要一个以uH为步进单位的电感，所述可变电感L’可以选择8个电感串联而成，其电感值分别为L1=1uH、L2=2uH、 L3=4uH、 L4=7uH、 L5=10uH、L6=20uH、L7=40uH、 L8=70uH，在每个电感的两端并联有一个可控开关管，该可变电感L’接入值的变化范围为0～154uH，步进值为1uH。

控制器3通过8路并行输出端口分别连接一个可控开关的控制端，如图中K1～K8，在控制器3的内部设置相应电感接入值的控制信号表，不同的接入值对应不同的控制信号，例如当K1～K8全为0时，所有开关断开，电感L1～L8全部有效，可变电感L’的接入值即为154uH。假如系统需要一个95uH的电感，则将L1、L3、L6以及L8有效接入，将L2、L4、L5以及L7短路，那么控制器3输出的控制信号S3为：01011010，即K1、K3、K6、K8为0，K2、K4、K5、K7为1。电路控制方便，电感投切迅速。

如图4所示，本发明还提出一种非接触式能量传输系统的功率调节电路的控制方法，其具体步骤如下：

第一步：进程开始，系统初始化并设置计数器N=0；

第二步：控制器3获取采样电路2所采集的电压值，并作为第一采集电压值U1存储在寄存器中；

第三步：进入延时进程，延时一个周期T；

第四步：控制器3获取采样电路2所采集的电压值作为第二采集电压值U2；

第五步：控制器3判断所述第一采集电压值U1与第二采集电压值U2之间的关系；

如果第一采集电压值U1小于第二采集电压值U2，设置计数器N=N-1；

如果第一采集电压值U1等于第二采集电压值U2，设置计数器N=N；

如果第一采集电压值U1大于第二采集电压值U2，设置计数器N=N+1；

第六步：控制器3输出电感接入值为N的控制信号S3；

第七步：设置第一采集电压值U1等于第二采集电压值U2并返回第三步循环运行。

控制器3在采用本方法进行控制的过程中，通过比较上一个周期和下一个周期电压值的大小作为控制条件，用计数器作为电感的接入值，若下个周期电压大于上个周期电压，再增加一个电感值看是否能使电压值更大；若下个周期电压小于上个周期电压，就减小一个电感值；如果电压维持稳定，则保持电感不变。通过循环的对前后周期电压进行比较，最终使副边拾取电压稳定在一个固定值或者在两个值之间波动，次级回路处于谐振状态，实现功率的最大传输。

本发明的工作原理是：

通过在次级回路中串联可变电感来对系统谐振频率进行动态跟踪，实现次级回路拾取功率的调节。负载变化以及原边频率变化时，拾取线圈中的感应电动势频率将会发生变化，使其偏离了副边的固有谐振频率，副边不能达到完全谐振，导致拾取功率下降，通过改变拾取线圈的接入值来保证副边始终处于谐振状态，从而实现能量的最佳拾取。

Claims (3)

1.一种非接触式能量传输系统的功率调节电路，包括拾取线圈（Ls）、调谐电容（Cs）以及负载（RL），所述拾取线圈（Ls）与调谐电容（Cs）组成副边谐振回路实现能量的拾取并将拾取的能量传送至所述负载（RL），其特征在于：所述拾取线圈（Ls）由一个固定电感（L）和一个可变电感（L’）串联而成，所述可变电感（L’）的接入值由控制器（3）控制，该控制器（3）的输入端设置有过零检测电路（1）和采样电路（2），所述过零检测电路（1）的检测点和采样电路（2）的采样点均连接在所述负载（RL）的高电平端，其中过零检测电路（1）将检测到的电压过零信号（S1）送入到所述控制器（3）的第一输入端，所述采样电路（2）将采集到的电压信号（S2）送入到所述控制器（3）的第二输入端，该控制器（3）的输出端输出控制信号（S3），该控制信号（S3）经过隔离电路（4）和驱动电路（5）控制所述可变电感（L’）。

2.根据权利要求1所述的非接触式能量传输系统的功率调节电路，其特征在于：所述可变电感（L’）由8个电感串联而成，其电感值分别为L1=1uH、L2=2uH、 L3=4uH、 L4=7uH、 L5=10uH、L6=20uH、L7=40uH、 L8=70uH，在每个电感的两端并联有一个可控开关管，该可变电感（L’）接入值的变化范围为0～154uH。

3.一种如权利要求1所述的非接触式能量传输系统的功率调节电路的控制方法，其特征在于：按以下步骤进行：

第一步：进程开始，系统初始化并设置计数器N=0；

第二步：控制器（3）获取采样电路（2）所采集的电压值，并作为第一采集电压值U1存储在寄存器中；

第三步：进入延时进程，延时一个周期T；

第四步：控制器（3）获取采样电路（2）所采集的电压值作为第二采集电压值U2；

第五步：控制器（3）判断所述第一采集电压值U1与第二采集电压值U2之间的关系；

如果第一采集电压值U1小于第二采集电压值U2，设置计数器N=N-1；

如果第一采集电压值U1等于第二采集电压值U2，设置计数器N=N；

如果第一采集电压值U1大于第二采集电压值U2，设置计数器N=N+1；

第六步：控制器（3）输出电感接入值为N的控制信号（S3）；

第七步：设置第一采集电压值U1等于第二采集电压值U2并返回第三步循环运行。

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