CN103501059B - 电场耦合式能量信号并行无线传输系统 - Google Patents

电场耦合式能量信号并行无线传输系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种电场耦合式能量信号并行无线传输系统，包括电源电路、高频逆变电路、谐振变换电路、电场耦合机构、电能变换电路和负载，其特征在于：还包括调制电路和信号恢复电路，调制电路的输入端连接有第一微控制器，调制电路的输出端连接有阻抗调制电路，该阻抗调制电路设置在谐振变换电路和电场耦合机构之间，信号恢复电路的输入端连接在电场耦合机构上，信号恢复电路的输出端连接有第二微控制器。其显著效果是：在保证发射端给接收端负载正常供能的条件下，实现发射端向接收端进行能量信号并行无线传输，系统成本低廉，实现方法简单易行，系统可靠性较高，传输速率较快。

Description

电场耦合式能量信号并行无线传输系统
技术领域
本发明涉及电场耦合式无线电能传输(Electrical-fieldcoupledpowertransfer)技术，简称ECPT技术，尤其涉及一种电场耦合式能量信号并行无线传输系统。
背景技术
近年来，在无线电能传输技术领域，基于电场耦合技术的无线电能传输技术因其独特的优势得到了国内外许多的研究者的重视。电场耦合电能传输技术综合利用了现代电力电子能量变换技术、电场耦合技术、大功率高频变换技术，借助现代控制理论和方法，实现了电能的无线传输。该技术为无线电能传输提供了一种新的途径，推动了无线电能传输技术的发展和应用，具有较高的实用价值。
通常ECPT系统只解决无线电能传输的问题，但是在某些实际应用中，比如钻井设备，人体内置医疗设备等，往往需要检测设备的运行状态或传输控制指令，这就要求ECPT系统具有能量信号并行无线传输的能力。其中电能传输通道给系统运行提供动力和能量，信号传输通道用于传输状态信息等数据。
现有技术中，本申请人曾申请中国专利：一种基于电场耦合的无线电能传输系统，专利申请号201210358473.X，该专利中基于电场耦合并采用E类放大器，提高了系统的传输能力和传输效率，通过设置耦合电容检测模块对系统的电场耦合极板进行实时检测，可以实现电容补偿值的有效控制，从而保证系统维持在软开关状态，提高系统功率传输的稳定性和可靠性。
该专利中虽然提高了电场耦合式无线电能传输系统的传输功率，但是要想实现发射端与接收端的信号传输，还必须搭建其他的无线通信系统，成本相对较高。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明提供一种电场耦合式能量信号并行无线传输系统,在现有ECPT系统的基础上，通过设置相应的调制电路和信号恢复电路，实现发射端向接收端的控制信号传输，使其具备能量信号并行无线传输的功能，相对于搭建独立的无线通信系统而言，减少了系统设计成本。
为达到上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
包括电源电路、高频逆变电路、谐振变换电路、电场耦合机构、电能变换电路和负载，其关键在于：还包括调制电路和信号恢复电路，所述调制电路的输入端连接有第一微控制器，调制电路的输出端连接有阻抗调制电路，该阻抗调制电路设置在谐振变换电路和电场耦合机构之间，所述信号恢复电路的输入端连接在电场耦合机构上，信号恢复电路的输出端连接有第二微控制器，所述调制电路从第一微控制器中获取数字信号并通过阻抗调制电路将该数字信号调制到电场耦合机构上，所述信号恢复电路从电场耦合机构中拾取信号并将其恢复成数字信号送入第二微控制器中。
本发明通过在电场耦合式无线电能传输系统的基础上增设调制电路和信号恢复电路，从而将第一微控制器输出的控制信号通过无线电能传输系统传输到第二微控制器中，在相对隔离的发射装置与接收装置中，不用增设其他独立的无线通信模块即可实现信号的无线传输，为电场耦合式无线电能传输系统提供了可靠的通信通道，实现ECPT系统能量信号并行无线传输。
作为进一步描述，所述谐振变换电路为电感L1和电容C1组成的串联谐振电路，所述阻抗调制电路包括开关元件和调谐电容，其中开关元件的一端与电容C1的一端相连，开关元件另一端串接所述调谐电容后与电容C1的另一端相连，开关元件的控制端与所述调制电路的输出端连接。
通过上面的描述可以看出，本发明将第一微控制器输出的数字信号转换为开关元件的通断状态，从而改变发射端谐振网络中的电容参数，发射电极所产生交互电场的强度反应了这种变化，通过接收端获取感应电压，从而将发射端的数字信号恢复出来，实现发射端向接收端的信号传输。
再进一步描述，所述开关元件由开关管Q1、开关管Q2以及二极管D1和二极管D2组成，开关管Q1与开关管Q2按照共源极反向串联，开关管Q1和开关管Q2的栅极分别作为开关元件的控制端，开关管Q1的漏极作为开关元件的一端，开关管Q2的漏极作为开关元件的另一端，二极管D1正向连接在开关管Q1的源极和漏极之间，二极管D2正向连接在开关管Q2的源极和漏极之间。
本发明通过采用两个开关管共源极反向串联作为开关元件M1。当第一微控制器向接收端发送数字信号1时，调制电路将数字信号转换为高电平驱动信号加载在两个开关管的栅极。开关元件端电压呈上正下负状态时，电流通路为Q1→D2，开关元件端电压呈上负下正状态时，电流通路为Q2→D1，因为构成双向电流通路。
为了保证电场耦合式无线电能传输系统的传输效率，同时便于接收端实现通信信号的提取，所述电场耦合机构包括一对发射电极和一对拾取电极，在所述拾取电极上还设有信号拾取电极，该信号拾取电极与拾取电极之间相互绝缘隔离。
作为优选，所述发射电极和拾取电极的形状和尺寸相同，但所述信号拾取电极的尺寸比拾取电极小。
发射电极和拾取电极中的电极片可以根据应用需求设置为任意形状，但相互耦合的电极片之间的间隙应处处相等，各种电极片的材质可以相同。
为了有效实现能量信号并行无线传输中信号的恢复，所述信号恢复电路中设置有信号拾取电路、包络检波电路和电压比较电路，所述信号拾取电路的输入端连接在信号拾取电极上，信号拾取电路输出的信号通过包络检波电路和电压比较电路后发送到第二微控制器中。
本发明的显著效果是：在保证发射端给接收端负载正常供能的条件下，实现发射端向接收端传递通信数据，系统成本低廉，实现方法简单易行，系统可靠性较高，传输速率较快。
附图说明
图1是本发明的电路原理框图；
图2是图1中阻抗调制电路的电路原理图；
图3是图2中开关元件的电路原理图；
图4是图1中电场耦合机构的结构示意图；
图5是图1中信号恢复电路的电路原理图；
图6是发射端数字信号和接收端拾取端检测信号的对比关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。
如图1所示，一种电场耦合式能量信号并行无线传输系统，包括电源电路1、高频逆变电路2、谐振变换电路3、阻抗调制电路4、电场耦合机构5、电能变换电路6、负载7、第一微控制器8、调制电路9、信号恢复电路10以及第二微控制器11，所述调制电路9的输入端连接第一微控制器8，调制电路9的输出端连接阻抗调制电路4，阻抗调制电路4设置在谐振变换电路3和电场耦合机构5之间，信号恢复电路10的输入端连接在电场耦合机构5上，信号恢复电路10的输出端连接第二微控制器11，调制电路9从第一微控制器8中获取数字信号并通过阻抗调制电路4将该数字信号调制到电场耦合机构5上，所述信号恢复电路10从电场耦合机构5中拾取信号并将其恢复成数字信号送入第二微控制器11中。
如图2所示，在具体实施过程中，所述谐振变换电路3为电感L1和电容C1组成的串联谐振电路，所述阻抗调制电路4包括开关元件M1和调谐电容Cm，其中开关元件M1的一端与电容C1的一端相连，开关元件M1另一端串接所述调谐电容Cm后与电容C1的另一端相连，开关元件M1的控制端与所述调制电路9的输出端连接。将开关元件M1和调谐电容Cm作为阻抗调制电路4，调制电路9根据第一微控制器8输出数字信号的高低电平控制开关元件M1的通断状态，从而改变发射端谐振电容的连接关系，如果开关元件M1导通，则调谐电容Cm并入电容C1中，从而影响发射端的等效阻抗，在接收端形成不同的感应电能。
如图3所示，为了保证开关元件M1稳定可靠，所述开关元件M1由开关管Q1、开关管Q2以及二极管D1和二极管D2组成，开关管Q1与开关管Q2按照共源极反向串联，开关管Q1和开关管Q2的栅极分别作为开关元件M1的控制端，开关管Q1的漏极作为开关元件M1的一端，开关管Q2的漏极作为开关元件M1的另一端，二极管D1正向连接在开关管Q1的源极和漏极之间，二极管D2正向连接在开关管Q2的源极和漏极之间。
如图4所示，所述电场耦合机构5包括一对发射电极51和一对拾取电极52，在所述拾取电极52上还设有信号拾取电极53，该信号拾取电极53与拾取电极52之间相互绝缘隔离，在具体实施过程中，信号拾取电极53贴附在拾取电极52上，二者通过涂覆绝缘漆实现绝缘隔离。发射电极51和拾取电极52的形状和尺寸相同，但信号拾取电极53的尺寸比拾取电极52小。
参见图2和图4还可以看出，本实施例中，发射电极51和拾取电极52均设置为圆形，当然也可以设置为其它任意形状。
如图5所示，为了在接收端准确实现通信信号的恢复，所述信号恢复电路10中设置有信号拾取电路101、包络检波电路102和电压比较电路103，所述信号拾取电路101的输入端连接在信号拾取电极53上，信号拾取电路101输出的信号通过包络检波电路102和电压比较电路103后发送到第二微控制器11中。
信号恢复电路10先将信号拾取电极53上拾取的高频谐振信号进行包络检波，即可恢复出与发射端数字信号相关联的包络信号，然后再进行电压比较即可恢复出数字信号，最后上传到第二微控制器11中，实现发射端向接收端传递能量的同时，还能实现各种控制信号的并行传输。
基于上述的电路结构可以得到第一微控制器8输出的数字信号和信号恢复电路10拾取端检测信号的关系。参见图6可以得出，当第一微控制器8输出高电平时，接收端拾取到一个幅度偏高的高频谐振信号，而当第一微控制器8输出低电平时，接收端拾取到一个幅度偏低的高频谐振信号，通过信号恢复电路10中的包络检波电路102和电压比较电路103，最终将图6所示的高频谐振信号恢复成发射端数字信号，第二微控制器11接收该数字信号即可识别第一微控制器8发出的一些控制指令，最终实现ECPT系统能量信号并行无线传输。

Claims (4)

1.一种电场耦合式能量信号并行无线传输系统，包括电源电路(1)、高频逆变电路(2)、谐振变换电路(3)、电场耦合机构(5)、电能变换电路(6)和负载(7)，其特征在于：还包括调制电路(9)和信号恢复电路(10)，所述调制电路(9)的输入端连接有第一微控制器(8)，调制电路(9)的输出端连接有阻抗调制电路(4)，该阻抗调制电路(4)设置在谐振变换电路(3)和电场耦合机构(5)之间，所述信号恢复电路(10)的输入端连接在电场耦合机构(5)上，信号恢复电路(10)的输出端连接有第二微控制器(11)，所述调制电路(9)从第一微控制器(8)中获取数字信号并通过阻抗调制电路(4)将该数字信号调制到电场耦合机构(5)上，所述信号恢复电路(10)从电场耦合机构(5)中拾取信号并将其恢复成数字信号送入第二微控制器(11)中；
所述谐振变换电路(3)为电感L1和电容C1组成的串联谐振电路，所述阻抗调制电路(4)包括开关元件(M1)和调谐电容(Cm)，其中开关元件(M1)的一端与电容C1的一端相连，开关元件(M1)另一端串接所述调谐电容(Cm)后与电容C1的另一端相连，开关元件(M1)的控制端与所述调制电路(9)的输出端连接；
所述开关元件(M1)由开关管Q1、开关管Q2以及二极管D1和二极管D2组成，其中开关管Q1与开关管Q2按照共源极反向串联，开关管Q1和开关管Q2的栅极分别作为开关元件(M1)的控制端，开关管Q1的漏极作为开关元件(M1)的一端，开关管Q2的漏极作为开关元件(M1)的另一端，二极管D1正向连接在开关管Q1的源极和漏极之间，二极管D2正向连接在开关管Q2的源极和漏极之间。
2.根据权利要求1所述的电场耦合式能量信号并行无线传输系统，其特征在于：所述电场耦合机构(5)包括一对发射电极(51)和一对拾取电极(52)，在所述拾取电极(52)上还设有信号拾取电极(53)，该信号拾取电极(53)与拾取电极(52)之间相互绝缘隔离。
3.根据权利要求2所述的电场耦合式能量信号并行无线传输系统，其特征在于：所述发射电极(51)和拾取电极(52)的形状和尺寸相同，但所述信号拾取电极(53)的尺寸比拾取电极(52)小。
4.根据权利要求2所述的电场耦合式能量信号并行无线传输系统，其特征在于：所述信号恢复电路(10)中设置有信号拾取电路(101)、包络检波电路(102)和电压比较电路(103)，所述信号拾取电路(101)的输入端连接在信号拾取电极(53)上，信号拾取电路(101)输出的信号通过包络检波电路(102)和电压比较电路(103)后发送到第二微控制器(11)中。
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