CN104158305B

CN104158305B - 基于自适应磁耦合谐振匹配的能量与信息同步传输系统

Info

Publication number: CN104158305B
Application number: CN201410369363.2A
Authority: CN
Inventors: 马碧云; 韦岗; 李哲; 刘娇蛟
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2014-07-30
Filing date: 2014-07-30
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2034-07-30
Also published as: CN104158305A

Abstract

本发明公开了一种基于自适应磁耦合谐振匹配的能量与信息同步传输系统，包括：能量与信号无线发射调制级和能量与信号无线接收解调级；所述能量与信号无线发射调制级包括：本振源、功率放大电路、无线能量传输驱动线圈、无线能量传输发射线圈、无线信号调制电路和PWM控制电感可调电路。本发明属于PWM控制的电感可调技术领域，具有将能量与信号结合在一起，实现了二者的无线同步传输，并且能快速追踪本振源的频率，保证了能量传输的效率等优点。

Description

基于自适应磁耦合谐振匹配的能量与信息同步传输系统

技术领域

本发明涉及一种基于磁耦合谐振和PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)控制的电感可调技术，特别涉及一种基于自适应磁耦合谐振匹配的能量与信息同步传输系统,该传输系统谐振频率可调，带宽可控。

背景技术

近年来随着科技的发展，人们对设备的自动化、智能化提出了更高的要求，在一些特殊的应用场景下(复杂环境下的工业控制、智能家居、物联网等)实现设备控制和供能成为一个新兴的热点领域，由此推动了无线能量传输和无线信号传输的融合与发展。目前，市场上已经出现了一些根据无线能量传输(Wireless Power Transfer，WPT)的相关理论开发出来的无线充电设备，给人们的生活带来了很大的方便。

现代的电子设备对供电技术提出了比以往更高的要求：高效、稳定、便利且智能化，尽管传统的解决方法(有线供电、内置电池等)仍然是最主要的供电途径，但在安全性、便利性方面的固有缺陷决定其将越来越不能满足社会发展的需求，因此，采用无线方式传输能量已经成为当今能量传输领域中的研究新热点，它可以实现非接触式供电，设备也相对简化，且更加安全、方便，能够满足大多数人的需求，具有广阔的应用前景。出于对供电设备智能化发展的考虑，在无线能量传输的基础上，一些学者又提出了一种将能量和信号同步无线传输的设想，即SWIPT(Synchronous Wireless Information and PowerTransfer)。在一些复杂环境，如水下、矿井、电力系统、工业监控等难以架设供电线路以及反复更换设备内置电池的条件下，这种设计的实用性很强，不仅能为设备提供非接触式的电力供应，避免因线路老化而带来的各种不安全因素，还能够实现设备的监控与信息交互，极大地提高设备对极端工作环境的适应能力。此外，SWIPT在日常生活中也将产生广阔的应用空间，如手机、家用电器等设备的无线充电与遥控等，有望使各种家用电器和便携式设备实现真正意义上的“便捷与智能”，从而摆脱传统电线束缚，实现家庭或小区的远程控制，使得智能家居成为可能。

按照能量传递方式分，现有的无线能量传输WPT系统主要分为电磁感应式、射频辐射式和磁耦合谐振式三种。前两种方案在传输功率、传输距离等方面都有其难以避免的缺陷，无法满足要求，相比之下，基于磁耦合谐振的无线能量传输WPT系统利用近场非辐射谐振耦合，可以在几倍于振荡器尺寸的中距离(10m以内)进行瓦特级(几瓦至几十瓦特)能量传输，灵活高效，且对人体无害，是目前研究中的热点。

现在与磁耦合谐振有关的理论研究已经有不少成果，可以作为我们研究的借鉴，而基于磁耦合谐振的能量与信息同步无线传输SWIPT的研究还很少，这方面的技术难点在于实现信息传输速率与能量传输效率之间的最优权衡：信号、收发装置必须严格谐振匹配，否则会急剧下降。而根据香农信息论，单频信号由于频带窄，虽然能量集中却不适合传输信息。磁耦合谐振式WPT在电路上主要由4个谐振线圈组成，在能量传输上比较灵活，而根据滤波器理论，适当调整谐振线圈之间的耦合度和尺寸可以拓展系统的带宽。因此，适度拓宽磁耦合谐振式WPT系统的带宽，同时使系统收发装置根据信号频率自适应谐振匹配可有效解决信号与能量同步无线传输的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于自适应磁耦合谐振匹配的能量与信息同步传输系统，该传输系统的谐振频率可调，带宽可控，可根据实际需要调整系统的能量传输的效率与信号传输的速率。我们将基于PWM(脉宽调制)控制电感可调方案应用于磁耦合谐振式无线能量传输系统，使得系统收发端的谐振频率可根据传输信号的频率自适应变化。其特征在于一方面实现了能量与信号同步无线传输；通过在系统中引入PWM电感可调电路和频率估计电路，可以自适应调整电路谐振频率以快速追踪本振源的频率，实现了系统谐振频率的自适应调整，从而拓展系统的带宽，实现了系统的能量传输效率与信号传输速率的按需调整。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种基于自适应磁耦合谐振匹配的能量与信息同步传输系统，从总体上分为能量与信号无线发射调制级和能量与信号无线接收解调级；所述能量与信号无线发射调制级又包括本振源、功率放大电路、无线能量传输驱动线圈、无线能量传输发射线圈、无线信号调制电路和PWM(脉宽调制)控制电感可调电路等；所述本振源的输出连接至所述功率放大电路的输入端，所述功率放大电路的输出端连接到所述无线能量传输驱动线圈的输入端，所述无线能量传输的驱动线圈通过磁耦合与所述无线能量传输的发射线圈之间传递能量；所述本振源产生的振荡信号输入到线圈以后，所述PWM(脉宽调制)控制电感可调电路通过调整PWM信号的占空比调整电感量从而改变所述无线能量传输的驱动线圈和所述无线能量传输的发射线圈的谐振频率，同步跟踪振荡器的振荡频率；所述无线信号调制电路将输入的信息序列编码成相应调制方式下的信号组合，接入到所述功率放大电路进行传输。

进一步的，所述能量与信号无线接收解调级包括了无线能量接收线圈、无线能量拾取线圈、频率估计电路、无线信号解调方案、整流稳压电路和直流负载端等；所述无线能量发射线圈发射的无线电能通过强磁耦合谐振后通过所述无线能量接收线圈、所述无线能量拾取线圈输入至所述整流稳压电路，所述整流稳压电路输出所述直流负载所需的直流电源信号，完成无线能量传输过程；所述无线信号解调方案将所述无线能量拾取线圈接收到的经过调制的组合信号按照既定规则解码还原为相应的编码，完成无线信号传输过程；所述频率估计电路由FPGA、MCU或者DSP实现，估计所述无线能量驱动线圈和所述无线能量发射线圈的谐振频率，然后交由所述PWM(脉宽调制)控制电感可调电路调节所述无线能量接收线圈和所述无线能量拾取线圈的电感，实现与前级谐振匹配，从而完成自适应谐振匹配，保证电路的无线能量传输的效率。

进一步的，所述能量与信号无线发射调制级与所述能量与信号无线接收解调级还包括相应的阻抗匹配谐振网络；所述能量与信号无线发射调制级通过磁耦合谐振方式向所述能量与信号无线接收解调级传输能量和信号。

进一步的，所述无线能量传输电路由交流信号源、功率放大电路、驱动线圈、发射线圈、接收线圈、拾取线圈和直流负载组成，所述驱动线圈和所述拾取线圈分别为所述发射线圈和所述接收线圈的匹配线圈，参数对称，所述发射线圈和所述接收线圈的电路参数对称；所述驱动线圈和所述发射线圈组成发射级，所述接收线圈和拾取线圈组成接收级，发射级和接收级的内部两个线圈之间都是强磁耦合，增强发射和接收的效率，而发射级和接收级线圈之间是磁耦合谐振，便于增大传输距离。

进一步的，系统收发装置的谐振频率是由收发线圈回路的谐振频率决定的，而线圈回路等效为一个LCR电路模型，要调整线圈的谐振频率，实质上就是要调整线圈回路的电感、电容值，所述PWM(脉宽调制)控制电感可调电路就是一种调节电感以自适应调节线圈谐振频率的电路。所述PWM(脉宽调制)控制电感可调电路由1个交流电压源、2个互补的高频数控开关、2个电感和1个电容组成，所述电路的电感与所述数控开关的占空比、所述交流电压源频率与所述电容的容值呈非线性关系，于是在所述交流电压源频率和电容的容值不变的情况下，通过PWM信号连续调整调节所述数控开关的占空比就可以连续调节电路的等效电感值。

本发明的原理：本发明的基于自适应磁耦合谐振匹配的能量与信息同步传输系统，基于电磁耦合谐振、调制解调原理及PWM(脉宽调制)控制电感可调方法，分别通过一个由无线能量发射级和无线能量接收级组成的无线能量传输系统及一个由无线信号调制级和无线信号解调级组成的无线信号传输系统实现。在无线能量传输系统中，无线能量发射单元通过磁耦合谐振方法向设备上的无线能量接收单元传递能量，然后无线能量接收单元将能量恢复成直流电源为设备供电，在此过程中，发射单元中的PWM电感可调电路根据发射信号的频率调整发射级谐振线圈的等效电感值，同时接收级中的频率估计电路自适应跟踪接收信号的频率，并控制接收端PWM电感可调电路反馈回接收端，从而调整接收端谐振线圈的等效电感值，完成收发线圈谐振频率自适应谐振匹配；在无线信号传输系统中，无线信号调制级将编码信息调制成相应的信号组合后，再通过线圈传递到无线信号解调级，然后无线信号解调级又根据预先设定的译码规则将所接收到的信号组合解码出来，完成信号调制解调过程。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、将能量与信号传输有机地结合在一起，实现了二者的无线同步传输，可实现系统谐振频率的自适应调整，在保证能量传输的效率的基础上提高信号传输的速率。

2、采用自适应磁耦合谐振式无线能量传输技术，保证了电路可以在近距离(米量级)内实现高效的能量传输与信息控制，一定程度上解决了现有的无线能量与信息传输技术的距离的限制(毫米量级)，在保证能量传输的效率的同时提升系统的应用灵活性。

3、引入了PWM电感可调电路，从而实现了电路谐振频率的程控自适应可调，快速追踪本振源的频率，保证了能量传输的效率。

附图说明

图1自适应谐振匹配磁耦合谐振式能量与信号同步无线传输系统结构图。

图2电磁耦合谐振方式无线能量传输系统原理图。

图3 PWM(脉宽调制)控制电感可调电路原理图。

图4无线能量传输电路图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，为电磁耦合谐振方式无线能量传输系统原理图，磁耦合谐振式电磁无线能量传输由发射端和接收端两部分组成，其中发射端又包括振荡器、功率放大、阻抗匹配和发射线圈对(包括驱动线圈和发射线圈)，接收端又包括接收线圈对(包括接收线圈和拾取线圈)、整流电路和限流电路等。

如图2所示，自适应谐振匹配磁耦合谐振式能量与信号同步无线传输系统由能量与信号无线发射调制级及能量与信号无线接收解调级组成。

能量与信号无线发射调制级部分包括信息序列、调制方案、本振源、功率放大电路、发射级(包括驱动线圈和发射线圈)、PWM(脉宽调制)控制电感可调电路等。传输能量时，本振源的输出连接至功率放大电路中，功率放大电路的输出端又接到发射级驱动线圈的输入端，PWM(脉宽调制)控制电感可调电路根据本振源输出信号的频率调整驱动线圈和发射线圈的谐振频率，然后驱动线圈耦合到发射线圈进行传输；传输信号时，所要传输的信息序列经特定的调制方案调制后以信号的形式在电路中传输，经过发射线圈传输到下一级。

能量与信号无线接收解调级包括频率估计电路、PWM(脉宽调制)控制电感可调电路、接收级(包括接收线圈和拾取线圈)、整流稳压电路、直流负载和解调方案等。传输能量时，接收级的接收线圈通过磁场耦合从发射线圈接收到无线能量，然后再耦合传输给拾取线圈，拾取线圈将能量输入到与直接相连的整流稳压电路中，整流稳压电路又输出给直流负载，完成对设备充电；传输信号时，将接收级接收到的信号输入到解调方案中，按照预先设计好的调制解调规则恢复出原始信息序列，完成信息传递。

图2中的信号流程为：

1、本振源产生振荡信号u_S，频率为f₁，输入到功率放大器；

2、功率放大器对振荡信号u_S进行功率放大后得到信号u_S，频率为f₁，输入到发射级线圈(包括驱动线圈和发射线圈，谐振频率都为f₁)，向自由空间发射无线电能WP，如果f₁≠f₀，则PWM(脉宽调制)控制电感可调电路就调整发射端线圈的电感改变f₀，直至f₁＝f₀为止；

3、接收级通过接收级线圈(包括接收线圈和拾取线圈，谐振频率都为f₀)将无线空间存在的无线能量信号WP转换为交流电信号u_C，频率为f₁，并输入到整流稳压电路转换为直流电平信号u_r(该直流电平存在电压波动，随无线电源传输距离等因素变化)。频率估计电路可以估计出接收信号的频率f₁，如果f₁≠f₀，则PWM(脉宽调制)控制电感可调电路就调整接收端线圈的电感改变其谐振频率，直至f₁＝f₀为止。

4、直流电平信号u_r输入到直流负载中，完成设备供电。

如图3所示，PWM(脉宽调制)控制电感可调电路由交流电压源U_n，电感L₁、L₂，数控开关K₁、K₂和电容C₁组成，K₁、K₂互补且快速切换开闭状态，α(0≤α≤1)为K₁、K₂的占空比，w为开关工作频率，则该电路在PWM控制占空比α的情况下，实现电路的等效电感可调L＝L₁+L₂/(α²-w²L₂C₁)。

如图4所示，无线能量传输原理图中包括交流电源、驱动线圈、发射线圈、接收线圈和拾取线圈以及相应匹配的电容、电阻组成。其中，驱动线圈和拾取线圈参数对称，即L₁＝L₄，C₁＝C₄；发射线圈和接收线圈参数对称，即L₂＝L₃，C₂＝C₃，整个电路的谐振频率一致。驱动线圈和发射线圈、接收线圈和拾取线圈之间强耦合，耦合系数都比较大，接近于1，采用驱动线圈匹配发射线圈，增强发射线圈的稳定性，提高发射效率，同样采用拾取线圈匹配接收线圈，增强接收线圈的稳定性，提高接收效率；发射线圈和接收线圈之间谐振耦合，在效率一定的情况下，可以延长传输距离。整个无线能量的传输主要通过所述4个线圈完成，根据相关的电路理论，整个电路可以等效为带通滤波器，拓宽了信号传输的频带，由此克服了单频正弦信号无法携带信息的缺陷，满足了信号传输的要求，是整个系统传输无线信号的理论基础。

本领域技术人员应该理解，本发明所公开的一种基于磁耦合谐振和PWM(脉宽调制)控制电感可调的自适应能量与信号同步无线传输的方法及系统可以在不脱离本发明内容框架的基础上进行改进。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的事实方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于自适应磁耦合谐振匹配的能量与信息同步传输系统，其特征在于，包括：能量与信号无线发射调制级和能量与信号无线接收解调级；所述能量与信号无线发射调制级包括：本振源、功率放大电路、无线能量传输驱动线圈、无线能量传输发射线圈、无线信号调制电路和PWM控制电感可调电路；所述本振源的输出端与功率放大电路的输入端相连，所述功率放大电路的输出端与无线能量传输驱动线圈的输入端相连，所述无线能量传输的驱动线圈通过磁耦合与所述无线能量传输的发射线圈之间传递能量；所述本振源产生振荡信号输入到线圈后，所述PWM控制电感可调电路通过调整PWM信号的占空比调整电感量，来改变无线能量传输的驱动线圈的谐振频率和无线能量传输的发射线圈的谐振频率，并同步跟踪振荡器的振荡频率；所述无线信号调制电路将输入的信息序列编码成相应调制方式下的信号组合，接入到所述功率放大电路进行传输；

所述能量与信号无线接收解调级包括了无线能量接收线圈、无线能量拾取线圈、频率估计电路、无线信号解调方案、整流稳压电路和直流负载端；所述无线能量发射线圈发射的无线电能通过强磁耦合谐振后，再通过无线能量接收线圈和无线能量拾取线圈输入至整流稳压电路，所述整流稳压电路输出所述直流负载所需的直流电源信号，完成无线能量的传输；所述无线信号解调方案将无线能量拾取线圈接收到的经过调制的组合信号按照既定规则解码还原为相应的编码，完成无线信号的传输；所述频率估计电路为FPGA、MCU或DSP，所述频率估计电路用于估计所述无线能量驱动线圈和所述无线能量发射线圈的谐振频率，所述PWM控制电感可调电路调节无线能量接收线圈和无线能量拾取线圈的电感。

2.根据权利要求1所述的基于自适应磁耦合谐振匹配的能量与信息同步传输系统，其特征在于，所述能量与信号无线发射调制级与所述能量与信号无线接收解调级还包括相应的阻抗匹配谐振网络；所述能量与信号无线发射调制级通过磁耦合谐振方式向所述能量与信号无线接收解调级传输能量和信号。

3.根据权利要求1所述的基于自适应磁耦合谐振匹配的能量与信息同步传输系统，其特征在于，还包括无线能量传输电路，所述无线能量传输电路包括：交流信号源、功率放大电路、驱动线圈、发射线圈、接收线圈、拾取线圈和直流负载，所述驱动线圈为发射线圈的匹配线圈，所述拾取线圈为接收线圈的匹配线圈，所述发射线圈和所述接收线圈的电路参数对称；所述驱动线圈和所述发射线圈组成发射级，所述接收线圈和拾取线圈组成接收级，发射级的内部两个线圈和接收级的内部两个线圈之间是强磁耦合，所述发射级和接收级线圈之间是磁耦合谐振。

4.根据权利要求1所述的基于自适应磁耦合谐振匹配的能量与信息同步传输系统，其特征在于，无线能量传输的驱动线圈的谐振频率和无线能量传输的发射线圈的谐振频率分别由无线能量传输的驱动线圈回路的谐振频率和无线能量传输的发射线圈回路的谐振频率来确定，所述PWM控制电感可调电路是调节电感以自适应调节谐振频率的电路；所述PWM控制电感可调电路包括交流电压源、高频数控开关、电感和电容；所述PWM控制电感可调电路中的电感与高频数控开关的占空比、交流电压源的频率和电容的容值均呈非线性关系，当所述交流电压源频率和电容的容值不变时，通过PWM信号连续调整调节高频数控开关的占空比来连续调节等效电感值。