CN104242481A - 一种用于大功率无线输电装置的自动阻抗匹配控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于大功率无线输电装置的自动阻抗匹配控制装置，由处理器单元、功率检测单元、开关阵单元、匹配网络单元、信息指示单元以及电源转换单元组成。其中处理器单元用于实现自动匹配算法，并协调控制系统各单元工作，是整个系统的核心单元；功率检测单元从传输通道分别提取正向传输功率与反向传输功率，并将结果提供给处理器单元，用于计算传输效率；开关阵单元和匹配网络单元受控于处理器单元，用于执行自动控制算法的运算结果，开关阵的开关状态直接控制匹配网络的阻抗元件，以达到源阻抗与负载阻抗动态匹配的目的。信息指示单元主要用于监视控制系统的工作状态：电压转换单元为整个控制系统提供直流功率。

Description

一种用于大功率无线输电装置的自动阻抗匹配控制装置

技术领域

本发明涉及无线输电阻抗匹配领域，特别是涉及一种由处理器控制的自动阻抗匹配装置，适用于负载阻抗值随时间、位置或频率变化的无线输电装置。

背景技术

无线输电技术是一种利用无线电技术传输电力能量的技术，最早由尼古拉·特斯拉提出，与传统的电能传输方式相比，无线输电的过程中供电和用电之间不存在电的直接连接，避免了裸露的导体和接触火花，具有使用安全、方便等优点，因而其发展十分迅速。目前，无线输电技术主要有电磁感应式、电磁共振耦合式和电磁辐射式三种技术。电磁感应式传输距离近、效率低且需要补偿；电磁辐射式传输距离远，功率较大，但传输较远距离时需要高效整流天线和高方向性天线，其研究难度较大；电磁共振耦合式是对感应式的突破，可以在几米的范围内传输较大电能，并且效率较高，所以是现阶段无线输电领域的主要研究方向。为达到高效的输电目的，电磁共振耦合式系统中使用的频率必须谐振于由发射线圈、接收线圈及负载等组成的电路。但是，由于高频功率源的频率稳定度低、接收线圈位置变化等原因，使电路的阻抗不断变化，进而降低了输电效率。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于大功率无线输电装置的自动阻抗匹配控制系统，在负载阻抗变化的情况下，使输电效率基本保持不变。

本发明所采用的技术方案是：

一种用于大功率无线输电装置的自动阻抗匹配控制系统，包括处理器单元、功率检测单元、开关阵单元、匹配网络单元、信息指示单元以及电源转换单元组成。其中处理器单元用于实现自动匹配算法，并协调控制系统各单元工作，是整个系统的核心单元；功率检测单元从传输通道分别提取正向传输功率与反向传输功率，并将结果提供给处理器单元，用于计算传输效率；开关阵单元和匹配网络单元受控于处理器单元，用于执行自动控制算法的运算结果，开关阵的开关状态直接控制匹配网络的阻抗元件，以达到源阻抗与负载阻抗动态匹配的目的。信息指示单元主要用于监视控制系统的工作状态；电压转换单元为整个控制系统提供直流功率。

进一步的，本发明的用于大功率无线输电装置的自动阻抗匹配控制系统，所述控制器单元由单片机、复位电路以及相应的外围电路组成，单片机中运行的自动匹配算法是最速下降法，这种算法能快速的使匹配网络的阻抗值收敛，进而提高控制系统的执行效率。

进一步的，本发明的用于大功率无线输电装置的自动阻抗匹配控制系统，所述功率检测单元由一个具有高方向性的定向耦合器、两个检波电路组成。其中定向耦合器具有较高的方向性，使检测误差≤0.1％。

进一步的，本发明的用于大功率无线输电装置的自动阻抗匹配控制系统，所述开关阵单元由24个开关和3个锁存器组成；每1个锁存器和8个开关为一组，共分为3组；开关由光耦、稳压二极管以及MOS管构成。

进一步的，本发明的用于大功率无线输电装置的自动阻抗匹配控制系统，所述匹配网络单元由并联电容阵、串联电容阵、电感线圈以及继电器组成。处理器单元通过开关阵控制匹配网络中的继电器，按程序选通或关闭电感线圈和电容阵中的电容，以达到改变源阻抗的目的。其中继电器为大功率继电器，使匹配网络能承受较大的工作电流。

进一步的，本发明的用于大功率无线输电装置的自动阻抗匹配控制系统，所述信息指示单元由受控于处理器的发光二极管以及LED数码管组成。

进一步的，本发明的用于大功率无线输电装置的自动阻抗匹配控制系统，所述电源转换单元由2个电压转换模块组成，分别提供5V和3.3V电源。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.发明中的自动匹配控制模块实时地检测输电效率，经过处理器单元的处理后，自动改变匹配网络中的元件值，使源阻抗和负载阻抗达到动态匹配，解决了由于失配引起的输电效率下降，完成自动阻抗匹配工作。

2.处理器单元实现的自动匹配算法具有较快收敛的优点，能实时的检测并改变匹配网络阻抗值，提高控制器的处理速度。

3.在匹配网络单元中，采用的继电器为大功率继电器，使系统能够传输较大功率的电能。

附图说明

附图为“用于大功率无线输电装置的自动阻抗匹配控制系统”功能框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

参照附图所示的用于大功率无线输电装置的自动阻抗匹配控制系统，由处理器单元、功率检测单元、开关阵单元、匹配网络单元、信息指示单元以及电源转换单元组成。其工作过程如下：直流电源由电源转换单元提供，其中输入电压为24V，一部分24V电源直接用于开关阵的MOS管的漏极供电，另外一部分通过24V-5V、24V-3.3V电源模块转换为5V和3.3V电源，用于系统中的MCU以及其他芯片的工作。

高频功率信号由功率源提供，首先经过功率检测单元，并有一部分功率因为失配而被反射回来。功率检测单元由1个耦合器和2个检波器组成，其中耦合器要求有较高的方向性以达到较高的检测精度。经过耦合器的正向功率和反向功率分别被两个检波器检测，并输出与输入功率成正比的电压信号，这样，通过测量两个输出电压就可以计算系统的输电效率。耦合器直通路的功率信号经过匹配网络单元后激励发射线圈。

处理器单元通过ADC采样检波器的输出电压并转换成传输效率，通过自动匹配算法，控制开关阵改变匹配网络的阻抗直到达到程序指定传输效率为止。

处理器单元通过计算传输效率、执行检测算法可以对电源工作状态、匹配状态、功率源工作状态、负载工作状态以及实时的传输效率等信息通过信息指示单元显示。

以上对本发明所提供的用于大功率无线输电装置的自动阻抗匹配控制系统，进行了详细的介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上说明是适用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上会有改变之处，综上说述，本说明书内容不应理解对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种用于大功率无线输电装置的自动阻抗匹配控制装置，其特征在于：包括处理器单元、功率检测单元、开关阵单元、匹配网络单元、信息指示单元以及电源转换单元；其中处理器单元用于实现自动匹配算法，并协调控制系统各单元工作；功率检测单元从传输通道分别提取正向传输功率与反向传输功率，并将检测结果提供给处理器单元，用于计算传输效率；开关阵单元和匹配网络单元受控于处理器单元，用于执行自动控制算法的运算结果，开关阵单元的开关状态直接控制匹配网络单元的阻抗元件，以达到源阻抗与负载阻抗动态匹配的目的；信息指示单元主要用于监视控制系统的工作状态；电压转换单元为整个控制系统提供直流功率。

2.根据权利要求1所述的用于大功率无线输电装置的自动阻抗匹配控制装置，其特征在于：所述处理器单元由单片机、复位电路以及相应的外围电路组成，所述自动匹配算法选用最速下降法。

3.根据权利要求1所述的用于大功率无线输电装置的自动阻抗匹配控制装置，其特征在于：所述功率检测单元由一个定向耦合器、两个检波电路组成，其中定向耦合器具有较高的方向性，使检测误差≤0.1％。

4.根据权利要求1所述的用于大功率无线输电装置的自动阻抗匹配控制装置，其特征在于：所述开关阵单元由24个开关和3个锁存器组成；每1个锁存器和8个开关为一组，共分为3组；开关由光耦、稳压二极管以及MOS管构成。

5.根据权利要求1所述的用于大功率无线输电装置的自动阻抗匹配控制装置，其特征在于：所述匹配网络单元由并联电容阵、串联电容阵、电感线圈以及继电器组成，处理器单元通过开关阵单元控制匹配网络中的继电器，按程序选通或关闭电感线圈和电容阵中的电容，以达到改变源阻抗的目的，其中继电器为大功率继电器，使匹配网络能承受较大的工作电流。

6.根据权利要求1所述的用于大功率无线输电装置的自动阻抗匹配控制装置，其特征在于：所述信息指示单元由受控于处理器的发光二极管以及LED数码管组成。

7.根据权利要求1所述的用于大功率无线输电装置的自动阻抗匹配控制装置，其特征在于：所述电源转换单元由2个电压转换模块组成，分别提供5V和3.3V电源。