CN104269943A - 无线能量传输系统的频率跟踪装置及其频率跟踪方法 - Google Patents

无线能量传输系统的频率跟踪装置及其频率跟踪方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于单片机控制的无线能量传输系统频率跟踪装置，包括：包括：全桥逆变电路驱动电路、DDS芯片、单片机、相位差检测电路、初级绕组回路、电压采样电路、电流采样电路和放大整形电路。本发明还公开了一种应用于无线能量传输系统的频率跟踪装置的频率跟踪方法，包括以下步骤：1、单片机将频率跟踪的结果反映成频率数据传入DDS芯片；2、相位检测电路输出的控制量只在失谐状态或者谐振状态时保持不变；3、单片机及时更新DDS芯片的频率控制字产生新的工作频率来驱动逆变电路，同时相位检测电路循环检测判断，直到系统恢复谐振为止。本发明具有结构简单和有效解决了无线能量传输系统中频率失谐的问题等优点。

Description

无线能量传输系统的频率跟踪装置及其频率跟踪方法
技术领域
本发明涉及一种于单片机控制的频率跟踪技术，特别涉及一种无线能量传输系统的频率跟踪装置及其频率跟踪方法。
背景技术
目前，开环无线能量传输系统在工作过程中由于电路工作温度变化、寄生参数变化、电容电感制作的误差和诊断不同体型的人等原因，导致系统初次级线圈回路的固有谐振频率发生变化而偏离了系统预设的工作频率，导致系统发生失谐现象，使线圈回路中的电流降低，产生的交变电磁场强度也随之降低了，进而导致系统能量传输效率降低，使得微诊查系统无法正常工作。目前频率跟踪技术运用最多的是锁相环跟踪电路，但该系统受电磁干扰影响较大，当系统为串联谐振时跟踪频率容易造成死锁现象，必须通过外界干预系统才能恢复正常工作。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种无线能量传输系统的频率跟踪装置，该频率跟踪装置解决了初级发射线圈回路失谐的问题，使初级绕组回路始终工作于谐振的状态，保证无线能量传输系统始终处于谐振的状态。
本发明的另一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种应用于无线能量传输系统的频率跟踪装置的频率跟踪方法，该频率跟踪方法有效地解决了无线能量传输系统出现的失谐所带来的能量传递不稳定的现象，以保证系统能量输出的稳定。
本发明的首要目的通过下述技术方案实现：一种无线能量传输系统的频率跟踪装置，包括：全桥逆变电路驱动电路、DDS芯片、单片机、相位差检测电路、初级绕组回路、电压采样电路、电流采样电路和放大整形电路，所述全桥逆变电路驱动电路包括高频逆变电路和PWM驱动电路；
所述初级绕组回路、高频逆变电路、PWM驱动电路、DDS芯片、单片机和相位差检测电路依次连接，所述电压采样电路的输入端和电流采样电路的输入端均与初级绕组回路相连接，所述电压采样电路的输出端和电流采样电路的输出端均通过放大整形电路与相位差检测电路相连接；
所述电流采样电路用于采集初级绕组回路的电流信号；所述电压采样电路用于采集初级绕组回路的电压信号；所述放大整形电路把采集到的电流和电压信号分别进行放大并整形处理为方波信号，然后输出至相位差检测电路的输入端形成电压电流相位差信号；所述电压电流相位差信号输入单片机的输入端，所述单片机用于对无线能量传输系统进行频率跟踪控制，并驱动DDS芯片产生一定频率的PWM信号输入PWM驱动电路；所述PWM驱动电路驱动高频逆变电路作为初级绕组回路的供电电源。
所述单片机用于对无线能量传输系统进行频率跟踪控制的控制方法为：将初级绕组回路的电压信号和电流信号进行相位比较，利用相位差检测电路确定初级绕组回路的相位关系，并把所述相位关系作为控制信号，所述单片机通过控制信号对无线能量传输系统进行频率跟踪，使无线能量传输系统保持谐振状态，解决无线能量传输系统的失谐问题。
单片机通过控制信号对无线能量传输系统进行频率跟踪的跟踪方法为：所述单片机控制DDS芯片产生一定频率的PWM信号；同时对采集的电压电流相位差信号进行检测处理，并将频率跟踪的结果反馈给无线能量传输系统，保持无线能量传输系统在新频率下的谐振状态。
驱动所述PWM驱动电路和驱动高频逆变电路均采用美国IR公司生产的大功率MOSFET专用驱动集成电路IR2110芯片；该大功率MOSFET专用驱动集成电路IR2110芯片具有自举悬浮驱动电源可同时输出两路驱动信号驱动同一桥臂上的上、下两个开关管；所述驱动集成电路IR2110芯片包括：第一自举电容C11、第二自举电容C12、自举二极管E，第一滤波电容C21、第二滤波电容C22、第一MOSFET管M1、第二MOSFET管M2、第一电阻R1和第二电阻R2；假设第一MOSFET管M1在关断期间第一滤波电容C21和第二滤波电容C22已经充到足够的电压VC1；当HIN为高电平时，IR2110芯片内部集成在同一桥臂上的开关管VM1开通，VM2关断，VC1通过VM1的栅极和源极，第二电阻R2形成回路放电，这时第一滤波电容C21和第二滤波电容C22相当于一个电压源使第一MOSFET管M1导通，同时LIN为低电平，IR2110芯片内部集成在同一桥臂上的开关管VM4开通，VM3关断，这时聚集在第二MOSFET管M2栅极和源极的电荷通过第二电阻R2，VM4迅速对地放电，由于死区时间影响使第二MOSFET管M2在第一MOSFET管M1开通之前迅速关断；当HIN为低电平时，VM1关断，VM2开通，这时聚集在第一MOSFET管M1栅极和源极的电荷通过第一电阻R1迅速放电；经过短暂的死区时间LIN为高电平，VM4关断，VM3导通，使VCC经过第一电阻R1，第二MOSFET管M2的栅极和源极形成回路，使第二MOSFET管M2开通，同时，VCC经过自举二极管E，第一自举电容C11、第二自举电容C12和第二MOSFET管M2形成回路，对第一自举电容C11、第二自举电容C12进行充电，如此循环反复下去。
本发明的另一目的通过以下技术方案实现：一种应用于无线能量传输系统的频率跟踪装置的频率跟踪方法，包括以下步骤：
步骤1、在频率跟踪式无线能量传输系统中，单片机控制DDS芯片产生一定频率的PWM信号用以驱动逆变桥并且对采集的电压电流相位差信号进行判断处理，保证系统的工作频率跟踪初级绕组回路的固有谐振频率的变化，将频率跟踪的结果反映成频率数据传入DDS芯片中，使得系统在新的频率下工作；
步骤2、相位检测电路输出的控制量在失谐状态或者谐振状态时保持不变，当发生失谐状态和谐振状态的状态转换时，相位检测电路输出的控制量发生变化；比如当电压相位超前电流时控制量为“0”，此时系统工作频率需要降低才能恢复谐振；
步骤3、单片机内置的程序以一定的步长不断的去减小系统工作频率，并每次及时更新DDS芯片的频率控制字产生新的工作频率来驱动逆变电路，同时相位检测电路对每次新的工作频率下发射回路中的电压电流相位进行相位检测，输出新的控制量送入单片机I/O口，不断循环检测判断，直到电压与电流相位相同或接近相同时、控制量变为“1”、工作频率不再减小，系统恢复谐振为止；当电压相位滞后电流相位时，依次类推，两种状态下的控制过程是互相牵制影响的，共同维持系统处于谐振的状态。频率跟踪控制程序流程如图6所示。
所述DDS芯片的型号可以为AD9850。
本发明的原理：由于初级绕组回路的固有谐振频率的变化引起的失谐是引起无线能量传输系统效率降低的主要因素，因此本发明主要是利用频率跟踪系统改善初级发射线圈回路的谐振问题，即：针对初级发射线圈回路设计频率跟踪电路使其始终处于谐振状态。流传感器采集初级绕组回路的电流信息，得到正比于发射线圈内电流It的电压信号VI，经过迟滞比较器整形为方波信号VQ1，用电压传感器采集初级绕组回路两端的电压Ut，经过迟滞比较器整形为方波信号VQ2。然后将这两个方波信号同时送到相位差检测电路得出相位差信息。根据回路的电压电流相位差信息使单片机做出相应的反应去控制DDS芯片改变输出的PWM信号的频率，以新的工作频率经过PWM驱动电路去驱动高频逆变电路工作。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、本发明利用单片机代替锁相环跟踪电路解决无线能量传输系统的频率失谐问题，维持了系统能量传输的稳定性。
2、本发明采用DDS芯片AD9850作为电源逆变的控制芯片具有灵敏度高，频率精度高，信号频率变换迅速的特点。
3、本发明的频率跟踪电路简单实用，而且可以通过程序调节跟踪灵敏度，可以适用不同的场合。
4、本发明的实物电路采用键盘输入信号频率，可以根据不同的运用场合来改变初始的工作频率，可以为多种不同的发射线圈提供激励信号，而且保证初级线圈都处于谐振状态，维持系统能量传输效率的最大化状态。
附图说明
图1是基于单片机控制的无线能量传输系统频率跟踪装置结构原理图。
图2是电流采样电路图；其中，Uout＝I2RL。
图3是电压采样电路图；其中，Uout＝I2RL。
图4是相位差检测电路图。
图5是全桥逆变电路驱动电路图。
图6是频率跟踪式无线能量传输系统的控制程序流程图。
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，一种无线能量传输系统的频率跟踪装置，包括：全桥逆变电路驱动电路、DDS芯片、单片机、相位差检测电路、初级绕组回路、电压采样电路、电流采样电路和放大整形电路，所述全桥逆变电路驱动电路包括高频逆变电路和PWM驱动电路，
频率跟踪的控制由单片机完成，单片机一方面控制DDS芯片(所述DDS芯片的型号为AD9850)产生一定频率的PWM信号输入PWM驱动电路用以驱动高频逆变电路；另一方面要对由采集的电压电流相位差信号进行判断处理，保证系统的工作频率跟踪初级绕组回路的固有谐振频率的变化。
全桥逆变电路驱动电路图如图5所示，所示全桥逆变电路驱动电路包括高频逆变电路和PWM驱动电路，因为AD9850产生的PWM信号幅值只有5V左右，达不到驱动开关管MOSFET的要求，这里采用PWM驱动电路将信号幅值提升到12V左右，达到MOSFET管的驱动要求，然后在PWM信号高低电平的交替驱动下，全桥逆变电路上位于对角线上的MOSFET管同时导通和截止，且两组对角线上的MOSFET管交替导通和截止，实现回路电流起伏振荡。
PWM驱动电路、驱动高频逆变电路，二者有机的组合在一起完成对高频逆变电路的驱动，驱动芯片采用的是美国IR公司生产的大功率MOSFET专用驱动集成电路IR2110芯片，它具有自举悬浮驱动电源可同时输出两路驱动信号驱动同一桥臂上的上、下两个开关管。具体一片IR2110芯片自举悬浮驱动过程如下：全桥逆变电路驱动电路如图5所示，包括第一自举电容C11、第二自举电容C12、自举二极管E，第一滤波电容C21、第二滤波电容C22、第一MOSFET管M1、第二MOSFET管M2、第一电阻R1和第二电阻R2。假设第一MOSFET管M1在关断期间第一滤波电容C21和第二滤波电容C22已经充到足够的电压为VC1。当HIN为高电平时，IR2110芯片内部集成在同一桥臂上的开关管VM1开通，VM2关断，VC1通过VM1的栅极和源极，第二电阻R2形成回路放电，这时第一滤波电容C21和第二滤波电容C22相当于一个电压源使第一MOSFET管M1导通，同时LIN为低电平，IR2110芯片内部集成在同一桥臂上的开关管VM4开通，VM3关断，这时聚集在第二MOSFET管M2栅极和源极的电荷通过第二电阻R2，VM4迅速对地放电，由于死区时间影响使第二MOSFET管M2在第一MOSFET管M1开通之前迅速关断；当HIN为低电平时，VM1关断，VM2开通，这时聚集在第一MOSFET管M1栅极和源极的电荷通过第一电阻R1迅速放电。经过短暂的死区时间LIN为高电平，VM4关断，VM3导通，使VCC经过第一电阻R1，第二MOSFET管M2的栅极和源极形成回路，使第二MOSFET管M2开通，与此同时，VCC经过自举二极管E，第一自举电容C11、第二自举电容C12和第二MOSFET管M2形成回路，对第一自举电容C11、第二自举电容C12进行充电，如此循环反复下去。
电流采样电路采用高频电流互感器，电流互感器的磁芯需具备较好的高频性能，电路如图2所示。
电压采样电路采用高频电压互感器，电压互感器的磁芯需要采用高频性能好，同时不容易饱和且剩磁小的磁性材料制成，电路如图3所示。
通过高频电压互感器采集的初级绕组回路的电压信号输出为正弦波信号，而通过高频电流互感器采集的初级绕组回路的电流信号输出为正弦交流信号，需要经过整形电路变换成方波信号，因此通过放大整形电路分别对电压采样输出信号和电流采样输出信号进行处理，作为的输入信号。放大整形电路采用迟滞比较器，电路如图4所示。
相位差检测电路由D触发器实现，具体的电路如图4所示。经过整形后的电压、电流方波信号分别输入D触发器的时钟信号端和输入端，根据D触发器的输出端信号可以判断电压信号与电流信号之间的相位关系。
如图6所示，应用于无线能量传输系统的频率跟踪装置的频率跟踪方法为：在频率跟踪式无线能量传输系统中，单片机一方面控制AD9850产生一定频率的PWM信号用以驱动逆变桥；另一方面要对采集的电压电流相位差信号进行判断处理，保证系统的工作频率跟踪初级绕组回路的固有谐振频率的变化，将频率跟踪的结果反映成频率数据传入AD9850中，使得系统在新的频率下工作。相位检测电路输出的控制量在失谐或者谐振状态时是保持不变的，两种状态下转换时其控制量才发生变化，比如当电压相位超前电流时控制量为“0”，此时系统工作频率需要降低才能恢复谐振，单片机里的程序以一定的步长不断的去减小系统工作频率，并每次及时更新AD9850的频率控制字产生新的工作频率来驱动逆变电路，同时相位检测电路对每次新的工作频率下发射回路中的电压电流相位进行相位检测，输出新的控制量送入单片机I/O口，如此不断循环检测判断，直到电压与电流相位相同或接近相同时，控制量变为“1”，工作频率不再减小，系统恢复谐振。当电压相位滞后电流相位时，依次类推。二种状态下的频率跟踪的控制过程是互相牵制影响的，共同维持系统处于谐振的状态。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施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 (6)

1.一种无线能量传输系统的频率跟踪装置，其特征在于，包括：全桥逆变电路驱动电路、DDS芯片、单片机、相位差检测电路、初级绕组回路、电压采样电路、电流采样电路和放大整形电路，所述全桥逆变电路驱动电路包括高频逆变电路和PWM驱动电路；
所述初级绕组回路、高频逆变电路、PWM驱动电路、DDS芯片、单片机和相位差检测电路依次连接，所述电压采样电路的输入端和电流采样电路的输入端均与初级绕组回路相连接，所述电压采样电路的输出端和电流采样电路的输出端均通过放大整形电路与相位差检测电路相连接；
所述电流采样电路用于采集初级绕组回路的电流信号；所述电压采样电路用于采集初级绕组回路的电压信号；所述放大整形电路把采集到的电流和电压信号分别进行放大并整形处理为方波信号，然后输出至相位差检测电路的输入端形成电压电流相位差信号；所述电压电流相位差信号输入单片机的输入端，所述单片机用于对无线能量传输系统进行频率跟踪控制，并驱动DDS芯片产生一定频率的PWM信号输入PWM驱动电路；驱动高频逆变电路作为初级绕组回路的供电电源。
2.根据权利要求1所述的无线能量传输系统的频率跟踪装置，其特征在于，所述单片机用于对无线能量传输系统进行频率跟踪控制的控制方法为：将初级绕组回路的电压信号和电流信号进行相位比较，利用相位差检测电路确定初级绕组回路的相位关系，并把所述相位关系作为控制信号，所述单片机通过控制信号对无线能量传输系统进行频率跟踪，使无线能量传输系统保持谐振状态。
3.根据权利要求2所述的无线能量传输系统的频率跟踪装置，其特征在于，所述单片机通过控制信号对无线能量传输系统进行频率跟踪的跟踪方法为：所述单片机控制DDS芯片产生一定频率的PWM信号；同时对采集的电压电流相位差信号进行检测处理，并将频率跟踪的结果反馈给无线能量传输系统，保持无线能量传输系统的谐振状态。
4.根据权利要求1所述的无线能量传输系统的频率跟踪装置，其特征在于，驱动所述PWM驱动电路和驱动高频逆变电路均采用驱动集成电路IR2110芯片；所述驱动集成电路IR2110芯片包括：第一自举电容(C11)、第二自举电容(C12)、自举二极管(E)，第一滤波电容(C21)、第二滤波电容(C22)、第一MOSFET管(M1)、第二MOSFET管(M2)、第一电阻(R1)和第二电阻(R2)；假设第一MOSFET管(M1)在关断期间第一滤波电容(C21)和第二滤波电容(C22)已经充到足够的电压VC1；当HIN为高电平时，IR2110芯片内部集成在同一桥臂上的开关管VM1开通，VM2关断，VC1通过VM1的栅极和源极，第二电阻(R2)形成回路放电，这时第一滤波电容(C21)和第二滤波电容(C22)相当于一个电压源使第一MOSFET管(M1)导通，同时LIN为低电平，IR2110芯片内部集成在同一桥臂上的开关管VM4开通，VM3关断，这时聚集在第二MOSFET管(M2)栅极和源极的电荷通过第二电阻(R2)，VM4迅速对地放电，由于死区时间影响使第二MOSFET管(M2)在第一MOSFET管(M1)开通之前迅速关断；当HIN为低电平时，VM1关断，VM2开通，这时聚集在第一MOSFET管(M1)栅极和源极的电荷通过第一电阻(R1)迅速放电；经过短暂的死区时间LIN为高电平，VM4关断，VM3导通，使VCC经过第一电阻(R1)，第二MOSFET管(M2)的栅极和源极形成回路，使第二MOSFET管(M2)开通，同时，VCC经过自举二极管(E)，第一自举电容(C11)、第二自举电容(C12)和第二MOSFET管(M2)形成回路，对第一自举电容(C11)、第二自举电容(C12)进行充电。
5.一种应用于权利要求1所述的无线能量传输系统的频率跟踪装置的频率跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、单片机控制DDS芯片产生一定频率的PWM信号用以驱动逆变桥并且对采集的电压电流相位差信号进行判断处理，将频率跟踪的结果反映成频率数据传入DDS芯片中，使系统在新的频率下工作；
步骤2、相位检测电路输出的控制量只在失谐状态或者谐振状态时保持不变；
步骤3、单片机内置的程序以一定的步长不断的去减小系统工作频率，并及时更新DDS芯片的频率控制字产生新的工作频率来驱动逆变电路，同时相位检测电路对新的工作频率下发射回路中的电压电流相位进行相位检测，输出新的控制量送入单片机I/O口，不断循环检测判断，直到系统恢复谐振为止。
6.根据权利要求5所述的频率跟踪方法，其特征在于，在步骤1中，所述DDS芯片的型号为AD9850。
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