CN104753185A - 无线电能传输稳压控制系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无线电能传输稳压控制系统及其方法，包括整流滤波模块、谐振模块、LC接收模块、电压控制系统，所述电压控制系统包括电压检测模块、通讯模块、控制模块，电压控制系统与谐振模块、LC发射模块、LC接收模块、整流滤波模块构成负反馈回路。检测模块由一窗口比较器电路组成，其设置第一运算放大器与第二运算放大器，本发明的无线电能传输稳压控制系统及其方法通用性强，当接收端为不同类型电压都能够准确的采样，实现对不同负载进行兼容，且具有高稳定性与抗干扰能力。

Description

无线电能传输稳压控制系统及其方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及一种无线电能传输稳压控制系统及其方法。

背景技术

在无线电能传输系统中，一般采用感应耦合进行电能传输，无线电能传输技术是一种以非接触式方式向负载传递能量的新技术。

无线电能传输系统通常包括无线电能发射端以及无线电能接收端两大部分。发射端主要用于完成电能的变换与发送，接收端主要用于完成能量的拾取与稳压。无线电能传输系统利用发射线圈中的高频电流激发的高频磁场在接收端拾取线圈中引起电磁感应产生感应电压的原理来完成能量的非接触传送。

不同于一般的脉冲宽度调制（PWM）和相位调制的系统，无线电能传输系统发射端根据对接收端的输出电压进行采样并接收反馈信号来调节其工作状态，采用调频的方式来实现系统的功率调节和稳定。以此控制接收端使其工作在一定的电压范围内，并控制无线电能传输系统的传输功率。

现有的采样方法，是通过对接收端的电压峰值进行采样，达到控制输出电压的目的。对不同的波形需用不同的采样电路，如当输出波形为正弦波和直流波时，需要用不同电气参数的采样电路,而且对正弦波的采样及控制精度都较低。

尤其是目前的无线电力传输中，市电工频2倍频的正弦单向脉冲电压（M波）为一种创新的输出电压方式，目前没有现成的反馈稳压方式适合于市电工频2倍频的正弦单向脉冲电压（M波），无线电力传输系统的稳定性得不到保证。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种无线电能传输稳压控制系统及其方法，取得了良好的稳压效果，有效地解决了上述问题。本发明的技术方案是这样实现的：

无线电能传输稳压控制系统，包括整流滤波模块、谐振模块、LC接收模块、电压控制系统，所述电压控制系统包括电压检测模块、通讯模块、控制模块，其中：

检测模块，对输出电压进行采样比较判断，并输出控制信号；

通讯模块，将检测模块的输出控制信号传输给发射端的控制系统；

控制模块，将通讯模块发送的控制信号转化成控制命令，调整谐振模块的工作状态，对输出电压进行调节控制；

所述电压控制系统与谐振模块、LC接收模块、整流滤波模块构成负反馈回路。

进一步地，所述检测模块由一窗口比较器电路组成，其包含第一运算放大器与第二运算放大器，其中，第一运算放大器设置有高阈值电压Vref-H，对应输出脉冲宽度调制信号PWM-A, 第二运算放大器设置有低阈值电压与低阈值电压Vref-L, 对应输出脉冲宽度调制信号PWM-B。

采用上述无线电能传输稳压控制系统进行无线电能传输稳压控制方法，包括以下步骤：

A、对经过整流滤波后的输出电压进行采样，采样信号经窗口比较电路与高阈值电压Vref-H及低阈值电压Vref-L进行比较；

B、窗口比较器电路将比较结果的PWM-A、PWM-B信号输出至通讯模块，通讯模块将信号传送至控制模块；

C、控制模块对PWM-A、PWM-B信号对行解析，转化为控制命令，对谐振模块的频率进行调整，进而调整输出电压；

D、连续对输出电压进行采样比较，重复步骤A至C，直至输出电压稳定控制在高阈值电压Vref-H及低阈值电压Vref-L之间。

本发明的有益效果体现在：

一、  通用性强，当接收端为不同类型（如：感性、阻性）的工作负载提供电能时，输出波形为直流（如：负载为空载或轻载时）或M波（如：负载较大时），接收端模块都能够准确的采样，实现对不同负载进行兼容；

二、  当输出电压为直流或叠加交流纹波的直流，采样电压在阈值电压附近的任何微小变化，都将引起输出电压的跃变，导致采样电路的抗干扰能力差，本发明采用窗口比较器电路，窗口比较器设置高阈值电压与低阈值电压，通过反馈回路使输出电压稳定控制在高阈值电压与低阈值电压之间，大大提高了系统的稳定性与抗干扰能力。

附图说明

图1为本发明无线电能传输稳压控制系统的功能框图；

图2为本发明无线电能传输稳压控制系统的稳压控制流程图；

图3为传统的采样比较器电路示意图；

图4为本发明的窗口比较器电路示意图；

图5为传统的采样比较器电路的M波采样波形示意图；

图6为本发明窗口比较器电路的M波采样波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的无线电能传输稳压系统及其方法作进一步说明。

图1为本发明无线电能传输稳压控制系统的功能框图，如图1所示，本发明无线电能传输稳压控制系统，包括发射端与接收端，接收端可工作在空载或带负载的状态，其中发射端包括整流滤波模块、谐振模块、接收端包括LC接收模块、电压控制系统，接收端可以连接功率负载和辅助电源，其中电压控制系统包括电压检测模块、通讯模块、控制模块，检测模块，对输出电压进行采样比较判断，并输出控制信号；通讯模块，将检测模块的输出控制信号传输给发射端的控制系统；控制模块，将通讯模块发送的控制信号转化成控制命令，调整谐振模块的工作状态，对输出电压进行调节控制；同时，电压控制系统与谐振模块、LC接收模块、整流滤波模块构成负反馈回路。

现有的无线电能传输系统的电压检测电路如图3所示，其对接收端的输出电压进行采样时，将采样的电压峰值与设定的电压参考值比较，如图4所示，并将判断结果通过通讯模块反馈给发射端控制系统，由发射端控制系统对发射端谐振模块的工作状态进行调整，达到调整接收端输出电压目的。下面分析其采样与比较电路的工作原理。

目前的无线电力传输中，市电工频2倍频的正弦单向脉冲电压（M波）作为一种创新的输出电压方式被广泛采用，如图5所示，当接收端输出电压波形是M波的时候，以有效值为220V的M波为例，其有效值记为Vrms，所以Vmax=√2*Vrms，由此可知，其M波与其峰值电压Vmax的比值为√2/2。当M波的瞬时值等于有效值时的相角分别为45°（arcsin（√2/2））和135°（arcsin（√2/2）），由此可得知正弦波的瞬时值超过其有效值时相角范围为45°<θ<135°，正弦波的瞬时值低于其有效值时相角范围为0<θ<45°和135<θ<180°。由此可得结论：M波的瞬时值超过其有效值的相角与低于其有效值的相角相同，均为90°。如图4所示。

在图3所示的采样比较器电路中，采样阈值电压记为Vref，其与M波的有效值220V对应，如图6所示。

由上述分析可知，当采样电压的瞬时值与Vref相等时，比较电路输出的脉冲宽度调制信号PWM波的占空比为50%；当采样电压的瞬时值大于Vref时，比较电路输出的PWM波的占空比大于50%；当采样电压的瞬时值小于Vref时，比较电路输出的PWM波的占空比小于50%。采样比较器电路将上述输出状态转化成控制命令，通过无线通讯模块发送给发射端的控制系统，调节发射端的谐振模块的工作状态，进而达到对接收端输出电压的控制控制目的。但是，采样电压在阈值电压Vref附近的任何微小变化，都将引起输出电压的跃变，导致采样电路的抗干扰能力差。

本发明采用的窗口比较器电路如图4所示，其包含第一运算放大器与第二运算放大器，其中，第一运算放大器设置有高阈值电压Vref-H，对应输出脉冲宽度调制信号PWM-A, 第二运算放大器设置有低阈值电压与低阈值电压Vref-L, 对应输出脉冲宽度调制信号PWM-B，两个阈值电压之间的差值为窗口宽度，它决定了输出电压范围的精度。对于M波来说，高阈值电压Vref-H与低阈值电压Vref-L通常设置在有效值220V附近，如可以设置Vref-H为225V，Vref-L为215V。其工作过程如图2所示：

检测模块对经过整流滤波后的输出电压进行采样，采样信号经如图4所示的窗口比较电路与高阈值电压Vref-H及低阈值电压Vref-L进行比较；窗口比较器电路将比较结果的PWM-A、PWM-B信号输出至通讯模块，通讯模块将信号传送至控制模块；控制模块对PWM-A、PWM-B信号对行解析，转化为控制命令，具体如下：

表1 比较单元的逻辑真值表：

当PWM-A输出低电平，PWM-B输出低电平，电路无效，重新检查调整；

当PWM-A输出低电平，PWM-B输出高电平，采样电压高于Vref-H，进行降压操作；

当PWM-A输出高电平，PWM-B输出低电平，采样电压低于Vref-L，进行升压操作；

当PWM-A输出高电平，PWM-B输出高电平，采样电压介于Vref-H与Vref-L之间，进行稳压操作。

谐振模块根据控制命令对频率进行调整，进而调整输出电压；

连续对输出电压进行采样比较，重复步骤A至C，直至输出电压稳定控制在高阈值电压Vref-H及低阈值电压Vref-L之间。

Claims (4)

1.无线电能传输稳压控制系统，包括整流滤波模块、谐振模块、LC接收模块、电压控制系统，其特征在于：所述电压控制系统包括电压检测模块、通讯模块、控制模块，其中：

检测模块，对输出电压进行采样比较判断，并输出控制信号；

通讯模块，将检测模块的输出控制信号传输给发射端的控制系统；

控制模块，将通讯模块发送的控制信号转化成控制命令，调整谐振模块的工作状态(如开关频率，占空比，相位等)，对输出电压进行调节控制；

所述电压控制系统与谐振模块、LC发射模块、LC接收模块、整流滤波模块构成负反馈回路。

2.根据权利要求1所述的无线电能传输稳压控制系统，其特征在于所述检测模块由一窗口比较器电路组成。

3.根据权利要求2所述的无线电能传输稳压控制系统，其特征在于所述窗口比较器电路包含第一运算放大器与第二运算放大器，其中，第一运算放大器设置有高阈值电压Vref-H，对应输出脉冲宽度调制信号PWM-A, 第二运算放大器设置有低阈值电压与低阈值电压Vref-L, 对应输出脉冲宽度调制信号PWM-B。

4.无线电能传输稳压控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

检测模块对经过整流滤波后的输出电压进行采样，采样信号经窗口比较电路与高阈值电压Vref-H及低阈值电压Vref-L进行比较；

窗口比较器电路将比较结果的PWM-A、PWM-B信号输出至通讯模块，通讯模块将信号传送至控制模块；

控制模块对PWM-A、PWM-B信号对行解析，转化为控制命令，对谐振模块的工作参数(如开关频率，占空比，相位等)进行调整，进而调整输出电压；

连续对输出电压进行采样比较，重复步骤A至C，直至输出电压稳定控制在高阈值电压Vref-H及低阈值电压Vref-L之间。