CN105762945B - 用于ecpt系统中的复合信源式电能与信号并行传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于ECPT系统中的复合信源式电能与信号并行传输方法，该方法在ECPT系统中采用多个频率并行传输信号，具有较宽的通信带宽，克服了目前已有电能与信号并行传输系统中信道频带窄的问题，提升了数据传输速率，此外，利用该方法构建的电路拓扑依靠自身阻抗特性实现电能通道与信道间的隔离，完成了绝大部分电能串扰的隔离。最后充分利用信道带宽，根据频分复用法在多路子信道中进行信号调制，采用快速傅立叶变换对拾取信号进行频谱分析，在分离剩余的低频串扰的同时，进行多路高频载波的频谱分离，实现特定串扰频谱下的多路信号解调，相对于模拟解调方式具有较强的抗干扰能力。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输系统中的信息传输技术，具体的说，是一种用于ECPT(Electric-field Coupled Power Transfer，电场耦合型无线电能传输)系统中的复合信源式电能与信号传输方法。
背景技术
随着无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术的不断发展与突破，近年来针对基于电场耦合无线电能传输(Electric-Field Coupled Power Transfer,ECPT)技术的研究得到了国内外研究人员的关注。全球已有来自新西兰、美国、英国、日本、韩国、中国等国的学者，围绕电动汽车、生物假体、旋转机构、手机、机器人等应用对象的基于ECPT技术无线充/供电问题展开理论研究与应用探索。然而，对于现有的ECPT系统而言尚有一些瓶颈问题有待解决。其中，由于系统工作频率高、模型阶次高所导致的常见问题包括：控制系统复杂、参数敏感性较高、鲁棒性不理想、功率等级与效率有限等。而基于现有ECPT系统的电能与信号并行传输成为一种可行的解决方案。电能发射端与接收端之间的无线信号传输通道可用于构建跨越两端的控制回路，提升系统可控性与控制精度，实现系统最大功率或最优效率跟踪控制；通道还可用于系统两端的时变参数交互，解决参数敏感性较高与系统鲁棒性不理想的问题。此外，除了系统本身工作特性优化所需要的无线信号传输技术外，一些用电设备也需要与电源发射端进行信号传输，如植入型生物假体的数据外传、电动汽车无线充/供电系统电池状态数据回传等。
由于电能与信号并行传输技术中，电能载波与信号载波以叠加的形式在电路中共同传输，故而电能对信号传输的串扰问题尤为严重。为解决ECPT系统电能串扰下的信号解调问题，目前主要是依靠模拟电路滤波，通过带通滤波或高通滤波的方式实现电能串扰的抑制，使信号载波传入解调装置。但是，从实际效果来看，由于电能载波幅值远高于信号载波幅值，从而导致模拟滤波不彻底，容易导致滤波后串扰幅值仍高于信号载波幅值，使得解调出错。此外，目前信号传输主要采用单一频率载波的形式，导致信号传输速率较低。
发明内容
针对上述两大问题，本发明利用ECPT系统特有的电容耦合形式具有显著的高通特性，采用频分复用(Frequency Division Multiplexing,FDM)技术，将传输信道的总带宽划分成若干个子通道，充分利用信道带宽，提高了信道利用率与信号传输速率。同时，采用快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation,FFT)，将融合了各子信道载波与电能串扰的叠加时域信号进行频域化分析，一方面分离串扰对信号解调的干扰，另一方面实现多路信号并行解调，提升信号传输速率和可靠性。
为达到上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：
一种用于ECPT系统中的复合信源式电能与信号并行传输方法，其关键在于，包括以下步骤：
步骤1：在ECPT系统的原边电路和副边电路分别设置信号支路，原边信号支路连接在两个发射极板之间，副边信号支路连接在两个接收极板之间，原边信号支路和副边信号支路一个为信号发射支路，另一个为信号接收支路；
所述信号发射支路包括电感Lb2、电容Cb2以及n路复合信号调制模块，n为大于或等于2的正整数，n路复合信号调制模块由n路信号载波经过n路调制信号调制后经过信号叠加模块组成，最终由信号加载端口接入主电路；
所述信号接收支路包括电感Lb1、电容Cb1、信号拾取电阻Rb以及信号解调模块，信号解调模块由高频AD采样、FFT运算模块以及信号复原模块组成；
电感Lb2与电容Cb2构成一组并联谐振网络，电感Lb1与电容Cb1构成另一组并联谐振网络，两组并联谐振网络的谐振频率与ECPT系统的工作频率相同；
步骤2：将预发送的数字信号按规则分成n组，分别采用频率为f1,f2,…,fn的载波进行ASK调制形成所述n路复合信号源，每个信号源的载波频率不同；
步骤3：信号发射支路经过ECPT系统中的电场耦合机构将n路信号并行传送到信号接收支路中；
步骤4：对信号拾取电阻上的信号进行采样并选定2m个连续采样点做快速傅里叶变换，变换后的频谱中如果频点fi处为波峰，则认定该采样时段的第i组数字信号为1，否则为0，i为1～n，m正整数；
步骤5：将步骤4判断出的单一信元按照步骤2的分配规则还原成原始预发送的数字信号。
结合具体场景需要，副边信号支路为信号发射支路，原边信号支路为信号接收支路，当然也可以将原边信号支路设为信号发射支路，副边信号支路设为信号接收支路；
进一步地，步骤2预发送的数字信号为无线电能传输电路电流电压信息、器件参数信息或系统周围环境数据信息。
再进一步，所述信号发射支路中设置有两路信号源，所述无线电能传输电路电流电压信息、器件参数信息或系统周围环境数据信息按规则分成2组，本别采用频率为f1的载波和频率为f2的载波进行ASK调制。
为了判定方便，步骤4中采用阈值判定法判定频点fi处是否为波峰。
本发明的有益效果：
本发明在ECPT系统中采用多个频率并行传输信号，具有较宽的通信带宽，提升了数据传输速率，此外，通过FFT算法对拾取的叠加了复合载波与电能串扰的混合波形进行在线频谱分析，通过混合波形中各成分的频域分离特性实现复合信号的解调，相对于模拟解调方式具有较强的抗干扰能力。
附图说明
图1是现有的串联补偿式ECPT系统电路拓扑结构图；
图2是本发明的主电路拓扑结构图；
图3是图2的电能传输通道等效电路图；
图4是图2的信号传输通道等效电路图；
图5是调制信号与输入信号的时域波形图，其中图5(a)为大尺度模式的观察效果图，图5(b)为小尺度模式的观察效果图；
图6是拾取信号频谱图；
图7为FFT频谱采样周期和调制周期的对比关系图；
图8为解调信号占空比偏差与波特率的关系图。
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，一种常见的串联补偿式ECPT电路拓扑，电源Edc与滤波电容Cd1并联构成直流电压源，经过由开关管S1-S4组成的前桥逆变后形成交变电压接入由耦合极板Cs1，Cs2与补偿电感L1，L2构成的谐振网络，并在发射端耦合极板上形成高频交变电势差。该电势差激励产生高频电场并在接收端极板上激发交变电压，于是将电能传递至系统接收侧，最终经过二极管D1-D4整流与电容Cd2滤波后为负载RL供电。
基于上述拓扑结构，本实施例提出一种用于ECPT系统中的复合信源式电能与信号并行传输方法，包括以下步骤：
步骤1：在ECPT系统的原边电路和副边电路分别设置信号支路，原边信号支路连接在两个发射极板之间，副边信号支路连接在两个接收极板之间，原边信号支路和副边信号支路一个为信号发射支路，另一个为信号接收支路；
所述信号发射支路包括电感Lb2、电容Cb2以及n路复合信号调制模块，n为大于或等于2的正整数，n路复合信号调制模块由n路信号载波经过n路调制信号调制后经过信号叠加模块组成，最终由信号加载端口接入主电路；
所述信号接收支路包括电感Lb1、电容Cb1以及信号拾取电阻Rb以及信号解调模块，信号解调模块由高频AD采样、FFT运算模块以及信号复原模块组成；
电感Lb2与电容Cb2构成一组并联谐振网络，电感Lb1与电容Cb1构成另一组并联谐振网络，两组并联谐振网络的谐振频率与ECPT系统的工作频率相同；
基于上述步骤，可以得到图2所示的电场耦合式无线电能与信号并行传输电路拓扑。为实现信号由电能接收端向发射端无线传输，该电路拓扑保留了图1所示的常见串联补偿ECPT系统拓扑的所有原件，并在此基础上分别在发射端与接收端增加了信号支路。其中Lb1-Cb1，Lb2-Cb2构成的LC阻抗网络的谐振频率与电能传输的工作频率相同，故而对电能传输呈现较大阻抗以实现电能串扰的隔离。此外，usigi，i为1～n，为以正弦波为载波的电压型信号源；Rb为信号拾取电阻，用于信号波形的检测，与后级信号解调模块连接。两组谐振网络中参数关系应满足：
其中ωp为电能传输的工作角频率，其它变量为图2中对应元件的参数值。
步骤2：将预发送的数字信号按规则分成n组，分别采用频率为f1,f2,…,fn的载波进行ASK调制形成所述n路复合信号源，每个信号源的载波频率不同，这里的数字信号为无线电能传输电路电流电压信息、器件参数信息或系统周围环境数据信息，无线电能传输电路电流电压信息信号主要是系统输出端口的电流电压信息，器件参数信息主要是负载状态，比如负载电池充电电量，系统周围环境数据信息主要是针对特殊应用场景的用电设备而言，在工程应用中经常需要其副边向原边传输各种传感器数据，如温度传感器、湿度传感器等。
在本实施例中，所述信号发射支路中设置有两路信号源，所述无线电能传输电路电流电压信息、器件参数信息或系统周围环境数据信息按规则分成2组，本别采用频率为f1的载波和频率为f2的载波进行ASK调制。
当然，如果传感器数据量较多，也可以将其进行分组传输，通过预先约定的规则，将其按序分组，每一组数据采用一个频率的载波信号进行调制。
步骤3：信号发射支路经过ECPT系统中的电场耦合机构将n路信号并行传送到信号接收支路中；
步骤4：对信号拾取电阻上的信号进行采样并选定2m个连续采样点做快速傅里叶变换，变换后的频谱中如果频点fi处为波峰，则认定该采样时段的第i组数字信号为1，否则为0，i为1～n，m正整数；在具体判断时，可以采用阈值判定法判定频点fi处是否为波峰。
步骤5：将步骤4判断出的单一信元按照步骤2的分配规则还原成原始预发送的数字信号。
基于上述方法，其原理分析如下：
在信号无线传输的过程中，两个因素将直接影响信号拾取。首先，信号传输通道对正弦信号载波幅值的衰减作用将影响信号接收端所接收到的信号幅值，若衰减过大则会导致解调电路无法正确区分0-1信号所对应的幅值，此外信号载波也更容易湮没于电能串扰信号中。其次，电能传输对信号传输通道的串扰也将直接影响信号解调的难易，串扰过大将导致信号传输误码率上升。故而对信号传输通道增益与电能串扰的分析有助于整体电能与信号并行传输系统的设计。
通常，在电能传输特性分析中为简化分析复杂度，电压型全桥逆变可等效为一方波电压源，全桥整流及其后侧电路可整体等效为电阻，信号电压源可视为短路，于是等效后电能传输通道电路如图3所示。其中up为等效方波电压源，Rac为等效负载。
其中逆变器输出电压up表达式为：
根据傅立叶变换(Fourier Transform,FT)将逆变器输出电压进行展开：
由于电能传输通道等效电路中元件数量较多，为更加清晰地给出电能传输通道电压增益的频域数学表达式，图3所示的电路被分为4个局部阻抗如下：
其中Zp1-Zp4为图3中标注的局部阻抗；
变量Cs＝Cs1Cs2/(Cs1+Cs2)。
为计算出最终的电能传输通道增益uRac/up与串扰uRb/up的表达式，下列过渡变量的增益表达式表述如下：
其中iL1，iCs1分别为L1与Cs1上的电流，uRb，uRac分别为Rb与Rac的电压，ub1，ub2分别为电能发射端与接收端信号支路电压。于是最终电能传输通道增益Gpow与串扰Gcro表达式如下：
为分析信道对正弦波信号载波的衰减作用，给出信号传输通道等效电路如图4所示，图中逆变器等效电压源up视为短路，其余元件与图3保持一致。类似地，由于电能传输通道等效电路中元件数量较多，为更加清晰地给出信道电压增益的频域数学表达式，图4所示的电路被分为4个局部阻抗。
图4所示局部阻抗表达式如下：
其中Zs1-Zs4为图4中标注的局部阻抗。为计算出最终的信道电压增益uRb/usig表达式，下列过渡变量的增益表达式表述如下：
其中isig为信号源电流，uLR为L2与Rac串联电压，iCs1，iRb分别为Cs1与Rb的电流，uL1，uRb分别为L1与Rb的电压。于是最终信道电压增益Gsig表达式如下：
可以预见的是在信道电压增益特性中，电容Cb1，Cb2，Cs1，Cs2将起到主导作用，使得信道基本呈现高通特性，且具有一定的通频带宽。
根据上文分析可知，信号拾取电阻Rb上的电压为电能串扰电压与信道输出电压的叠加。其时域表达式为：
其中ωsk，分别为各路信号载波角频率与相角，Usig为信号载波幅值。由式(10)可知该电压中包含的谐波分量频率主要为各路信号载波角频率ωsk，以及角频率为ωp的方波的奇次谐波频率nωp，其中n∈{1,3,5,…}。
如图5，图6所示，图5(a)中，根据调制信号um1或um2高低电平不同可将输出信号usig分为a-d段，其中各段在时域展开后如图5(b)所示，其频谱u(ω)在低频段均存在串扰频谱，但该频谱并不对高频信号载波频谱产生影响。频谱u(ω)在高频段的对应频率点存在信号波峰。依据该特性，在频谱波峰值与0之间设置阈值电压间，可通过判断高频段(预设信号载波频率点处)是否有信号波峰，依次实现电压usig的a-d段的频谱识别，进而完成“0”、“1”信号的解调。
下面采用快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)对拾取到的包含调制信号与电能串扰的电压进行频域分析。
根据FFT原理，在读取2m(m∈N+为设定值)个电压采样值后，采用蝶形运算可获得相应频率点处的幅值。但由于信号发射与接收端无导线连接，信号调制与解调动作无法同步，故FFT采样周期可能跨越a-d段中某个交替处，导致传输误码。为解决这一问题，通过使用较高频率的采样频率以及较低的采样点数，可保证在一个码元周期内进行较多次串行FFT运算，使得因跨越a-d段交替处导致的误解调对整个码元的识别影响得以忽略。
图7给出了FFT采样周期与信号时域周期的关系，其中FFT采样周期为Tf(等于2mTs)，单路信号调制周期为2Tb，Ts为AD采样周期。针对单路信号而言，平均每半个调制信号周期Tb会出现1次调制信号切换点，而这一时间段内包含的FFT采样周期个数nfft为：
故解调后恢复的调制信号占空比与原始信号相比偏差最大可达：
其中为下取整函数。图8给出了采样频率20MHz，FFT采样64点时，解调信号占空比偏差与波特率的关系曲线，图中圆点标出了常用的串口波特率对应的占空比偏差。理想条件下，接收方串口电平采样均发生在每位数据的有效时刻的中点，η应小于50％。
为验证上述理论分析的正确性与方法的有效性，依据如图2所示的电路拓扑搭建实验装置。实验验证中，副边信号支路为信号发射支路，原边信号支路为信号接收支路，信源输入采样两路信源串联形成复合信源。电路参数如表1所示：
表1实验电路参数
其中，Rac为实验中采用的代替整流电路的等效电阻，fsig1与fsig2为两路信号载波频率，fp为电能谐振频率，BR1，BR2为两路信号波特率。
实验中，能量部分的耦合极板采用30cm×30cm覆铜板紧密耦合，开关管采用30NF20型MOSFET。此外，信号部分中载波调制采用CD4051芯片，信号拾取电阻Rb上的电压信号uRb的AD采样由AD9226模块完成，转换后数字信号经由FPGA模块EP3C5E144C8N进行FFT频谱分析与信号解调运算，实验波形由示波器Tektronics TPS2014B采集。
实验分析可得，叠加了两路复合信号的载波信号以及电能串扰信号，其波形混乱且无规律可循，采用模拟电路解调的难度极大。但在此情况下，采用FFT频谱分析，并基于频域分离解调法使得双路复合信源均以38400bps的波特率实现了信号传输，总体传输速率达到76800bps，同时约50W的功率传递至接收端负载，电能传输效率为80％。虽然解调信号占空比与调制信号占空比相比稍有偏差，但该偏差在串口标准接收范围之内，并不影响信号的串口读取，能够有效验证本方法的可行性。
Claims (5)
1.一种用于ECPT系统中的复合信源式电能与信号并行传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在ECPT系统的原边电路和副边电路分别设置信号支路，原边信号支路连接在两个发射极板之间，副边信号支路连接在两个接收极板之间，原边信号支路和副边信号支路一个为信号发射支路，另一个为信号接收支路；
所述信号发射支路包括电感Lb2、电容Cb2以及n路复合信号调制模块，n为大于或等于2的正整数，n路复合信号调制模块由n路信号载波经过n路调制信号调制后经过信号叠加模块组成，最终由信号加载端口接入主电路；
所述信号接收支路包括电感Lb1、电容Cb1以及信号拾取电阻Rb以及信号解调模块，信号解调模块由高频AD采样、FFT运算模块以及信号复原模块组成；
电感Lb2与电容Cb2构成一组并联谐振网络，电感Lb1与电容Cb1构成另一组并联谐振网络，两组并联谐振网络的谐振频率与ECPT系统的工作频率相同；
步骤2：将预发送的数字信号按规则分成n组，分别采用频率为f1,f2,…,fn的载波进行ASK调制形成n路复合信号源，每个信号源的载波频率不同；
步骤3：信号发射支路经过ECPT系统中的电场耦合机构将n路信号并行传送到信号接收支路中；
步骤4：对信号拾取电阻上的信号进行采样并选定2m个连续采样点做快速傅里叶变换，变换后的频谱中如果频点fi处为波峰，则认定采样时段的第i组数字信号为1，否则为0，i为1～n，m正整数；
步骤5：将步骤4判断出的单一信元按照步骤2的分配规则还原成原始预发送的数字信号。
2.根据权利要求1所述的用于ECPT系统中的复合信源式电能与信号并行传输方法，其特征在于，副边信号支路为信号发射支路，原边信号支路为信号接收支路。
3.根据权利要求2所述的用于ECPT系统中的复合信源式电能与信号并行传输方法，其特征在于，步骤2预发送的数字信号为无线电能传输电路电流电压信息、器件参数信息或系统周围环境数据信息。
4.根据权利要求3所述的用于ECPT系统中的复合信源式电能与信号并行传输方法，其特征在于，所述信号发射支路中设置有两路信号源，所述无线电能传输电路电流电压信息、器件参数信息或系统周围环境数据信息按规则分成2组，分别采用频率为f1的载波和频率为f2的载波进行ASK调制。
5.根据权利要求1-4任一所述的用于ECPT系统中的复合信源式电能与信号并行传输方法，其特征在于，步骤4中采用阈值判定法判定频点fi处是否为波峰。
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