CN107240962B - 一种无接触旋转供电系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无接触旋转供电系统及其控制方法，属于供电系统技术领域，解决现有的旋转供电系统使用寿命短、可靠性差、环境适应能力差的问题。其包括直流源、逆变器、原边线圈、副边线圈、整流器、变换器、原边数据采集器、原边控制器和副边数据采集器；直流源、逆变器和原边线圈依次连接，副边线圈、整流器、变换器依次连接；原边数据采集器采集原边线圈电流，副边数据采集器采集整流器的输出电压；原边控制器对整流器的输出电压和预先设定的副边参考输出电压进行比较和比例积分微分控制，从而调节整流器的输出电压。上述无接触旋转供电系统可在旋转或静止情况下为负载提供安全、可靠、灵活的供电。

Description

一种无接触旋转供电系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种供电系统，尤其涉及一种无接触旋转供电系统及其控制方法。

背景技术

旋转电子设备(例如，机器人关节、转塔平台、钻井平台、电机励磁等)中，固定部件向旋转部件的电能传输通常需要采用旋转供电系统。

现有技术中，旋转供电系统主要采用滑环电刷方式和电缆直连方式，这两种方式均属于接触式供电。

其中，滑环电刷方式的旋转供电系统存在滑环和电刷接触磨损、接触电阻变大、受转速影响大、存在粉尘污染等问题，导致旋转供电系统的使用寿命和可靠性下降，环境适应能力差。

另外，在易燃易爆、水下等一些特殊环境(例如矿井、油田钻采等)，是无法使用滑环电刷方式的旋转供电系统的。这是因为，在易燃易爆的环境中，滑环电刷方式的旋转供电系统在供电过程中滑环与电刷之间会由于摩擦而产生电火花，存在爆炸或起火的危险；而在水下的环境中，滑环电刷方式的旋转供电系统存在漏电的危险。

对于电缆直连方式的旋转供电系统，电缆会限制转动角度的范围，无法连续转动。同时，电缆在长时间的供电过程中需要反复弯曲，容易造成疲劳损伤，从而降低了旋转供电系统的使用寿命，环境适应能力差。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种无接触旋转供电系统及其控制方法，解决了现有技术中接触式旋转供电系统使用寿命短、可靠性差、环境适应能力差的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

第一方面，本发明提供了一种无接触旋转供电系统，包括直流源、逆变器、原边线圈、副边线圈、整流器、变换器、原边数据采集器、原边控制器和副边数据采集器；直流源的输出端与逆变器的输入端连接，逆变器的输出端与原边线圈的输入端连接，整流器的输出端与整流器的输入端连接，整流器的输出端与变换器连接；原边控制器的数据采集控制指令分别传送至原边数据采集器和副边数据采集器，原边数据采集器采集原边线圈的电流，并反馈给原边控制器，副边数据采集器采集整流器的输出电压，并反馈给原边控制器；原边控制器对整流器的输出电压和预先设定的整流器的参考输出电压进行比较以及比例积分微分控制，得到原边线圈的参考电流，原边控制器对原边线圈的电流和原边线圈的参考电流进行比较以及比例积分微分控制，得到逆变器的输出频率、逆变器的脉冲占空比或原边线圈的输出电压；原边控制器控制逆变器的输出频率、逆变器的脉冲占空比或原边线圈的输出电压，从而调节整流器的输出电压；使用时，变换器与负载连接。

进一步地，原边控制器的数据采集控制指令依次通过原边通信模块和副边通信模块传送至副边数据采集器，副边数据采集器采集的整流器的输出电压依次通过副边通信模块和原边通信模块反馈给原边控制器。

进一步地，逆变器为单相全桥或者单相半桥拓扑。

进一步地，变换器为单路输出或多路输出。

进一步地，原边线圈为导线缠绕构成单匝或多匝线圈；副边线圈为导线缠绕构成单匝或多匝线圈。

进一步地，原边线圈和副边线圈均为平面环形，原边线圈位于副边线圈的上方或下方；或者，原边线圈和副边线圈均为柱状环形，原边线圈位于副边线圈的环形区域内。

进一步地，原边线圈与副边线圈通常为同轴设置，以使得电能传输更加平稳。

进一步地，逆变器通过原边补偿网络与原边线圈连接；副边线圈通过副边补偿网络与整流器连接。

进一步地，无接触旋转供电系统还包括与负载并联的电池。

第二方面，本发明还提供了一种无接触旋转供电系统的控制方法，

采用原边恒流控制模式、无线闭环控制模式和/或不间断供电控制模式；原边恒流控制模式包括如下步骤：

S11：根据原副边互感值、原边电流的频率和原边线圈的电流计算得到副边线圈的理论输出电压；

S12：将副边线圈的理论输出电压与负载所需电压进行比较，通过调整原副边互感值、原边电流的频率或原边线圈的电流，使得副边线圈的理论输出电压等于负载所需电压；

无线闭环控制模式包括如下步骤：

S21：原边控制器的数据采集控制指令分别传送至原边数据采集器和副边数据采集器，原边数据采集器采集原边线圈电流，并反馈给原边控制器，副边数据采集器采集整流器的输出电压，并反馈给原边控制器；

S22：原边控制器对整流器的输出电压和预先设定的整流器的参考输出电压进行比较以及比例积分微分控制，得到原边线圈的参考电流，原边控制器对原边线圈的电流和原边线圈的参考电流进行比较以及比例积分微分控制，得到逆变器的输出频率、逆变器的脉冲占空比或原边线圈的输出电压；

S23：原边控制器控制逆变器的输出频率、逆变器的脉冲占空比或原边线圈的输出电压，从而调节整流器的输出电压；

不间断供电控制模式包括如下步骤：

S31：原边控制器的数据采集控制指令传送至原边数据采集器，原边数据采集器采集直流源的电压，当直流源的电压的波动超过阈值时，电池对负载供电。

与现有技术相比，本发明有益效果如下：

a)本发明提供的无线旋转供电系统基于电磁感应原理，利用原边线圈和副边线圈完全隔离的非接触式变压器将电能从供电侧以非接触的形式传递到负载侧，实现了供电侧与负载侧的物理分离和电气隔离。由于上述无接触旋转供电系统不涉及到滑环和电刷、电缆等连接部件，因此可以避免机械磨损、接触电阻变大、受转速影响大、裸露导体漏电、旋转角度和速度受限等问题，提高了系统的安全性可靠性和环境适应性，可以广泛用于机器人活动关节、转塔平台、钻井平台等旋转电子设备。

b)本发明提供的无线旋转供电系统中还设有原边数据采集器、原边控制器和副边数据采集器，通过副边数据采集器采集整流器的输出电压，并反馈给原边控制器，原边控制器分别将整流器的输出电压和预先设定的整流器的参考输出电压进行比较以及比例积分微分(PID)控制，通过调整逆变器的输出频率、逆变器的脉冲占空比或逆变器输出电压，从而调节整流器的输出电压，提高无接触旋转供电系统的供电准确性。

c)本发明提供的无线旋转供电系统可以依靠电池对负载进行供电，从而保证了上述无接触旋转供电系统的不间断供电，提高系统的稳定性。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例一的无接触旋转供电系统的结构示意图；

图2为本发明实施例一的无接触旋转供电系统的另一种结构的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

实施例一

本实施例提供了一种无接触旋转供电系统，参见图1至图2，其包括直流源1、逆变器2、原边线圈3、副边线圈4、整流器5、变换器6、原边数据采集器7、原边控制器8和副边数据采集器9。其中，直流源1的输出端与逆变器2的输入端连接，逆变器2的输出端与原边线圈3的输入端连接，副边线圈4的输出端与整流器5的输入端连接，整流器5的输出端与变换器6连接；原边控制器8的数据采集控制指令分别传送至原边数据采集器7和副边数据采集器9，原边数据采集器7采集原边线圈3的电流，并反馈给原边控制器8，副边数据采集器9采集整流器5的输出电压，并反馈给原边控制器8；原边控制器8对整流器5的输出电压和预先设定的整流器5的参考输出电压进行比较以及比例积分微分控制，得到原边线圈3的参考电流，原边控制器8对原边线圈3的电流和原边线圈3的参考电流进行比较以及比例积分微分控制，得到逆变器2的输出频率、逆变器2的脉冲占空比或原边线圈3的输出电压；原边控制器8控制逆变器2的输出频率、逆变器2的脉冲占空比或原边线圈3的输出电压，从而调节整流器5的输出电压。使用时，变换器6与负载12连接。

实施时，直流源1输出的直流电通过逆变器3变换为交流电，该交流电通入原边线圈3，原边线圈3产生交变磁场并穿过副边线圈4，使得副边线圈4产生感应交流电，这个感应交流电通过整流器5变换为直流电，直流电通过变换器6变换为负载12所需的电源形式，并进一步通入负载12，从而实现为负载12供电。在上述供电过程中，原边控制器8的数据采集控制指令分别传送至原边数据采集器7和副边数据采集器9，原边数据采集器7采集原边线圈3的电流，并反馈给原边控制器8，副边数据采集器9采集整流器5的输出电压，并反馈给原边控制器8；原边控制器8对整流器5的输出电压和预先设定的整流器5的参考输出电压进行比较以及比例积分微分控制，得到原边线圈3的参考电流，原边控制器8对原边线圈3的电流和原边线圈3的参考电流进行比较以及比例积分微分控制，得到逆变器2的输出频率、逆变器2的脉冲占空比或原边线圈3的输出电压；原边控制器8控制逆变器2的输出频率、逆变器2的脉冲占空比或原边线圈3的输出电压，从而调节整流器5的输出电压。

与现有技术相比，本发明提供的无接触旋转供电系统基于电磁感应原理，利用原边线圈3和副边线圈4完全隔离的非接触式变压器将电能从供电侧以非接触的形式传递到负载侧，实现了供电侧与负载侧的物理分离和电气隔离。由于上述无接触旋转供电系统不涉及到滑环和电刷、电缆等连接部件，因此可以避免机械磨损、接触电阻变大、受转速影响大、裸露导体漏电、旋转角度和速度受限等问题，提高了系统的安全性可靠性和环境适应性，可以广泛用于机器人活动关节、转塔平台、钻井平台等旋转电子设备。

同时，上述无接触旋转供电系统中还设有原边数据采集器7、原边控制器8和副边数据采集器9，通过副边数据采集器9采集整流器5的输出电压，并反馈给原边控制器8，原边控制器8分别将整流器5的输出电压和预先设定的整流器5的参考输出电压进行比较以及比例积分微分(PID)控制，通过调整逆变器2的输出频率、逆变器2的占空比或原边线圈3的输出电压，从而调节整流器5的输出电压，提高无接触旋转供电系统的供电准确性。

示例性地，原边控制器8与副边数据采集器9之间的数据通信可以通过原边通信模块10和副边通信模块11来实现。原边控制器8的数据采集控制指令依次通过原边通信模块10和副边通信模块11传送至副边数据采集器9，副边数据采集器9采集的整流器5的输出电压依次通过副边通信模块11和原边通信模块10反馈给原边控制器8。而原边通信模块10和副边通信模块11之间以无线形式通信，可以采用Zigbee、蓝牙或以太网方式连接。

需要说明的是，上述无接触旋转供电系统可以实现旋转供电也可以实现固定供电。当旋转供电时，原边线圈3相对固定，副边线圈4可以相对原边线圈3旋转；当固定供电时，副边线圈4相对原边线圈3静止即可。

具体来说，上述直流源1提供的直流电可以为交流整流后得到的直流电，也可以为其他形式转换的直流电。

上述逆变器2可以为单相全桥或者单相半桥拓扑，用于将直流电变换为指定频率的交流电，需要说明的是，指定频率可以根据负载12的用电情况进行变化，在此不详细描述。

上述变换器6可以为单路输出或多路输出，使得上述无接触旋转供电系统能够与多个负载12相连，实现多个负载12的同时供电。

对于原边线圈3和副边线圈4的结构，示例性地，原边线圈3可以为导线缠绕构成单匝或多匝线圈，其可以具有磁芯或者不具有磁芯，其中，导线可以为多股细线(一般称为利兹线)，导线与线圈整体密封，表面平整，仅留两个接头作为输入端；而副边线圈4的结构与原边线圈3的结构一般相同，仅是线圈的匝数不同。而对于原边线圈3和副边线圈4的具体匝数，在应用中可以根据原边线圈的输入电流以及负载12所需电压进行设定，在此不一一限定。

对于原边线圈3、副边线圈4的形状和位置关系，示例性地，原边线圈3和副边线圈4可以为平面环形，原边线圈3位于副边线圈4的上方或下方，参见图1；或者，原边线圈3和副边线圈4为柱状环形，参见图2，原边线圈3位于副边线圈4的环形区域内。原边线圈3与副边线圈4之间的间隙可调，通常情况下，原边线圈3与副边线圈4之间的间隙为几毫米至几百毫米均可。

为了保证电压的稳定，原边线圈3与副边线圈4通常同轴设置。

为了抵消原边线圈3和副边线圈4的电抗，逆变器2可以通过原边补偿网络13与原边线圈3连接，副边线圈4可以通过副边补偿网络14与整流器5连接。这样，原边补偿网络13采用电容与原边线圈3串联或并联，从而可以抵消原边线圈3的电抗；同样地，副边补偿网络14采用电容与副边线圈4串联或并联，从而可以抵消副边线圈4的电抗。

为了保证上述无接触旋转供电系统供电不间断，其还可以包括与负载12并联的电池15。当供电侧出现非正常断开时，即原边通信模块9未向副边通信模块11发送断电指令就发生断电的情况时，可以依靠电池15对负载12进行供电，从而保证了上述无接触旋转供电系统的不间断供电，提高系统的稳定性。在供电正常时，当电池15的电量不足时，可以通过整流器5对电池15进行充电。

需要说明的是，对于副边通信模块11，其还可以获取副边线圈4的电流、电池15的电量和负载12的信息等信息，从而能够更加全面的了解上述无接触旋转供电系统的供电性能，进而能够提高供电的准确性。

实施例二

本实施例提供了一种无接触旋转供电系统的控制方法，该控制方法可以采用原边恒流控制模式、无线闭环控制模式和/或不间断供电控制模式；

其中，原边恒流控制模式包括如下步骤：

S11：根据原副边互感值、原边电流的频率和原边线圈的电流计算得到副边线圈的理论输出电压，计算公式如下：

V＝2πf·MI，其中，f为原边电流的频率，M为原副边互感值，I为原边线圈的电流；

S12：将副边线圈的理论输出电压与负载所需电压进行比较，通过调整原副边互感值、原边电流的频率或原边线圈的电流，使得副边线圈的理论输出电压等于负载所需电压。

无线闭环控制模式包括如下步骤：

S21：原边控制器的数据采集控制指令分别传送至原边数据采集器和副边数据采集器，原边数据采集器采集原边线圈电流，并反馈给原边控制器，副边数据采集器采集整流器的输出电压，并反馈给原边控制器；

S22：原边控制器对整流器的输出电压和预先设定的整流器的参考输出电压进行比较以及比例积分微分控制，得到原边线圈的参考电流，原边控制器对原边线圈的电流和原边线圈的参考电流进行比较以及比例积分微分控制，得到逆变器的输出频率、逆变器的脉冲占空比或原边线圈的输出电压；

S23：原边控制器控制逆变器的输出频率、逆变器的脉冲占空比或原边线圈的输出电压，从而调节整流器的输出电压。

不间断供电控制模式包括如下步骤：

S31：原边控制器的数据采集控制指令传送至原边数据采集器，原边数据采集器采集直流源的电压，当直流源的电压的波动超过阈值时，电池对负载供电。

与现有技术相比，本实施例提供的无接触旋转供电系统的控制方法的有益效果与上述无接触旋转供电系统的有益效果相同，在此不再赘述。

需要说明的是，上述不间断供电模式适用于原边线圈供电异常，即副边通信模块未接收到原边控制器发送的断电信号就发生断电的情况，例如，直流源突然断电、原边发生保护动作等，而对于正常断电，电池不会对负载供电。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种无接触旋转供电系统，其特征在于，包括直流源、逆变器、原边线圈、副边线圈、整流器、变换器、原边数据采集器、原边控制器和副边数据采集器；

所述直流源、所述逆变器与所述原边线圈依次连接，所述副边线圈、所述整流器与所述变换器依次连接；

所述原边控制器的数据采集控制指令分别传送至所述原边数据采集器和所述副边数据采集器，所述原边数据采集器采集所述原边线圈的电流，并反馈给所述原边控制器，所述副边数据采集器采集所述整流器的输出电压，并反馈给所述原边控制器；

所述原边控制器的数据采集控制指令依次通过原边通信模块和副边通信模块传送至所述副边数据采集器，所述副边数据采集器采集的整流器的输出电压依次通过副边通信模块和原边通信模块反馈给所述原边控制器；

所述原边线圈和所述副边线圈均为柱状环形，采用同轴设置；所述原边线圈位于所述副边线圈的环形区域内；原边线圈与副边线圈之间的间隙可调，为几毫米至几百毫米；

供电系统还包括与所述整流器并联的电池；

使用时，所述变换器与负载连接；

供电系统具有原边恒流控制模式、无线闭环控制模式和不间断供电控制模式；

所述原边恒流控制模式包括如下步骤：

S11：根据原副边互感值、原边电流的频率和原边线圈的电流计算得到副边线圈的理论输出电压；

S12：将副边线圈的理论输出电压与负载所需电压进行比较，通过调整原副边互感值、原边电流的频率或原边线圈的电流，使得副边线圈的理论输出电压等于所述负载所需电压；

所述无线闭环控制模式包括如下步骤：

S21：原边控制器的数据采集控制指令分别传送至原边数据采集器和副边数据采集器，所述原边数据采集器采集原边线圈电流，并反馈给所述原边控制器，所述副边数据采集器采集整流器的输出电压，并反馈给所述原边控制器；

S22：所述原边控制器对所述整流器的输出电压和预先设定的整流器的参考输出电压进行比较以及比例积分微分控制，得到所述原边线圈的参考电流，所述原边控制器对所述原边线圈的电流和所述原边线圈的参考电流进行比较以及比例积分微分控制，得到逆变器的输出频率、逆变器的脉冲占空比或原边线圈的输出电压；

S23：所述原边控制器控制逆变器的输出频率、逆变器的脉冲占空比或原边线圈的输出电压，从而调节整流器的输出电压；

所述不间断供电控制模式包括如下步骤：

S31：原边控制器的数据采集控制指令传送至原边数据采集器，所述原边数据采集器采集直流源的电压，当直流源的电压的波动超过阈值时，电池对负载供电；

副边通信模块获取副边线圈的电流、电池的电量和负载的信息；当供电侧出现非正常断开时，即原边通信模块未向副边通信模块发送断电指令就发生断电的情况时，依靠电池对负载进行供电；在供电正常时，当电池的电量不足时，通过整流器对电池进行充电。

2.根据权利要求1所述的无接触旋转供电系统，其特征在于，所述逆变器为单相全桥或者单相半桥拓扑。

3.根据权利要求1所述的无接触旋转供电系统，其特征在于，所述变换器为单路输出或多路输出。

4.根据权利要求1所述的无接触旋转供电系统，其特征在于，所述原边线圈为导线缠绕构成单匝或多匝线圈；

所述副边线圈为导线缠绕构成单匝或多匝线圈。

5.根据权利要求1所述的无接触旋转供电系统，其特征在于，所述逆变器通过原边补偿网络与所述原边线圈连接；

所述副边线圈通过副边补偿网络与所述整流器连接。

6.一种如权利要求1-5任一项所述的无接触旋转供电系统的控制方法，其特征在于，采用原边恒流控制模式、无线闭环控制模式和不间断供电控制模式；

所述原边恒流控制模式包括如下步骤：

S11：根据原副边互感值、原边电流的频率和原边线圈的电流计算得到副边线圈的理论输出电压；

S12：将副边线圈的理论输出电压与负载所需电压进行比较，通过调整原副边互感值、原边电流的频率或原边线圈的电流，使得副边线圈的理论输出电压等于所述负载所需电压；

所述无线闭环控制模式包括如下步骤：

S21：原边控制器的数据采集控制指令分别传送至原边数据采集器和副边数据采集器，所述原边数据采集器采集原边线圈电流，并反馈给所述原边控制器，所述副边数据采集器采集整流器的输出电压，并反馈给所述原边控制器；

S22：所述原边控制器对所述整流器的输出电压和预先设定的整流器的参考输出电压进行比较以及比例积分微分控制，得到所述原边线圈的参考电流，所述原边控制器对所述原边线圈的电流和所述原边线圈的参考电流进行比较以及比例积分微分控制，得到逆变器的输出频率、逆变器的脉冲占空比或原边线圈的输出电压；

S23：所述原边控制器控制逆变器的输出频率、逆变器的脉冲占空比或原边线圈的输出电压，从而调节整流器的输出电压；

所述不间断供电控制模式包括如下步骤：

S31：原边控制器的数据采集控制指令传送至原边数据采集器，所述原边数据采集器采集直流源的电压，当直流源的电压的波动超过阈值时，电池对负载供电；

副边通信模块获取副边线圈的电流、电池的电量和负载的信息；当供电侧出现非正常断开时，即原边通信模块未向副边通信模块发送断电指令就发生断电的情况时，依靠电池对负载进行供电；在供电正常时，当电池的电量不足时，通过整流器对电池进行充电。

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