CN107294222A - 小型可旋转无线供电系统 - Google Patents

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曹秋平
史乘龙
段生记
王传华
陈继峰
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Abstract

本发明提供了一种小型可旋转无线供电系统，包括分离变压器、供电电路和受电电路，所述的分离变压器采用两个开口相对的罐状磁芯分别作为初级磁芯和次级磁芯，罐状磁芯的中心线与雷达转台的转动轴重合；初级磁芯固定在雷达基座上，初级磁芯内线圈连接供电电路；次级磁芯固定在转台上，次级磁芯内线圈连接受电电路。本发明解决了由固定不动的雷达基座向随天线转动的雷达功能模块供电的问题，降低了生产成本。

Description

小型可旋转无线供电系统
技术领域
本发明涉及能量传输领域，尤其涉及一种无线供电系统。
背景技术
无线电能传输技术是指通过非接触的方式传输电能的方法，其应用领域非常广泛，传输功率相差较大，小到用于生物移植的几十毫瓦、小型设备的几十瓦功率，大到电动汽车或运动机器人的上千瓦功率以及磁悬浮列车应用的上兆瓦功率。
感应电能传输技术(Inductive Power Transfer简称IPT)首先由新西兰奥克兰大学包尔斯教授等从20世纪90年代初开始研究的，经过十几年的努力，该技术在理论和实践上已获得重大突破。电力变压器是这一技术的最直接应用。变压器的一次和二次电路没有直接连在一起，能量的传递是通过电磁耦合过程也即互感来实现的。目前在感应传能耦合技术的研究及应用中，都采用分离变压器原理。这一技术的优点在于原理简单，容易实现，近距离能量传输效率高，可高达99％。但是缺点在于传输距离短，对位移和频率变化的稳定性差，需要一次、二次线圈尽量保持在对齐状态，一旦出现相对位移，效率急剧下降，对一次、二次铁心的形状和对齐方式要求高。
根据工作过程中初、次级之间的运动状态，该系统可分为三类：分离式、滑动式、和旋转式感应能量传输系统。分离式和滑动式感应能量传输技术的应用产品较多，其典型的商业化产品包括以下几种：日本大阪富库(DAIFYKU)公司的单轨行车和无电瓶自动运货车；德国奥姆寓尔(WAMPELER)公司的载人电动火车及电动游船等。旋转式感应传能系统作为感应能量传输系统的一个重要部分，它的研究和应用相对来说要少一些。
在小型化雷达设计中，一般将雷达的发射机、接收机和信处模块做一体化设计，成为单板PCB，外加屏蔽盒后固定在旋转天线的背部，和天线一起位于转台之上，并随着转台一起旋转作圆周转动。如何对旋转的主要模块供电成为必须解决的问题，普通电缆随着转动会发生纽结，已经不能适用。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种小型化雷达的可旋转无线供电系统，用于实现对旋转天线背后雷达各个功能模块的供电。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种小型化雷达的可旋转无线供电系统，包括分离变压器、供电电路和受电电路；所述的分离变压器采用两个开口相对的罐状磁芯分别作为初级磁芯和次级磁芯，罐状磁芯的中心线与雷达转台的转动轴重合；初级磁芯固定在雷达基座上，初级磁芯内线圈连接供电电路；次级磁芯固定在转台上，次级磁芯内线圈连接受电电路。
所述的线圈采用印制板型线圈，在层叠的若干层PCB板内布设线圈，在PCB板上下表层布设接地屏蔽。
所述的供电电路包括FPGA、防误电路、驱动电路和四个MOSFET开关管S1～S4构成的全桥逆变器，FPGA产生的两路PWM信号经过防误电路处理后送往驱动电路，驱动全桥逆变器产生高频交流电。
所述的防误电路中，两路PWM信号分别经过设定的延迟后和自身相与，得到两路带有死区时间的信号A和B；同时，两路PWM信号经过逻辑电路的判决，在两路PWM信号同时为高的情况下输出低电平控制信号，分别与A、B信号相与后产生两路输出信号。
所述的驱动电路采用同开同断的高速驱动芯片。
所述的受电电路中，四个二极管VD1～VD4和补偿电容Cf构成整流滤波电路，将次级磁芯内线圈输出的交流电压变换成直流电压供直流负载使用。
本发明的有益效果是：解决了由固定不动的雷达基座向随天线转动的雷达功能模块供电的问题，降低了生产成本，是小型旋转式无线供电的一个成功案例，可供其它领域参考。
附图说明
图1是小型可旋转无线供电系统应用场景示意图；
图2是旋转无线供电电磁耦合原理示意图；
图3是PCB线圈示意图；
图4是系统电路结构图；
图5是防误电路示意图；
图6是防误电路输入输出信号示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明根据感应传能技术原理，公开了一种小型化雷达的可旋转无线供电系统，主要包括分离变压器、绕匝线圈和初级供电电路、次级受电电路，由这几部分共同完成了对旋转模块高达20W的供电，在雷达天线旋转的过程中供电稳定，整个雷达系统工作正常。
如图2所示，本发明采用的分离变压器为罐状磁芯，初级磁芯固定在雷达基座的初级供电电路上，次级磁芯固定在转台上的次级受电电路上，罐状磁芯的中心线与转台的转动轴向重合，这样就可以保证在次级罐状磁芯随转台转动时，初、次级线圈一直保持在对齐状态，电磁感应的磁力线不受影响，进而供电稳定，不受转动的影响。由于罐型磁芯的空间较小，为了更好的利用有限的空间以及方便的改变线圈匝数，本发明采用的线圈不是漆包线绕制，而是采用印制板型线圈，如图3所示，采用多层PCB板布设线圈，左侧a图为内层线圈示意图，右侧b图为线圈上下表层布设的接地屏蔽，目的是为了减少涡流效应。
本发明的系统电路结构如图4所示，电路以耦合器为界，左侧为初级供电电路部分，右侧为次级受电电路部分，S1～S4为MOSFET开关管，VD1～VD4为二极管，Cf为补偿电容，RL为负载电阻。
供电电路部分由防误电路、驱动电路和S1～S4四个MOSFET开关管构成全桥逆变器，并由PWM技术控制用于给耦合器初级绕组提供高频交流电流。PWM信号由雷达基座上负责控制功能的FPGA产生。由FPGA产生两路PWM信号，这两路信号直接进入防误电路，经过防误电路处理后送往驱动电路，驱动电路驱动高速MOSFET开关管产生高频电流。
S1～S4四个开关管在工作过程中，S1和S4是一对使用一路PWM信号，S2和S3是一对使用另一路PWM信号，这两对信号分时导通和关闭，便在线圈中产生了高频交流信号。所以在实际的工作中，应该避免两对信号同时导通，如果同时导通的话，不仅不能产生高频交流信号，还可能烧毁开关管和电源。在实际电路运行时，由于器件实效或人为编程失误可能会出现两路PWM信号同时为高的情况，这时就需要防误电路来解决，当两路PWM信号同时为高时，将两路PWM信号输出置为低。防误电路的结构如图5所示，两路PWM信号分别经过Ain和Bin进入，在经过延迟后和自身相与，产生一个固定的死区时间Δt2，同时该硬件死区时间对于系统来说也是一种硬件保护，当PWM信号没有预留死区时间或死区时间不足时，防误电路带来的硬件死区时间就可以提供必要的死区时间。与此同时，Ain和Bin两路信号经过逻辑电路的判决，将同时为高的情况判决为低，该控制信号最后与产生硬件死区时间的A和B两路信号相与后输出，送往驱动芯片。防误电路的输入输出信号如图6所示，图中Ain和Bin是由FPGA产生的两路PWM信号，在FPGA进行程序固化也就是烧写配置芯片时或者FPGA加电启动，读取配置芯片时，由于器件特性，在这段时间内FPGA的输出引脚全部为三态加弱上拉，表现为高电平，正常工作后便输出PWM信号。在Ain和Bin两路信号同时为高的这段时间正是防误电路需要处理的，图中Ain和Bin两路信号的死区时间Δt1是由FPGA程序控制的，称为软死区时间，这个死区时间可自由调整，同时两路PWM信号的频率也可自由调整。Aout和Bout为防误电路的输出信号，从图中可以看出，在FPGA进行程序固化即烧写配置芯片时或者FPGA加电启动读取配置芯片时，防误电路两路信号的输出为低电平，达到了硬件保护的目的；同时PWM信号的死区时间也有原来的Δt1变为Δt1+Δt2，这也是本发明的特点之一，采用了两路死区时间软件可调的PWM控制技术。这么做同时也方便了供电系统的性能调试。
驱动电路中驱动器件的选型上，本发明选用了同开同断的高速驱动芯片，而非上下桥片式的低速驱动器件。
受电电路部分由VD1～VD4四个二极管和补偿电容Cf构成整流滤波电路用于将耦合器输出的交流电压变换成直流电压供直流负载使用。
雷达开机后，雷达基座部分首先开始工作，当雷达基座上的控制芯片FPGA接收到来自雷达终端的供电指令后，将高频PWM信号送往全桥逆变器，产生高频交流电流供给分离耦合器的初级绕组，产生交变磁场，根据感应电能传输原理，次级线圈在由封闭磁力线构成的交变磁场中产生交变电流，由VD1～VD4四个二极管和补偿电容Cf构成整流滤波电路将该交流电压转换成直流电压供负载使用。

Claims (6)

1.一种小型可旋转无线供电系统，包括分离变压器、供电电路和受电电路，其特征在于：所述的分离变压器采用两个开口相对的罐状磁芯分别作为初级磁芯和次级磁芯，罐状磁芯的中心线与雷达转台的转动轴重合；初级磁芯固定在雷达基座上，初级磁芯内线圈连接供电电路；次级磁芯固定在转台上，次级磁芯内线圈连接受电电路。
2.根据权利要求1所述的小型可旋转无线供电系统，其特征在于：所述的线圈采用印制板型线圈，在层叠的若干层PCB板内布设线圈，在PCB板上下表层布设接地屏蔽。
3.根据权利要求1所述的小型可旋转无线供电系统，其特征在于：所述的供电电路包括FPGA、防误电路、驱动电路和四个MOSFET开关管S1～S4构成的全桥逆变器，FPGA产生的两路PWM信号经过防误电路处理后送往驱动电路，驱动全桥逆变器产生高频交流电。
4.根据权利要求1所述的小型可旋转无线供电系统，其特征在于：所述的防误电路中，两路PWM信号分别经过设定的延迟后和自身相与，得到两路带有死区时间的信号A和B；同时，两路PWM信号经过逻辑电路的判决，在两路PWM信号同时为高的情况下输出低电平控制信号，分别与A、B信号相与后产生两路输出信号。
5.根据权利要求1所述的小型可旋转无线供电系统，其特征在于：所述的驱动电路采用同开同断的高速驱动芯片。
6.根据权利要求1所述的小型可旋转无线供电系统，其特征在于：所述的受电电路中，四个二极管VD1～VD4和补偿电容Cf构成整流滤波电路，将次级磁芯内线圈输出的交流电压变换成直流电压供直流负载使用。
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