CN107565710B - 自动调节到最佳工作频率的磁耦合谐振式无线供电系统 - Google Patents

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本发明公开了自动调节到最佳工作频率的磁耦合谐振式无线供电系统，属于无线电能传输技术领域。包括：发射装置、接收装置两部分。发射装置包括：直流电源1、高频逆变器2、LC谐振器3、电压电流检测器4、自动调频系统5、无线通信模块6。接收装置包括：LC谐振器7、整流滤波器8、负载9、无线通信模块10、电压电流检测器11。该无线供电系统提出了通过调节工作频率来达到最佳传输效率的方法，该方法能够在负载阻抗、传输距离等参数变化时，自动调整工作频率，使得系统能稳定在最佳工作频率。

Description

自动调节到最佳工作频率的磁耦合谐振式无线供电系统
技术领域
本发明涉及自动调节到最佳工作频率的磁耦合谐振式无线供电系统，属于无线电能传输技术领域。
背景技术
长期以来，传统的供电方式在获取电能时，都是由导线连接用电设备和电源，这种供电方式存在着一些不可避免的缺陷：电线的连接处容易发热氧化、接插件的机械磨损、导线绝缘层塑料皮受热或受到碾压时容易剥落、接触点容易产生电火花等，这些缺陷都存在着一定的安全隐患，迫使人们积极寻求新型的电能传输方式。
近年来，无线传感器、无线终端设备、人体植入医疗设备为代表的无线终端技术成为科技发展的新方向。由于无线供电技术有效地避免了传统供电方式的安全隐患。特别是在煤矿、面粉厂等易燃易爆的特殊场合，无线供电技术更是有其广阔的应用情景。
自从磁耦合谐振技术的提出，国内外学者在该领域已经取得一定的成果，但大都为基础的理论化研究且尚未成熟，距离实际应用还有很多关键问题亟待解决。如：现实生活中，负载阻抗、传输距离一般不是固定的，当相关参数变化时，若工作频率没有及时调整，传输的效率、功率下降较快。
针对上述问题，本发明提出了一种基于磁耦合谐振的自动调频效率优化方法。该方法能够在负载阻抗、传输距离等参数变化时，自动调整振荡器频率，使得系统能稳定在最佳工作频率。
发明内容
本发明的目的是这样实现的：
自动调节到最佳工作频率的磁耦合谐振式无线供电系统，包括：直流电源1将220V市电转化为稳定的直流电压后为发射装置提供能量，高频逆变器2将直流电源1中的直流电逆变为高频交流电为发射装置处LC谐振器3提供激励；接收装置处LC谐振器7通过磁耦合谐振方式接收到发射装置处LC谐振器3的能量后，经过整流滤波器8将接收到的高频脉冲处理为稳定的直流电为负载9提供电能；电压电流检测器11实时检测整流滤波器的输出电压和电流大小并通过无线通信模块10将该信号发送给发射装置的无线通信模块6；无线通信模块6将接收到的信号通过串口通信传输给自动调频系统5；接收装置中的电压电流检测器4实时检测直流电源1的输出电压、电流大小并将该信号传输给自动调频系统5，由自动调频系统5不断变化高频逆变器2的工作频率；其特征在于，包含以下步骤：
步骤一无线通信模块6接收当前接收装置通过无线通信模块10发送过来的电压电流信号；
步骤二发射装置检测当前的电压、电流大小；
步骤三发射装置的自动调频模块5计算当前的传输效率并赋值到数组中；
步骤四自动调频系统的输出频率增加；
步骤五判断自动调频系统5的输出频率是否达到调频区间的上限，若没有达到上限值，重复步骤一到步骤四，直到自动调频系统5的输出频率达到调频区间的最大值；
步骤六冒泡法排序，得到数组中传输效率的最大值和效率最大值对应的频率；
步骤七控制自动调频系统5的输出频率为最大效率对应的频率。
所述的自动调频系统5包括：单片机51、DA转换器52、线性光耦合器53和SG3525芯片54。
本发明的有益效果是，当无线传输的距离、负载阻抗等参数变化时，系统的工作频率会随着相关参数的变化而变化，从而始终保持着系统能达到的最大传输效率。
附图说明
图1是设计系统的整体框图；
图2是自动调节到最佳工作频率的程序框图；
图3自动调频系统结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细地描述：
如图1所示，本发明的能自动调节到最佳工作频率的磁耦合谐振式无线供电系统，包括直流电源1将220V市电转化为稳定的直流电压后为发射装置提供能量，高频逆变器2将直流电源1中的直流电逆变为高频交流电为发射装置处LC谐振器3提供激励。接受装置处LC谐振器7通过磁耦合谐振方式接收到发射装置处LC谐振器3的能量后，经过整流滤波器8将接收到的高频脉冲处理为稳定的直流电为负载9提供电能。电压电流检测器11实时检测整流滤波器的输出电压和电流大小并通过无线通信模块10将该信号发送给发射装置的无线通信模块6。无线通信模块6将接收到的信号通过串口通信传输给自动调频系统5。接收装置中的电压电流检测器4实时检测直流电源1的输出电压、电流大小并将该信号传输给自动调频系统5，由自动调频系统5不断变化高频逆变器2的工作频率。
如图2所示，所述的自动调节到最佳工作频率的程序框图，是本发明实现核心功能的方法。根据谐振装置利用谐振公式计算出理论频率并以该理论频率为中点并根据实际调试得到一个大概的调频区间，该区间可在处理数据不超过自动调频系统5处理能力的基础上尽可能大，之后的每次自动调频过程都在此区间内改变频率。首先自动调频系统5输出调频区间的最低频率，此时通过无线通信模块6接收到此时接收装置的整流滤波器8输出的电压和电流，通过接收装置中的电压电流检测器4实时检测直流电源1的输出电压、电流。自动调频系统5计算当前的传输效率并将其赋值到数组table[]中，之后自动调频系统5的输出频率不断增加并计算各个频率对应的传输效率将其赋值到数组table[]中，直到频率达到调频区间的上限。通过冒泡法将数组table[]中的一系列效率值进行排序，得到最大的效率值和其对应的频率f，自动调频系统输出频率为f的脉冲，完成一次自动调频的过程，自动调频系统5不断重复上述过程即可实现当无线传输的距离、负载阻抗等参数变化时，系统的工作频率会随着相关参数的变化而变化，从而始终保持着系统能达到的最大传输效率。
如图3所示，所述的自动调频系统5由单片机51对无线通信模块6、电压电流检测器4的信号进行处理。并通过其I/O口控制DA转换器52的输出电压来控制线性光耦合器53输出端的电流，而线性光耦合器53的输出端连接SG3525芯片54的6脚，通过控制SG3525芯片54的6脚电流来达到控制其输出频率的目的。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有局限性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一。所以如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它形式的同类部件或其它形式的各部件布局方式，不经创造性的设计出与该技术方案相似的技术方案与实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.自动调节到最佳工作频率的磁耦合谐振式无线供电系统，包括：直流电源(1)将220V市电转化为稳定的直流电压后为发射装置提供能量，高频逆变器(2)将直流电源(1)中的直流电逆变为高频交流电为发射装置处LC谐振器(3)提供激励；接收装置处LC谐振器(7)通过磁耦合谐振方式接收到发射装置处LC谐振器(3)的能量后，经过整流滤波器(8)将接收到的高频脉冲处理为稳定的直流电为负载(9)提供电能；第二电压电流检测器(11)实时检测整流滤波器的输出电压和电流大小并通过第二无线通信模块(10)将电压和电流大小发送给发射装置的第一无线通信模块(6)；第一无线通信模块(6)将接收到的信号通过串口通信传输给自动调频系统(5)；接收装置中的第一电压电流检测器(4)实时检测直流电源(1)的输出电压、电流大小并将输出电压、电流传输给自动调频系统(5)，由自动调频系统(5)不断变化高频逆变器(2)的工作频率；其特征在于，磁耦合谐振式无线供电系统自动调节到最佳工作频率的方法包含以下步骤：
步骤一、第一无线通信模块(6)接收当前接收装置通过第二无线通信模块(10)发送过来的电压电流信号；
步骤二、发射装置检测当前的电压、电流大小；
步骤三、发射装置的自动调频系统(5)计算当前的传输效率并赋值到数组中；
步骤四、自动调频系统(5)的输出频率增加；
步骤五、判断自动调频系统(5)的输出频率是否达到调频区间的上限，若没有达到上限值，重复步骤一到步骤四，直到自动调频系统(5)的输出频率达到调频区间的最大值；
步骤六、冒泡法排序，得到数组中传输效率的最大值和效率最大值对应的频率；
步骤七、控制自动调频系统(5)的输出频率为最大效率对应的频率；
所述的自动调频系统(5)包括单片机(51)、DA转换器(52)、线性光耦合器(53)和SG3525芯片(54)；
谐振装置利用谐振公式计算出理论频率并以该理论频率为中点并根据实际调试得到一个调频区间，该区间在处理数据不超过自动调频系统(5)处理能力的基础上选最大，之后的每次自动调频过程都在此区间内改变频率；首先自动调频系统(5)输出调频区间的最低频率，此时通过接收装置的第二无线通信模块(10)接收到此时接收装置的整流滤波器输出的电压和电流，通过接收装置中的第二电压电流检测器(11)实时检测直流电源的输出电压、电流；自动调频系统(5)计算当前的传输效率并将其赋值到数组table[]中，之后自动调频系统(5)的输出频率不断增加并计算各个频率对应的传输效率将其赋值到数组table[]中，直到频率达到调频区间的上限；通过冒泡法将数组table[]中的一系列效率值进行排序，得到最大的效率值和其对应的频率f，自动调频系统(5)输出频率为f的脉冲，完成一次自动调频的过程，自动调频系统(5)不断重复上述过程即实现当无线传输的距离、负载阻抗变化时，系统的工作频率会随着相关参数的变化而变化，从而始终保持着系统能达到的最大传输效率。
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