CN107733099B - 双全桥无线电能传输系统同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种双全桥无线电能传输系统同步方法，包括如下步骤：步骤1，锁频；步骤2，锁相。与现有技术相比，本发明的有益效果如下：(1)本发明中采用的频率锁定电路由于工作的电压等级高，可以有效地避免信号受到干扰。而且该电路由比较器和隔离器组成，大大降低了成本以及功率损耗；(2)本发明提出的技术十分有效并且易于实现，并且实现起来所需要的成本也大大降低；(3)本发明使用的方法可以在高频条件下仍然保持良好的工作状态，并且可以承受输入电压、负载以及互感的剧烈变化。

Description

双全桥无线电能传输系统同步方法
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，具体是一种简单高效的无线电能传输系统同步技术。
背景技术
双全桥无线电能传输系统不仅可以实现双向电能传输，而且可以对输出电压进行调整，灵活性较高，同时还能够有效地降低传输损耗以及提升传输效率。
然而，由于双全桥的工作频率高，系统的同步仍然是个挑战。虽然发射侧和接收侧是不接触的，但是一次侧和二次侧的控制信号具有严格的时序关系，因此系统的同步问题显得尤为重要。
目前，常用的双全桥无线电能传输系统的同步方法包括三种方式：(1)引入GPRS、CDMA或者WIFI等外部时钟，但是这种系统只能在信号稳定且可靠的地方工作，灵活性不高。(2)在发射侧和接收侧安装实时时钟，比如机载原子钟或者精密振荡器。但是这种方法成本较高且无法完全消除差异，工作时间一长就很可能会出现错误。(3)以发射机为源并且由辅助装置同步接收机。这种方案的可行性和可靠性是最好的，但是目前采用的技术方法仍有一些弊端：无法避免系统中的信号受到干扰；具有复杂的操作和计算过程。
发明内容
本发明的目的在于提供一种紧凑的、能够实现阻抗匹配和输出电压调节的双全桥无线电能传输系统同步方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种双全桥无线电能传输系统同步方法，包括如下步骤：
步骤1，锁频；
步骤2，锁相。
优选地，步骤1为通过锁频电路实现一次侧工作频率f1等于二次侧工作频率f2的步骤；其中
锁频电路，包括：
第一电阻R3，第一电阻R3的一端与采集到的二次侧谐振网络中的谐振电容电压Vc2的正极连接；
第二电阻R4，第二电阻R4的一端与采集到的二次侧谐振网络中的谐振电容电压Vc2的负极连接，第二电阻R4的另一端与第一电阻R3的另一端连接；
比较器，第一电阻R3与第二电阻R4的连接端与比较器的第一输入端连接，第二电阻R4的一端与比较器的第二输入端连接；
隔离器，隔离器的输入端与比较器的输出端连接，隔离器的输出端与数字信号处理器的端口GPIO6连接；
在比较器的第一输入端与比较器的第二输入端之间连接两个反向串联稳压二极管。
优选地，步骤1包括：
步骤1.1，采集二次侧谐振网络中的谐振电容的电压；
步骤1.2，将采集的电压经第一电阻R3转换为信号后输入到比较器，使比较器产生与一次侧频率f1相同的方波；
步骤1.3，方波通过隔离器后，输入数字信号处理器的同步端口GPIO6，即可使一次侧和二次侧具有相同的工作频率。
优选地，比较器为TLV3502。
优选地，隔离器为ISO7710。
优选地，数字信号处理器为TMS320f28335。
优选地，步骤2包括：
步骤2.1，执行遍历算法采样并记录V0(i)和
Figure BDA0001453149960000021
其中
Figure BDA0001453149960000022
满足：
Figure BDA0001453149960000023
且当i＝0°时，
Figure BDA0001453149960000024
为相角，
Figure BDA0001453149960000025
是
Figure BDA0001453149960000026
的初始值，V0(i)为输出电压，i为角度，i＝1°,2°...360°；
步骤2.2，提取最大输出电压V0_Max点及其所对应的
Figure BDA0001453149960000027
点；
步骤2.3，将接收侧的控制器设置为
Figure BDA0001453149960000028
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明中采用的频率锁定电路由于工作的电压等级高，可以有效地避免信号受到干扰。而且该电路由比较器和隔离器组成，大大降低了成本以及功率损耗；
(2)本发明提出的技术十分有效并且易于实现，并且实现起来所需要的成本也大大降低；
(3)本发明使用的方法可以在高频条件下仍然保持良好的工作状态，并且可以承受输入电压、负载以及互感的剧烈变化。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征目的和优点将会变得更明显。
图1为本发明研究的双全桥无线电能传输系统原理图。
图2为本发明中采用的频率锁定电路图。
图3为本发明中采用的零相位点跟踪算法流程图。
具体实施方式
下面对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。以下结合附图对本发明做出进一步的说明。
典型的双全桥的无线电能传输系统的电路原理图如图1所示，通过公式推导可以得出
Figure BDA0001453149960000031
其中I0为输出电流，α、β分别为一次侧电压和二次侧电压的脉冲宽度，f1、f2分别为一次侧工作频率和二次侧工作频率，
Figure BDA0001453149960000032
为二次侧谐振网络电压超前于谐振电流的相角初值，ω1为逆变角频率，M为互感，Vi为输入电压。根据推导出来的公式，系统的同步可以分为两部分：保证一次侧工作频率f1等于二次侧工作频率f2，保证二次侧谐振网络电压超前于谐振电流的相角初值
Figure BDA0001453149960000033
为零。
采用如图2所示的频率锁定电路来实现一次侧工作频率f1等于二次侧工作频率f2。采集二次侧谐振网络中的谐振电容电压Vc2，经第一电阻R3(分压电阻)转换为小幅值信号后送入到比较器TLV3502，从而使比较器产生与一次侧频率f1相同的方波。通过隔离器ISO7710后，方波被送到DSP(TMS320F28335)的同步端口GPIO6，这样就可以使得一次侧和二次侧具有相同的工作频率。
采用零相位点跟踪算法使二次侧谐振网络电压V2超前于谐振电流I2的相角初值
Figure BDA0001453149960000034
为零，算法流程图如图3所示。这个过程很快并且只需要在系统初始化期间执行一次，因此，一次侧电压和二次侧电压的脉冲宽度α、β，互感M以及输入电压Vi都可以被视为常数。当相角初值
Figure BDA0001453149960000035
为零时，输出电流I0达到峰值，由于负载为阻性负载，所以最大输出电流I0_max点对应于最大输出电压V0_max点。在代码中定义相角为
Figure BDA0001453149960000041
是其初始值。首先，执行遍历算法采样并记录V0(i)和
Figure BDA0001453149960000042
其中
Figure BDA0001453149960000043
由初始值
Figure BDA0001453149960000044
变化到
Figure BDA0001453149960000045
其次，排序并找到最大输出电压V0_max点以及对应的
Figure BDA0001453149960000046
点。然后将二次侧的控制器设置为
Figure BDA0001453149960000047
这样一来，就可以在很短的时间内轻松完成同步。一旦同步完成，α、β、
Figure BDA0001453149960000048
这些参数就可以用于功率调节和提高效率，系统灵活性大大增强。
提出的方法的有效性可以通过理论分析和实验结果验证。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (4)

1.一种双全桥无线电能传输系统同步方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，锁频；
步骤2，锁相；
所述步骤1为通过锁频电路实现一次侧工作频率f1等于二次侧工作频率f2的步骤；其中
锁频电路，包括：
第一电阻R3，第一电阻R3的一端与采集到的二次侧谐振网络中的谐振电容电压Vc2的正极连接；
第二电阻R4，第二电阻R4的一端与采集到的二次侧谐振网络中的谐振电容电压Vc2的负极连接，第二电阻R4的另一端与第一电阻R3的另一端连接；
比较器，第一电阻R3与第二电阻R4的连接端与比较器的第一输入端连接，第二电阻R4的一端与比较器的第二输入端连接；
隔离器，隔离器的输入端与比较器的输出端连接，隔离器的输出端与数字信号处理器的端口GPIO6连接；
在比较器的第一输入端与比较器的第二输入端之间连接两个反向串联稳压二极管；
所述步骤1包括：
步骤1.1，采集二次侧谐振网络中的谐振电容的电压；
步骤1.2，将采集的电压经第一电阻R3转换为小幅值信号后输入到比较器，使比较器产生与一次侧频率f1相同的方波；
步骤1.3，方波通过隔离器后，输入数字信号处理器的同步端口GPIO6，即可使一次侧和二次侧具有相同的工作频率；
所述步骤2包括：
步骤2.1，执行遍历算法采样并记录V0(i)和
Figure FDA0002826679300000011
其中
Figure FDA0002826679300000012
满足：
Figure FDA0002826679300000013
且当i＝0°时，
Figure FDA0002826679300000014
Figure FDA0002826679300000015
为相角，
Figure FDA0002826679300000016
是
Figure FDA0002826679300000017
的初始值，V0(i)为输出电压，i为角度，i＝1°,2°...360°；
Figure FDA0002826679300000018
表示角度为i时的相角；
步骤2.2，提取最大输出电压V0_Max点及其所对应的
Figure FDA0002826679300000019
点；
步骤2.3，将接收侧的控制器设置为
Figure FDA0002826679300000021
2.根据权利要求1所述的双全桥无线电能传输系统同步方法，其特征在于，比较器为TLV3502。
3.根据权利要求1所述的双全桥无线电能传输系统同步方法，其特征在于，隔离器为ISO7710。
4.根据权利要求1所述的双全桥无线电能传输系统同步方法，其特征在于，数字信号处理器为TMS320f28335。
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