CN109462466B - 一种单通道能量信号同步传输系统移相控制实现方法及该系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单通道能量信号同步传输系统移相控制实现方法及该系统，该系统包括信号调制模块、高频逆变器、原边能量发射电路、副边能量和信号接收电路；其中所述信号调制模块把数字信号转换成高频逆变器的移相角，所述原边能量发射电路中电流为谐波含量高的梯形电流波，所述副边能量和信号接收电路包含基波、三次谐波选频电路和信号解调电路。本发明通过移相方式控制高频逆变器移相角，不同移相角时逆变输出阶梯方波中各次谐波含量不同，利用副边选频电路将基波和三次谐波选出分别传输能量和信号。直接控制高频逆变器移相角能够动态调节三次谐波的含量。本发明能够实现信号高速率传输，且基本不影响能量传输。

Description

一种单通道能量信号同步传输系统移相控制实现方法及该 系统
技术领域
本发明属于同步传输技术领域，涉及一种新型能量信号同步传输技术，具体涉及一种单通道能量信号同步传输系统移相控制实现方法及该系统。
背景技术
无线电能传输是利用空间中的某种介质(如电场、磁场等)来把能量从电源端传递向负载端。对于很多应用场合来说，在实现无线电能传输的同时，还需要将信息进行实时的传输，如电动汽车无线充电时需要能够把车载电池的状态信息传递给充电桩。无线能量信号同步传输技术逐渐受到人们的关注，目前无线能量信号同步传输技术主要可以分为以下几种：
1、双通道式能量与信号同步传输技术，即能量与信号分别在不同的通道中传输。该技术是分别设置能量线圈和信号线圈，两组线圈都独立工作，系统体积大，线圈间也会有很大的电磁干扰，能量和信号的传输都会受到很大的影响；
2、注入式能量与信号同步传输技术，即外接高频信号源作为数字信号的载波，利用能量通道来传输信号。该技术是利用耦合线圈将含有数字信号的高频载波加载到主电路中，但是由于能量通道的固有谐振频率和工作频率相同，因此高频载波在能量通道中会有很大的衰减，信号的传递很容易受到外界噪声的干扰；
3、单通道式能量与信号同步传输技术。该技术根据信号调制技术的不同能够分为二进制移幅键控(2ASK)、二进制移频键控(2FSK)和二进制移相键控(2PSK)三类，这三种方法分别是通过改变逆变器的输入电压、工作频率和移相角来实现信号的调制，但是这些传统的调制方法存在着信号传输速率低、抗干扰能力弱以及易对系统输出电压造成较大影响等缺点。
以上提到的几种传统的能量与信号同步传输技术都存在着一些问题，同时在传输信号的同时易对能量的传输造成影响。
发明内容
发明目的：为了克服现有上述技术中存在的不足，本发明提供一种单通道能量信号同步传输系统移相控制实现方法及该系统，是一种能够高速传输信号且信号传输对能量传输影响很小的能量信号同步传输移相控制技术。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种单通道能量信号同步传输系统的移相控制实现方法，通过移相方式控制高频逆变器移相角，不同移相角时逆变输出阶梯方波中各次谐波含量不同；控制高频逆变器移相角，动态调节三次谐波的含量；利用副边能量和信号接收电路将基波和三次谐波选出分别传输能量和信号。
进一步的，该移相控制实现方法具体包括以下步骤：
(1)信号调制：在信号调制模块中利用DSP把数字基带信号调制成高频逆变器的移相角，再通过不同的移相角改变逆变器输出电压中的三次谐波含量。首先定义两个移相角度来分别表示数字信号“0”和“1”，然后设置一个数组来表示待传的数字信号，数组中的数据由两个移相角组成，再根据信号传输速率要求设置定时器定时时间，每次定时时间到达时将数组的一个数据作为PWM信号发生模块中的延迟时间，不同的延迟时间即代表不同的移相角，最后把此PWM信号发生模块产生的四路PWM信号作为逆变器开关管的驱动信号；如此循环往复，根据待发送的数据来控制高频逆变器的移相角产生变化；不同移相角时逆变输出电压中三次谐波含量会产生变化，因此数字信号以三次谐波电压含量的形式被调制到系统中；
(2)信号解调：高频逆变器输出不同移相角的阶梯方波加载到原边能量发射电路中后会在原边产生谐波含量丰富的近似梯形波的电流，该梯形电流中的三次谐波含量也会随着逆变输出电压中的三次谐波含量发生变化，副边能量和信号接收电路设置有基波和三次谐波选频电路，在三次谐波选频电路中的电感上能够检测到电压幅值的变化，再利用解调电路提取电感电压包络，最后通过比较电路就能够实现信号解调，还原基带信号。
进一步的，数字信号经过DSP控制后，一个移相角视作信号“1”，另一个移相角视作信号“0”。
进一步的，所述副边能量和信号接收电路，其中的副边能量接收电路的固有谐振频率与基波频率一致，其中的信号接收电路的固有谐振频率与三次谐波频率一致。
进一步的，阶梯方波傅里叶级数展开后，其中的基波分量传输能量，其中的三次谐波分量传输信号。
上述的一种单通道能量信号同步传输系统，包括信号调制模块、高频逆变器、原边能量发射电路及副边能量和信号接收电路；其中，
所述的信号调制模块将数字信号转换成高频逆变器的移相角；
所述高频逆变器根据不同的移相角输出不同的阶梯方波，该阶梯方波由基波和一系列奇次谐波组成，不同移相角的阶梯方波中各次谐波含量不同；
所述原边能量发射电路在阶梯方波的作用下产生包含有调制信号的近似梯形波的非正弦周期电流，该电流展开为傅里叶级数后仍由基波和奇次谐波组成；
所述副边能量和信号接收电路包含基波、三次谐波选频电路和信号解调电路，通过检测三次谐波选频电路中的电感电压实现信号解调。
进一步的，所述的信号调制模块由C2000系列DSP构成，在DSP中将数字信号转换成高频逆变器的移相角。
进一步的，所述副边能量和信号接收电路分为能量接收电路、信号接收电路及信号解调电路，其中，能量接收电路由拾取线圈Ls、内阻Rs、谐振电容Cs和负载RL组成，其固有谐振频率和基波频率一致；信号接收电路由信号检测线圈Ln、内阻Rn和谐振电容Cn组成，其固有谐振频率和三次谐波一致；能量接收电路和信号接收电路分别从拾取电压中选取出基波来传输能量、选出三次谐波来传输信号，信号接收电路中检测线圈的电压通过耦合变压器接入信号解调电路中，利用二极管检波的特性实现信号的解调。
有益效果：本发明提供的一种单通道能量信号同步传输系统移相控制实现方法及该系统，与现有技术相比，具有以下优势：
1)本发明不需要改变高频逆变器的工作频率，副边电路一直处于谐振状态；
2)本发明通过改变高频逆变器的移相角就能够把信号调制到系统中；
3)本发明可以通过选择合适的移相角实现信号的高速传输，且对能量传输基本没有影响。
附图说明
图1是本发明的实施例电路拓扑。
图2是本发明的实施例移相控制示意图。
图3是本发明的实施例中逆变输出电压的傅里叶级数分解示意图，其中，(a)是移相角为60°时逆变输出电压的各次谐波含量，(b)是移相角为55°时逆变输出电压的各次谐波含量。
图4是本发明的实施例中能量和信号接收电路中的负载电压波形和检测电感上的电压波形。
图5是本发明实施例中解调信号和基带信号。
具体实施方式
本发明提供一种单通道能量信号同步传输系统移相控制实现方法及该系统，所述单通道能量信号同步传输系统包括信号调制模块、高频逆变器、原边能量发射电路、副边能量和信号接收电路；所述的信号调制模块由C2000系列DSP构成，在DSP中将数字信号转换成高频逆变器的移相角，所述高频逆变器根据不同的移相角输出不同的阶梯方波，该阶梯方波由基波和一系列奇次谐波组成，不同波形的阶梯方波中各次谐波含量不同，所述原边能量发射电路在阶梯方波的作用下产生包含有调制信号的近似梯形波的非正弦周期电流，该电流展开为傅里叶级数后仍由基波和奇次谐波组成，所述副边能量和信号接收电路由于设置有基波和三次谐波的选频网络，因此在拾取到各次谐波电流后只有基波和三次谐波能够通过相应的电路，更高次谐波由于有很大的衰减可以忽略。通过检测三次谐波选频电路中的电感电压即可实现信号解调。
作为优选的实施方法，利用逆变输出电压基波分量实现能量传输。
作为优选的实施方法，利用逆变输出电压三次谐波分量实现信号传递。
作为优选的实施方法，利用移相控制改变高频逆变器的移相角实现信号的调制。
下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。
实施例
如图1所示，本发明实施例电路具体包括高频逆变器1、信号调制模块2、原边能量发射电路3、副边能量和信号接收电路4。
所述信号调制模块2中，在DSP中将数字信号转换成高频逆变器1的移相角，信号调制模块2输出信号作为高频逆变器1的驱动信号，原边能量发射电路3由一个发射线圈Lp及内阻Rp组成，高频逆变器1输出的不同阶梯方波加载到原边能量发射电路3上后会产生谐波含量丰富的类梯形非正弦周期电流，该电流经傅里叶级数展开后可以得到基波和一系列奇次谐波。副边能量和信号接收电路4可以分为能量接收电路、信号接收电路及信号解调电路，能量接收电路由拾取线圈Ls、内阻Rs、谐振电容Cs和负载RL组成，其固有谐振频率和基波频率一致；信号接收电路由信号检测线圈Ln、内阻Rn和谐振电容Cn组成，其固有谐振频率和三次谐波一致。能量接收电路和信号接收电路能够分别从谐波含量丰富的拾取电压中选取出基波来传输能量、选出三次谐波来传输信号，信号接收电路中检测线圈的电压通过耦合变压器接入信号解调电路中，利用二极管检波的特性能够实现信号的解调。
如图2所示，本发明是通过改变高频逆变器的移相角将数字信号调制到系统中，其具体方法为：当传输数字信号“0”或者不传输信号时，控制DSP使信号调制模块输出相位差为α0的互补脉冲作为高频逆变器的驱动信号；当传输数字信号“1”时，控制DSP使信号调制模块输出相位差为α1的互补脉冲作为高频逆变器的驱动信号。
不同相位差的驱动信号会使高频逆变器输出波形不同的阶梯形方波，对阶梯方波进行傅里叶分解可以得到各次谐波在不同移相角下的有效值为：
Figure BDA0001869901300000051
其中，Upk为各次谐波有效值，k是谐波次数，Uin是输入直流电压，α是逆变器移相角。
由于副边电路选频特性，五次及更高次谐波会有很大的衰减，所以选择三次谐波作为数字信号的载波，选择移相角时要保证基波有效值变化较小而三次谐波幅值变化较大，通过绘制Up1和Up3随移相角变化的曲线可以发现，当选择移相角分别为α0＝60°，α1＝55°时，
Figure BDA0001869901300000052
从式(2)可以看出，选择移相角为α0、α1时，三次谐波电压有效值会有明显变化，而基波电压有效值变化则不大。
如图3所示，在移相角为α0、α1时，从逆变输出电压的傅里叶级数能够看出，三次谐波电压幅值会有很大的变化，而其他各次谐波电压幅值则变化不大，因此在选频网络效果好的情况下，三次谐波作为信号载波能够实现高速、低误码率的信号传输。
图4为本发明实施于图1中的单通道系统时的负载电压(上图Uo)和信号检测电感上的电压(下图Us)波形，从图中可以看出，在移相控制下，该系统的输出电压保持不变，而信号检测电压存在明显包络，将此包络电压输入解调电路就能够实现信号的解调。
图5为本发明实施于图1中的单通道系统时的基带信号(上图Band Signal)和解调信号(下图Demodulated Signal)，传输速率为10kbps，由于信号接收电路中存在电感、电容，这些无源器件的充放电需要时间，所以解调信号相对于基带信号会有略微的延迟，但是相比于信号传输的速率，这个延迟很小。
本发明通过移相方式控制高频逆变器移相角，不同移相角时逆变输出阶梯方波中各次谐波含量不同，利用副边选频电路将基波和三次谐波选出分别传输能量和信号。直接控制高频逆变器移相角能够动态调节三次谐波的含量。本发明能够实现高传输速率，且基本不影响能量传输。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种单通道能量信号同步传输系统的移相控制实现方法，其特征在于：所述单通道能量信号同步传输系统包括：信号调制模块、高频逆变器、原边能量发射电路及副边能量和信号接收电路；其中，
所述的信号调制模块将数字信号转换成高频逆变器的移相角；
所述高频逆变器根据不同的移相角输出不同的阶梯方波，该阶梯方波由基波和一系列奇次谐波组成，不同移相角的阶梯方波中各次谐波含量不同；
所述原边能量发射电路在阶梯方波的作用下产生包含有调制信号的近似梯形波的非正弦周期电流，该电流展开为傅里叶级数后仍由基波和奇次谐波组成，其中的基波分量传输能量，其中的三次谐波分量传输信号；
所述副边能量和信号接收电路包含基波、三次谐波选频电路和信号解调电路，其中的副边能量接收电路的固有谐振频率与基波频率一致，其中的信号接收电路的固有谐振频率与三次谐波频率一致，通过检测三次谐波选频电路中的电感电压实现信号解调；
通过移相方式控制高频逆变器移相角，不同移相角时逆变输出阶梯方波中各次谐波含量不同；控制高频逆变器移相角，动态调节三次谐波的含量；利用副边能量和信号接收电路将基波和三次谐波选出分别传输能量和信号；
具体包括以下步骤：
(1)信号调制：在信号调制模块中利用DSP把数字基带信号调制成高频逆变器的移相角，再通过不同的移相角改变逆变器输出电压中的三次谐波含量；首先定义两个移相角度来分别表示数字信号“0”和“1”，然后设置一个数组来表示待传的数字信号，数组中的数据由两个移相角组成，再根据信号传输速率要求设置定时器定时时间，每次定时时间到达时将数组的一个数据作为PWM信号发生模块中的延迟时间，不同的延迟时间即代表不同的移相角，最后把此PWM信号发生模块产生的四路PWM信号作为逆变器开关管的驱动信号；如此循环往复，根据待发送的数据来控制高频逆变器的移相角产生变化；不同移相角时逆变输出电压中三次谐波含量会产生变化，因此数字信号以三次谐波电压含量的形式被调制到系统中；
(2)信号解调：高频逆变器输出不同移相角的阶梯方波加载到原边能量发射电路中后会在原边产生谐波含量丰富的近似梯形波的电流，该梯形波的电流中的三次谐波含量也会随着逆变输出电压中的三次谐波含量发生变化，副边能量和信号接收电路设置有基波和三次谐波选频电路，在三次谐波选频电路中的电感上能够检测到电压幅值的变化，再利用解调电路提取电感电压包络，最后通过比较电路就能够实现信号解调，还原基带信号；
数字信号经过DSP控制后，一个移相角视作信号“1”，另一个移相角视作信号“0”。
2.根据权利要求1所述的一种单通道能量信号同步传输系统的移相控制实现方法，其特征在于：所述的信号调制模块由C2000系列DSP构成，在DSP中将数字信号转换成高频逆变器的移相角。
3.根据权利要求1所述的一种单通道能量信号同步传输系统的移相控制实现方法，其特征在于：所述副边能量和信号接收电路分为能量接收电路、信号接收电路及信号解调电路，其中，能量接收电路由拾取线圈Ls、内阻Rs、谐振电容Cs和负载RL组成，其固有谐振频率和基波频率一致；信号接收电路由信号检测线圈Ln、内阻Rn和谐振电容Cn组成，其固有谐振频率和三次谐波一致；能量接收电路和信号接收电路分别从拾取电压中选取出基波来传输能量、选出三次谐波来传输信号，信号接收电路中检测线圈的电压通过耦合变压器接入信号解调电路中，利用二极管检波的特性实现信号的解调。
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