CN110176811B

CN110176811B - 数字控制的自谐振、超静音无线供电系统

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Publication number: CN110176811B
Application number: CN201910473364.4A
Authority: CN
Inventors: 段发阶; 李旭; 蒋佳佳; 傅骁; 叶德超
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2019-05-31
Filing date: 2019-05-31
Publication date: 2023-04-28
Anticipated expiration: 2039-05-31
Also published as: CN110176811A

Abstract

本发明涉及电能传输领域，为提出一种数字控制的自谐振、超静音无线供电系统。该系统通过检测发射线圈的电压零点，调整开关电源的开关频率，实现谐振频率的自动跟踪，提升供电功率和效率，降低对外电磁干扰。为此，本发明采取的技术方案是，数字控制的自谐振、超静音无线供电系统，包括：电源、扼流圈、电容、发射线圈、磁芯、接收线圈、全波整流桥、稳压电容、谐振电容、耦合器、模数转换器、控制器和开关。本发明主要应用于电能传输设备的设计制造场合。

Description

数字控制的自谐振、超静音无线供电系统

技术领域

本发明涉及电能传输领域，尤其是涉及非接触式供电领域。

背景技术

旋转测量设备例如激光雷达系统、旋转机械遥测系统等在工作状态下实现水平360°扫描，传统的导线供电方式会出现导线缠绕问题，无法满足供电要求。同时，设备在工作状态下转速普遍较高，若采用接触式供电如滑环、电刷等进行供电，则系统的使用寿命将会受到限制，根据文献报道，采用滑环供电的激光雷达使用寿命约为一千小时，需要定期进行维护。为了提高其使用寿命，供电方式应选择非接触式供电。

常见的非接触式供电方式有电磁耦合谐振无线供电和感应耦合无线供电，磁耦合谐振式无线供电的优势在于能够将电能传送至较远距离，但磁耦合谐振无线供电方式效率低、电磁干扰大，并且当传输功率较大时，线圈的尺寸也较大，不利于集成化。与此同时，在上述应用中，供电距离并不大，约为1mm，因此本系统可以进一步降低发射线圈和接收线圈的距离，转而采用感应耦合的方式。

在采用感应耦合方式进行供电时，为了增大耦合系数、提升供电效率、降低对外电磁干扰，应引入磁芯收束线圈产生的磁力线，同时采用电流型并联谐振开关电源，并使电路工作在电路的自然频率下。根据以上原则设计的电路以其低干扰的特点，被称为超静音变换器。但在旋转设备供电的应用中，线圈距离会产生微小的变换，而由于引入磁芯，发射线圈和接受线圈处于紧耦合和松耦合之间，这些微小的距离变化会影响系统的谐振频率，使系统无法长期工作在谐振状态。传统的静音变换器一般工作在静止工况下，无法实现频率的跟踪，为了弥补这个不足，应增加频率跟踪系统，将传统的静音变换器改进为自谐振、超静音无线供电系统。而目前常用的频率跟踪方法，一般需要比较原边线圈电压和电流相位差或者原边线圈电压和副边线圈电压相位差，虽然能够实现自动调谐，但都较为复杂。为了保证该供电系统始终工作在谐振状态，降低电路复杂程度，设计一种数字控制的自谐振、超静音无线供电系统。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种数字控制的自谐振、超静音无线供电系统。该系统通过检测发射线圈的电压零点，调整开关电源的开关频率，实现谐振频率的自动跟踪，提升供电功率和效率，降低对外电磁干扰。为此，本发明采取的技术方案是，数字控制的自谐振、超静音无线供电系统，包括：电源、扼流圈、电容、发射线圈、磁芯、接收线圈、全波整流桥、稳压电容、谐振电容、耦合器、模数转换器、控制器和开关；

电源与扼流圈的第一个引脚连接，扼流圈的第二个引脚与电容的第一个引脚连接，电容的第二个引脚接地；

扼流圈的第二个引脚与发射线圈的中心抽头连接，发射线圈通过磁芯与接收线圈耦合，接收线圈与由4只同样型号的二极管组成全波整流桥连接；

整流桥的输出与稳压电容连接，为负载提供功率；

发射线圈为中心抽头电感，与谐振电容并联，构成谐振腔；

发射线圈的中心抽头通过耦合器与模数转换器的输入端相连，模数转换器的输出端与控制器相连，控制器与两个开关的栅极相连；

两个开关的源极分别接地，两个开关的漏极分别接在发射线圈的两端。

扼流圈通过选取电感值来保证所有状态下通过电路的电流是连续的；通过采用磁芯提高发射线圈与接收线圈的耦合系数，同时屏蔽发射线圈与接收线圈的磁力线，减少发射线圈与接收线圈对外的电磁干扰。

控制器首先发出两路相位相反且频率略低于系统谐振频率的PWM控制信号，使两个开关工作在不同状态，此时发射线圈的中心抽头处电压会出现正弦波绝对值形式的波形，且频率为系统谐振频率的2倍。发射线圈中心抽头电压通过模数转换器进入控制器，控制器通过检测发射线圈中心抽头电压的零点，使PWM信号的频率与系统的谐振频率一致；当系统的谐振频率发生波动时，控制器能够根据发射线圈中心抽头电压的零点实现系统频率的跟踪。

开关工作在零电压切换状态，电源可采用线性电源、开关电源；扼流圈采用扼流圈，或者大电感量电感。

电容可采用陶瓷电容、云母电容、聚苯乙烯电容；发射线圈采用漆包线、利兹线进行制作，发射线圈的线径、尺寸和匝数根据最大传输功率制作。

磁芯可采用铁粉磁芯、铁铝硅粉磁芯、铁氧体磁芯；接收线圈可采用漆包线、利兹线进行制作，发射线圈的线径、尺寸和匝数根据最大传输功率制作，同时满足以下条件：发射线圈的线径为r_t、线圈半径为R_t、线圈匝数为N_t；发射线圈的线径为r_r、线圈半径为R_r、线圈匝数为N_r。则应满足r_t＝r_r,R_t＝R_r,N_t＝2N_r。

全波整流桥由只同型号整流二极管组成，稳压电容可采用陶瓷电容、云母电容、聚苯乙烯电容，谐振电容可采用陶瓷电容、云母电容、聚苯乙烯电容；耦合器可采用直接耦合方式、容阻耦合方式；进一步地，模数转换器采用模数转换芯片；控制器可采用51单片机、进阶精简指令集器、现场可编程逻辑阵列，在控制器未检测到零点信号时，发出恒定频率的两路反相的PWM信号控制开关，在控制器检测到零点信号时，发出的PWM信号频率为零点信号频率的一半；进一步地，开关可采用三极管、功率场效应晶体管。

本发明的特点及有益效果是：

本发明提出的数字控制的基于过零比较方法的自谐振、超静音无线供电系统，可获得以下有益效果：

1)数字控制的基于过零比较方法的自谐振、超静音无线供电系统采用磁芯收束线圈产生的磁力线，能够有效降低系统对外的电磁干扰。

2)数字控制的基于过零比较方法的自谐振、超静音无线供电系统可自动跟踪供电系统的谐振频率，使系统始终工作在谐振状态下。

3)数字控制的基于过零比较方法的自谐振、超静音无线供电系统始终工作在谐振频率，可提高无线供电的功率和效率。

附图说明：

图1一种数字控制的自谐振、超静音无线供电系统

图1中，1为电源，2为扼流圈，3为电容，4为发射线圈，5为磁芯，6为接收线圈，7为全波整流桥，8为稳压电容，9为谐振电容，10为耦合器，11为模数转换器，12为控制器，13为开关。

具体实施方式

为实现上述目的，设计一种数字控制的自谐振、超静音无线供电系统，包括：电源1，扼流圈2，电容3，发射线圈4，磁芯5，接收线圈6，全波整流桥7，稳压电容8，谐振电容9，耦合器10，模数转换器11，控制器12，开关13。

一种数字控制的自谐振、超静音无线供电系统，见图1，电源1与扼流圈2的第一个引脚连接，扼流圈2的第二个引脚与电容3的第一个引脚连接，电容3的第二个引脚接地。

进一步地，扼流圈2的第二个引脚与发射线圈4的中心抽头连接，发射线圈4通过磁芯5与接收线圈6耦合，接收线圈6与由4只同样型号的二极管组成全波整流桥7连接。

进一步地，整流桥7的输出与稳压电容8连接，为负载提供功率。

进一步地，发射线圈4为中心抽头电感，与谐振电容9并联，构成谐振腔。

进一步地，发射线圈4的中心抽头通过耦合器10与模数转换器11的输入端相连，模数转换器11的输出端与控制器12相连，控制器12与两个开关13的栅极相连。

进一步地，两个开关13的源极分别接地，两个开关13的漏极分别接在发射线圈4的两端。

进一步地，电源1的作用是为系统提供电能；扼流圈2和电容3的作用是保证所有状态下通过电路的电流是连续的；磁芯5的一个作用是提高发射线圈4与接收线圈6的耦合系数，磁芯5的另一个作用是屏蔽发射线圈4与接收线圈6的磁力线，减少发射线圈4与接收线圈6对外的电磁干扰；稳压电容8的作用是使负载上的电压为恒定值；模数转换器11的作用是将发射线圈4中心抽头电压转换为数字量，送入控制器12；控制器12的作用是检测发射线圈4中心抽头处电压的零点，产生两路反相的PWM信号控制两个开关13交替导通；两个开关13的作用是控制发射线圈4的两端交替接地。

进一步地，在本发明中，通过采用电感量较大的扼流圈2保证所有状态下通过电路的电流是连续的；通过采用磁芯5提高发射线圈4与接收线圈6的耦合系数，同时屏蔽发射线圈4与接收线圈6的磁力线，减少发射线圈4与接收线圈6对外的电磁干扰。

进一步地，控制器12首先发出两路相位相反且频率略低于系统谐振频率的PWM控制信号，使两个开关13工作在不同状态，此时发射线圈4的中心抽头处电压会出现正弦波绝对值形式的波形，且频率为系统谐振频率的2倍。发射线圈4中心抽头电压通过模数转换器11进入控制器12。控制器12通过检测发射线圈4中心抽头电压的零点，使PWM信号的频率与系统的谐振频率一致。当系统的谐振频率发生波动时，控制器12能够根据发射线圈4中心抽头电压的零点实现系统频率的跟踪。

进一步地，开关13工作在零电压切换状态，能够有效较小开关损耗，提升系统的效率。

进一步地，电源1可采用线性电源、开关电源等常用电源。如采用明纬电子有限公司型号为LRS-50-24的开关电源。

进一步地，扼流圈2可采用常用的扼流圈，或者电感量较大的电感。如采用电感量为220uH的蜂房式电感。

进一步地，电容3可采用陶瓷电容、云母电容、聚苯乙烯电容等。如采用容值为0.047uF的陶瓷电容。

进一步地，发射线圈4可采用漆包线、利兹线等进行制作。发射线圈4的线径、尺寸和匝数根据最大传输功率制作。如采用线径为0.8mm的漆包线，制作成内径15mm，外径35mm，匝数36匝的线圈。

进一步地，磁芯5可采用铁粉磁芯、铁铝硅粉磁芯、铁氧体磁芯等。如采用型号为GU36的铁氧体磁芯。

进一步地，接收线圈6可采用漆包线、利兹线等进行制作。发射线圈6的线径、尺寸和匝数根据最大传输功率制作。同时满足以下条件：设发射线圈4的线径为r_t、线圈半径为R_t、线圈匝数为N_t；发射线圈6的线径为r_r、线圈半径为R_r、线圈匝数为N_r。则应满足r_t＝r_r,R_t＝R_r,N_t＝2N_r。如采用线径为0.8mm的漆包线，制作成内径15mm，外径35mm，匝数18匝的线圈。

进一步地，全波整流桥7可由4只同型号整流二极管组成。如采用型号为1N5819的整流二极管。

进一步地，稳压电容8可采用陶瓷电容、云母电容、聚苯乙烯电容等。如采用容值为1uF的陶瓷电容。

进一步地，谐振电容9可采用陶瓷电容、云母电容、聚苯乙烯电容等。如采用容值为10uF的陶瓷电容。

进一步地，耦合器10可采用直接耦合方式、容阻耦合方式等。如采用阻值为100kΩ的电阻。

进一步地，模数转换器11可采用常见的模数转换芯片。如采用型号为AMC7820的模数转换芯片。

进一步地，控制器12可采用51单片机、进阶精简指令集器(ARM)、现场可编程逻辑阵列(FPGA)等。在控制器12未检测到零点信号时，发出恒定频率的两路反相的PWM信号控制开关13，在控制器12检测到零点信号时，发出的PWM信号频率为零点信号频率的一半。如采用型号为STM32F103RBT6的ARM芯片。

进一步地，开关13可采用三极管、功率场效应晶体管等。开关13应具有足够高的耐压值和导通电流。如采用型号为INR540N的功率场效应晶体管。

Claims

1.一种数字控制的自谐振、超静音无线供电系统，其特征是，包括：电源、扼流圈、电容、发射线圈、磁芯、接收线圈、全波整流桥、稳压电容、谐振电容、耦合器、模数转换器、控制器和开关；

整流桥的输出与稳压电容连接，为负载提供功率；

发射线圈为中心抽头电感，与谐振电容并联，构成谐振腔；

两个开关的源极分别接地，两个开关的漏极分别接在发射线圈的两端；

控制器首先发出两路相位相反且频率略低于系统谐振频率的PWM控制信号，使两个开关工作在不同状态，此时发射线圈的中心抽头处电压会出现正弦波绝对值形式的波形，且频率为系统谐振频率的2倍，发射线圈中心抽头电压通过模数转换器进入控制器，控制器通过检测发射线圈中心抽头电压的零点，使PWM信号的频率与系统的谐振频率一致；当系统的谐振频率发生波动时，控制器能够根据发射线圈中心抽头电压的零点实现系统频率的跟踪。

2.如权利要求1所述的数字控制的自谐振、超静音无线供电系统，其特征是，扼流圈通过选取电感值来保证所有状态下通过电路的电流是连续的；通过采用磁芯提高发射线圈与接收线圈的耦合系数，同时屏蔽发射线圈与接收线圈的磁力线，减少发射线圈与接收线圈对外的电磁干扰。

3.如权利要求1所述的数字控制的自谐振、超静音无线供电系统，其特征是，开关工作在零电压切换状态，电源可采用线性电源、开关电源；扼流圈采用扼流圈，或者大电感量电感。

4.如权利要求1所述的数字控制的自谐振、超静音无线供电系统，其特征是，电容可采用陶瓷电容、云母电容、聚苯乙烯电容；发射线圈采用漆包线、利兹线进行制作，发射线圈的线径、尺寸和匝数根据最大传输功率制作。

5.如权利要求1所述的数字控制的自谐振、超静音无线供电系统，其特征是，磁芯可采用铁粉磁芯、铁铝硅粉磁芯、铁氧体磁芯；接收线圈可采用漆包线、利兹线进行制作，发射线圈的线径、尺寸和匝数根据最大传输功率制作，同时满足以下条件：发射线圈的线径为r_t、线圈半径为R_t、线圈匝数为N_t；发射线圈的线径为r_r、线圈半径为R_r、线圈匝数为N_r，则应满足r_t＝r_r,R_t＝R_r,N_t＝2N_r。

6.如权利要求1所述的数字控制的自谐振、超静音无线供电系统，其特征是，全波整流桥由4只同型号整流二极管组成，稳压电容可采用陶瓷电容、云母电容、聚苯乙烯电容，谐振电容可采用陶瓷电容、云母电容、聚苯乙烯电容；耦合器可采用直接耦合方式、容阻耦合方式；进一步地，模数转换器采用模数转换芯片；控制器可采用51单片机、进阶精简指令集器、现场可编程逻辑阵列，在控制器未检测到零点信号时，发出恒定频率的两路反相的PWM信号控制开关，在控制器检测到零点信号时，发出的PWM信号频率为零点信号频率的一半；进一步地，开关可采用三极管、功率场效应晶体管。