CN110190686B - 一种多线圈非接触能量与信号同步传输系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多线圈非接触能量与信号同步传输系统，包括：直流电压模块、高频逆变模块、多线圈能量耦合模块、副边能量变换模块，信号调制模块以及副边信号解调模块。所述多线圈能量耦合模块的中继线圈连接所述信号调制模块；所述多线圈能量耦合模块的输出端连接副边能量变换模块；所述副边能量变换模块与所述副边信号解调模块通过副边信号发射耦合线圈与副边信号拾取线圈耦合连接，所述副边能量变换环节的输出端连接有负载。本发明通过非接触充电的线圈耦合谐振原理，利用多线圈能量耦合机构对非接触充电电能进行传递，可以有效提高能量传输距离，减少能量在远距离时传输时的能量损失，电路体积较小、效率高、容易实现电磁隔离。
Description
技术领域
本发明涉及能量与信号同步传输领域，具体而言，尤其涉及一种多线圈非接触能量与信号同步传输系统及其控制方法。
背景技术
感应耦合电能传输技术是一种借助高频电磁场，通过磁耦合机构并基于电磁感应原理实现电能无线传输的技术。近年来，由于其安全性，可靠性，在电动汽车、机器人、生物医电等方面得到了广泛的应用。
目前电能与信号同步传输技术主要包含射频技术、双通道技术和单通道技术。比较而言，从提高系统集成度和可靠性考虑，单通道技术更具有应用前景和研究价值。目前，单通道技术从信号传输模式来看主要分为能量调制式与载波调制式，能量调制式主要通过产生及识别能量包络实现信号传输，主要有调压式(改变逆变电路输入电压)、调频式(改变逆变电路开关管工作频率)及调谐式(改变谐振电路参数)。
目前，单通道信号传输技术的信号传输速率较低，电能传输容易受到干扰，同时受限与电能传输效率，线圈距离会非常小。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种多线圈非接触能量与信号同步传输系统及其控制方法。本发明主要利用一种多线圈非接触能量与信号同步传输系统，包括：直流电压模块、高频逆变模块、多线圈能量耦合模块、副边能量变换模块，信号调制模块以及副边信号解调模块。
进一步地，所述多线圈能量耦合模块的中继线圈连接所述信号调制模块；所述多线圈能量耦合模块的输出端连接副边能量变换模块；所述副边能量变换模块与所述副边信号解调模块通过副边信号发射耦合线圈与副边信号拾取线圈耦合连接，所述副边能量变换环节的输出端连接有负载。
更进一步地，所述多线圈能量耦合模块包括：原边线圈、副边线圈、中继线圈以及其谐振电容C1，C21，C22以及C3。
进一步地，所述中继线圈串联两个相互并联的耦合电容C21和C22并联后与信号调制模块相连；所述的信号调制模块包括：数字信号发生器及信号开关，所述数字信号发生器的输出控制所述信号开关的开闭。
更进一步地，所述逆变模块为包括四个场效应管的全桥逆变结构。
本发明还包含一种非接触电能与信号同步传输系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：数字信号发生器通过输出高低电平信号控制开关的开断，控制谐振电容C22的切入与切出，调整所述中继线圈的耦合程度，使输出信号为高电平时，所述中继线圈处于完全谐振状态，信号为低电平时，切出电容，降低线圈谐振程度，使所述中继线圈为谐振状态，实施使能量信号既能形成电能包络，同时不干扰原边及副边线圈的正常供电。
步骤S2：所述中继线圈发出的高频能量包络信号，通过副边的信号拾取线圈将信号送入信号解调线圈，带有信号信息的高次谐波电流经副边解调环节的包络检波，比较器及抽样判决将信息进行解调，从而获得解调信号。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本方法利用非接触充电的线圈耦合谐振原理，利用多线圈能量耦合机构对非接触充电电能进行传递，可以有效提高能量传输距离，减少能量在远距离时传输时的能量损失，电路体积较小、效率高、容易实现电磁隔离；利用电容的切换调节电流幅值，使电路一直保持近谐振状态工作，实现稳定输出电压；同时利用信号高次谐波传递数据，系统数据传输速率提高。
因此，本系统可以实现电能与信号的同步传输，有效提高副边电压输出的稳定性，减少能量损失，提高信号传输的速率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的电路原理图。
图2为本发明的系统线圈功率与电能频率的变化关系图。
图3为本发明信号传输速率为2KHZ时，发射端信号与接收端信号对比波形图。
图4为本发明负载端电能变化的波形图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1-4所示，本发明包含一种多线圈非接触能量与信号同步传输系统，包括：直流电压模块、高频逆变模块、多线圈能量耦合模块、副边能量变换模块，信号调制模块以及副边信号解调模块。
作为一种优选的实施方式，所述多线圈能量耦合模块的中继线圈连接所述信号调制模块；所述多线圈能量耦合模块的输出端连接副边能量变换模块；所述副边能量变换模块与所述副边信号解调模块通过副边信号发射耦合线圈与副边信号拾取线圈耦合连接，所述副边能量变换环节的输出端连接有负载。
在本实施方式中，所述多线圈能量耦合模块包括：原边线圈、副边线圈、中继线圈以及其谐振电容C1，C21，C22以及C3。可以理解为在其它的实施方式张工，所述多线圈能量耦合模块还可以包含多个电容，只要能够满足能够实现耦合作用即可。
作为一种优选的实施方式，所述中继线圈串联两个相互并联的耦合电容C21和C22并联后与信号调制模块相连；所述的信号调制模块包括：数字信号发生器及信号开关，所述数字信号发生器的输出控制所述信号开关的开闭。
在本实施方式中，所述逆变模块为包括四个场效应管的全桥逆变结构。
作为一种优选的实施方式，本发明还包含一种非接触电能与信号同步传输系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：数字信号发生器通过输出高低电平信号控制开关的开断，控制谐振电容C22的切入与切出，调整所述中继线圈的耦合程度，使输出信号为高电平时，所述中继线圈处于完全谐振状态，信号为低电平时，切出电容，降低线圈谐振程度，使所述中继线圈为谐振状态，实施使能量信号既能形成电能包络，同时不干扰原边及副边线圈的正常供电。
步骤S2：所述中继线圈发出的高频能量包络信号，通过副边的信号拾取线圈将信号送入信号解调线圈，带有信号信息的高次谐波电流经副边解调环节的包络检波，比较器及抽样判决将信息进行解调，从而获得解调信号。
多线圈感应耦合电能传输系统根据发射数据的实际情况，确定谐振电容的切入切出，通过理论分析和计算可分别得出在信号耦合电容从系统中切入和切出情况下，原边电流有效值变化的曲线，定义信号耦合电容切入情况下原边电流有效值为I0，，切出情况下原边电流有效值为I1，如图2所示，电容切入情况下，线圈与电容的谐振频率在m2点切出情况下电容与线圈耦谐振频率在m1点。
由于切出电容之后，电流有效值I1<I0，使中继线圈发出的电能波可以产生高低不同的电能包络，中继线圈将带有信号信息的高次谐波信号加载到原边线圈的电能波上，完成了信号与电能的混合。
将原边基波电流与高次谐波电流的混合信号传至副边后，副边信号解调机构将信号进行解调。
实施例：
作为本发明一种实施例，直流电压环节1经高频逆变环节2逆变成高频交流方波电压，在导通占空比为50％的情况下，高频逆变器输出方波电压傅里叶级数表达式为：
其中，U0为直流电压幅值。
可以看出，高频逆变环节后输出的矩形波可以展开成基波和幅值不同的各奇次谐波的叠加。本发明由基波进行能量传递，高次谐波进行信号传递，并使两种信号保持在谐振情况下工作。
信号调制环节中，数字信号发生器发出信号控制信号开关的通断来控制谐振电容C22的切入切出，从而改变中继线圈与电容的谐振状态，进而形成幅值不同的电能包络，其中，信号调制环节中的谐振电阻C21的容值远大于C22容值。
当中继线圈中电容C22切入时，满足表达式为：
则中继线圈所在回路中的电流向量为：
其中，表达式T满足：
T＝1/(R1R2R3+ω2(M13 2R2+M23 2R1+M12 2R3)-2jω3M13M23M12)
因此，当谐振电容C22切入时，由于中继线圈电容与线圈电感未完全处于谐振状态，会导致中继线圈互感降低，电流减少，两种状态下的电流差异形成了大小不同的电流包络，完成信号的传递。
线圈传输功率与电能频率的变化如图2所示，其中m2点为切入电容时的功率，m1为切出电容时的功率。
由于线圈耦合系数的变化会使整体传输系统产生频率分裂现象，造成能量损失，根据实际测试要求，耦合系数在0.1附近时可以有效减少频率分裂现象，保证系统有较高的输出功率与传输效率。
从图3可以看出，信号传输速率为2KHZ时，发射信号与接受信号的图像对比，可以看出，基于此种方式传输信号时，信号传输的稳定性可以保证。
同时，信号传输时能量的变化也是衡量多线圈信号传输系统的传输能力的重要部分，从图4可以看出，在信号传输速率为2KHZ时，负载端接受的电能变化较小，可以满足正常的供电要求。
因此，本发明可以满足感应电能与信号的同步传输，且满足实际工作需求，根据信号开关控制信号电容的切入，实现中继线圈能量的包络耦合，将基波信号与高次谐波信号同时传输到副边，再经过副边解调系统将信号予以解调，多线圈系统可以有效延长线圈距离，扩大适用范围，实现在不同场合下信号与能量的同步传输，结构简单，控制方便。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (3)
1.一种多线圈非接触能量与信号同步传输系统，其特征在于，包括：
直流电压模块、高频逆变模块、多线圈能量耦合模块、副边能量变换模块，信号调制模块以及副边信号解调模块；
所述多线圈能量耦合模块的中继线圈连接所述信号调制模块；所述多线圈能量耦合模块的输出端连接副边能量变换模块；所述副边能量变换模块与所述副边信号解调模块通过副边信号发射耦合线圈与副边信号拾取线圈耦合连接，所述副边能量变换环节的输出端连接有负载；
所述多线圈能量耦合模块包括：原边线圈、副边线圈、中继线圈以及其谐振电容C1，C21，C22以及C3；
所述中继线圈串联两个相互并联的耦合电容C21和C22并联后与信号调制模块相连；所述的信号调制模块包括：数字信号发生器及信号开关，所述数字信号发生器的输出控制所述信号开关的开闭。
2.根据权利要求1所述的一种非接触电能与信号同步传输系统，其特征还在于：所述逆变模块为包括四个场效应管的全桥逆变结构。
3.应用权利要求1-2所述的一种多线圈非接触能量与信号同步传输系统的一种非接触电能与信号同步传输系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：数字信号发生器通过输出高低电平信号控制开关的开断，控制谐振电容C22的切入与切出，调整所述中继线圈的耦合程度，使输出信号为高电平时，所述中继线圈处于完全谐振状态，信号为低电平时，切出电容，降低线圈谐振程度，使所述中继线圈为谐振状态，实施使能量信号既能形成电能包络，同时不干扰原边及副边线圈的正常供电；
S2：所述中继线圈发出的高频能量包络信号，通过副边的信号拾取线圈将信号送入信号解调线圈，带有信号信息的高次谐波电流经副边解调环节的包络检波，比较器及抽样判决将信息进行解调，从而获得解调信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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