CN110365124A - 一种电磁炉与豆浆机两用机的无线电能传输装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电学技术领域，涉及一种电磁炉与豆浆机两用机的无线电能传输装置及其控制方法，对电磁炉的主电路拓扑采用单个开关管进行逆变，在电磁炉线圈两端加入补偿电容，在豆浆机的底座上方加入二次线圈，二次线圈接收电能供给豆浆机搅拌使用，电磁炉自动检测上方为烹饪器具或是豆浆机，检测完成后采用不同的程序进行控制，达到加热器具或者无线电能供电的目的；弥补了现有电磁炉只能进行加热，无法实现即可对烹饪器具加热又可对豆浆机或果蔬机无线供电的空白，加热模式和无线供电模式可以由内部运行状态检测电路进行自动检测，并进行分开控制，功能齐全，电路简单，成本低，有实际应用价值，可广泛应用于家电领域。

Description

一种电磁炉与豆浆机两用机的无线电能传输装置及其控制 方法

技术领域：

本发明属于电学技术领域，涉及一种可以实现电磁炉正常工作与电磁炉对豆浆机无线供电工作两用机的无线电能传输装置及其控制方法，即一种电磁炉与豆浆机两用机的无线电能传输装置及其控制方法，特别是一种利用单个开关管进行逆变的电路及其控制方法。

背景技术：

电磁炉作为一种常用的家庭灶具，具有体积小，加热效果好等优点，但传统的电磁炉只能对放在电磁炉上的炒锅、水壶等烹饪器具进行加热，而不能对豆浆机等家用电器供电。由于普通的电磁炉是只是利用线圈产生涡流对烹饪器具进行感应加热，并没有向外进行无线电能传输，而豆浆机或果蔬机等设备是通过外部电源供电进行搅拌、转动，目前尚未见有电磁炉与豆浆机两用机的公开使用或报道。因此，设计一种新型的电磁炉和豆浆机两用机无线电能传输装置及其控制方法，将豆浆机或果蔬机等设备放到电磁炉上利用电磁炉原有线圈进行无线供电使其工作，大大增加电磁炉功能，使其应用场合更丰富，具有很大的实际开发价值，电磁炉的主电路采用一种单个开关管逆变加并联补偿的方式，豆浆机或果蔬机加入二次线圈和补偿电容，以保证电磁炉可以给其有效供电。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，弥补目前未有电磁炉与豆浆机两用机的空白，设计提供一种电磁炉与豆浆机两用机的无线电能传输装置及其控制方法，对电磁炉的主电路拓扑采用单个开关管进行逆变，在电磁炉线圈两端加入补偿电容，补偿电容与线圈发生谐振，一方面减小无功环流，另一方面实现开关管的零电压开通，这一阶段使电磁炉对烹饪器具进行加热；在豆浆机的底座上方加入二次线圈，二次线圈可以接收电能供给豆浆机搅拌使用，电磁炉能自动检测上方为烹饪器具或是豆浆机，检测完成后采用不同的程序进行控制，达到加热器具或者无线电能供电的目的。

为了实现上述目的，本发明所述电磁炉与豆浆机两用机的无线电能传输装置主体结构包括电磁炉主电路、豆浆机主电路、电磁炉控制电路、豆浆机控制电路四个部分，其中电磁炉主电路包括工频整流电路、LC滤波电路、第一补偿电容、开关管、一次线圈、第一屏蔽层和加热回路；豆浆机主电路包括二次线圈、第二屏蔽层、第二补偿电容、高频整流电路、负载启动开关和负载，220V交流电经工频整流电路和LC滤波电路后，将工频交流电变为直流电，然后开关管将直流电逆变为高频交流电，电磁炉进行自动检测，检测出电磁炉上放置为烹饪器具，产生的高频交流电施加在一次线圈两端，产生的电流通过加热回路中的加热电阻对烹饪器具加热；检测出为豆浆机，在二次线圈感应出电压，电压经过高频整流电路变为所需直流电，供给负载使用；工频整流电路将工频交流电进行整流；LC滤波电路由电感和第一滤波电容串联组成低通滤波器，滤除高次谐波；开关管实现电能的高频逆变；第一补偿电容与一次线圈均位于电磁炉上，一次线圈上设有第一屏蔽层，第二补偿电容与二次线圈位于豆浆机上，二次线圈上设有第二屏蔽层，由于磁场的耦合作用，电能由一次线圈传递到二次线圈上，并供给负载使用；第一屏蔽层和第二屏蔽层用于提高系统耦合系数和提高传输效率，削弱一次线圈、二次线圈对电路板的电磁干扰；加热回路由加热电阻和继电器组成；第二补偿电容和二次线圈上的电能经过高频整流电路将交流电变为直流电，第二滤波电容用于高频滤波，负载为豆浆机内的电机；电磁炉控制电路包括第一单片机控制电路、驱动电路、第一辅助电源、第一无线通信电路、第一电压检测电路、运行状态检测电路；电磁炉控制电路与电磁炉主电路连接，其中第一单片机控制电路和继电器相连，驱动电路和开关管栅极相连，第一电压检测电路和第一补偿电容相连，运行状态检测电路和开关管漏极相连；第一单片机控制电路分别与驱动电路、第一辅助电源、第一无线通信电路、第一电压检测电路、运行状态检测电路连接，第一单片机控制电路根据第一无线通信电路接收到的通信信号输出开关管的驱动信号，驱动信号进入驱动电路进行放大；运行状态检测电路用于检测电磁炉上放置的为烹饪器具或者豆浆机，以此控制继电器的通断从而控制电磁炉的运行模式；第一电压检测电路用于检测开关管漏源两端的电压，并将信号送入第一单片机控制电路，显示一次线圈上的电压、电流及判断是否实现零电压开通，当一次线圈上的电流过零时，控制开关管导通，确保开关管实现零电压开通；豆浆机控制电路包括采样电路、第二单片机控制电路、第二辅助电源和第二无线通信电路，用于给电磁炉控制电路发射反馈信号，豆浆机控制电路与豆浆机主电路相连，其中采样电路和负载相连，第二单片机控制电路和负载启动开关相连，第二辅助电源和第二补偿电容相连；第二单片机控制电路分别与采样电路、第二辅助电源和第二无线通信电路相连，采样电路检测装置的输出电压和输出电流；第二单片机控制电路根据接收到的采样电路的电压电流信号，控制第二无线通信电路向第一无线通信电路发射反馈信号；第二辅助电源为豆浆机控制电路供电。

本发明实现电磁炉与豆浆机两用机无线电能传输装置控制的过程包括以下步骤：

(1)运行状态检测电路先检测电磁炉的运行状态，若检测到电磁炉上放置烹饪器具，选择加热模式进行控制，控制继电器使加热电阻所在加热回路开通，进行正常的电磁炉加热；若检测到电磁炉上放置豆浆机，选择无线供电模式进行控制，加热电阻所在加热回路断开，电磁炉作为无线发射装置给豆浆机供电；

(2)若选择加热模式，首先继电器开通，加热回路导通，采用脉冲宽度调制的方式软启动，给定初始开关频率，保持开关频率不变，增加开关管导通时间，加热电阻上电压达到设定电压；加热电阻上电压不稳定时，采用脉冲频率调制的方式控制第一单片机控制电路控制电压的稳定；其次开关管导通时，第一电压检测电路检测开关管漏源两端的电压，并将信号送入第一单片机控制电路，如果此时开关管漏源两端的电压为零，则开关管零电压开通，若此时开关管漏源两端的电压不为零，第一单片机控制电路减小占空比，当开关管实现零电压开通后，运行状态检测电路检测装置是否切换模式或停机，若给出模式切换信号或停机信号，则装置进行相应模式控制或停止工作；若未有切换模式信号或停机信号，则装置重复步骤(2)；

(3)若选择无线供电模式，首先继电器关断，加热回路关断，第二单片机控制电路控制负载启动开关使豆浆机的负载接入电路中，采用脉冲宽度调制的方式软启动，给定初始开关频率，保持开关频率不变，增加开关管导通时间，使豆浆机的输出电压到达设定的电压；如果输出电压不稳定，采样电路将检测到的输出电压信号发送给第二单片机控制电路，第二单片机控制电路通过第二无线通信电路向电磁炉控制电路发出控制信号，电磁炉控制电路中的第一无线通信电路接收到第二无线通信电路发出的信号，再传递给第一单片机控制电路，第一单片机控制电路调整开关管的开关频率，达到稳压的目的；其次开关管导通时，第一电压检测电路检测开关管漏源两端的电压，并将信号送入第一单片机控制电路，如果此时开关管漏源两端的电压为零，则开关管零电压开通，若此时开关管漏源两端的电压不为零，第一单片机控制电路减小占空比，当开关管实现零电压开通后，运行状态检测电路检测装置是否切换模式或停机，若给出模式切换信号或停机信号，则装置进行相应模式控制或停止工作；若未有切换模式信号或停机信号，则装置重复步骤(3)。

本发明与现有电磁炉相比，弥补了现有电磁炉只能进行加热，无法实现即可对烹饪器具加热又可对豆浆机或果蔬机无线供电的空白，加热模式和无线供电模式可以由内部运行状态检测电路进行自动检测，并进行分开控制；这种电磁炉和豆浆机两用机功能齐全，电路简单，成本低，有实际应用价值，可广泛应用于家电领域。

附图说明：

图1是本发明所述电磁炉与豆浆机两用机无线电能传输装置原理示意图。

图2是本发明所述电磁炉与豆浆机两用机无线电能传输装置的控制工艺流程图。

图3是本发明所述电磁炉与豆浆机两用机无线电能传输装置工作波形图，其中U_gs为开关管Q的驱动电压，U_ds为开关管Q漏源两端的电压，U_p为谐振电容C_p两端的电压，I_p为原边线圈电感L_p的电流。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

实施例：

本实施例所述电磁炉与豆浆机两用机无线电能传输装置的主体结构包括该装置包括电磁炉主电路1、豆浆机主电路2、电磁炉控制电路3、豆浆机控制电路4四个部分，其中电磁炉主电路1包括工频整流电路5、LC滤波电路6、第一补偿电容C_p、开关管Q₁、一次线圈L_s、第一屏蔽层S₁、继电器K₁和加热回路7；豆浆机主电路2包括二次线圈L_s、第二屏蔽层S₂、第二补偿电容C_s、高频整流电路8、负载启动开关K₂和负载Z，220V交流电经工频整流电路5和LC滤波电路6后，将工频交流电变为直流电，然后开关管Q₁将直流电逆变为高频交流电，电磁炉进行自动检测，检测出电磁炉上放置为烹饪器具，产生的高频交流电施加在一次线圈L_p两端，产生的电流通过加热回路7中的加热电阻R对烹饪器具加热；检测出为豆浆机，在二次线圈L_s感应出电压，电压经过高频整流电路8变为所需直流电，供给负载Z使用；工频整流电路5将工频交流电进行整流；LC滤波电路6由电感L₁和第一滤波电容C₁串联组成低通滤波器，滤除高次谐波；开关管Q₁实现电能的高频逆变；第一补偿电容C_p与一次线圈L_p均位于电磁炉上，一次线圈L_p上设有第一屏蔽层S₁，第二补偿电容C_s与二次线圈L_s位于豆浆机上，二次线圈L_s上设有第二屏蔽层S₂，由于磁场的耦合作用，电能由一次线圈L_p传递到二次线圈L_s上，并供给负载Z使用；第一屏蔽层S₁和第二屏蔽层S₂用于提高系统耦合系数和提高传输效率，削弱一次线圈L_p、二次线圈L_s对电路板的电磁干扰；加热回路7由加热电阻R和继电器K₁组成；第二补偿电容C_s和二次线圈L_s上的电能经过高频整流电路8将交流电变为直流电，第二滤波电容C₂用于高频滤波，负载Z为豆浆机内的电机；电磁炉控制电路3包括第一单片机控制电路9、驱动电路10、第一辅助电源11、第一无线通信电路12、第一电压检测电路13、运行状态检测电路14；电磁炉控制电路3与电磁炉主电路1连接，其中第一单片机控制电路9和继电器K₁相连，驱动电路10和开关管Q₁栅极相连，第一电压检测电路13和第一补偿电容C_p相连，运行状态检测电路14和开关管Q₁漏极相连；第一单片机控制电路9分别与驱动电路10、第一辅助电源11、第一无线通信电路12、第一电压检测电路13、运行状态检测电路14连接，第一单片机控制电路9根据第一无线通信电路12接收到的通信信号输出开关管Q₁的驱动信号，驱动信号进入驱动电路10进行放大；运行状态检测电路14用于检测电磁炉上放置的为烹饪器具或者豆浆机，以此控制继电器K₁的通断从而控制电磁炉的运行模式；第一电压检测电路13用于检测开关管Q₁漏源两端的电压，并将信号送入第一单片机控制电路9，显示一次线圈L_p上的电压、电流及判断是否实现零电压开通，当一次线圈L_p上的电流过零时，控制开关管Q₁导通，确保开关管Q₁实现零电压开通；豆浆机控制电路4包括采样电路15、第二单片机控制电路16、第二辅助电源17和第二无线通信电路18，用于给电磁炉控制电路3发射反馈信号，豆浆机控制电路4与豆浆机主电路2相连，其中采样电路15和负载Z相连，第二单片机控制电路16和负载启动开关K₂相连，第二辅助电源17和第二补偿电容C_s相连；第二单片机控制电路16分别与采样电路15、第二辅助电源17和第二无线通信电路18相连，采样电路15检测装置的输出电压和输出电流；第二单片机控制电路16根据接收到的采样电路15的电压电流信号，控制第二无线通信电路18向第一无线通信电路12发射反馈信号；第二辅助电源17为豆浆机控制电路4供电。

本实施例实现电磁炉与豆浆机两用机无线电能传输装置控制的过程包括以下步骤：

(1)运行状态检测电路14先检测电磁炉的运行状态，若检测到电磁炉上放置烹饪器具，选择加热模式进行控制，控制继电器K₁使加热电阻R所在加热回路7开通，进行正常的电磁炉加热；若检测到电磁炉上放置豆浆机，选择无线供电模式进行控制，加热电阻R所在加热回路7断开，电磁炉作为无线发射装置给豆浆机供电；

(2)若选择加热模式，首先继电器K₁开通，加热回路3导通，采用脉冲宽度调制的方式软启动，给定初始开关频率，保持开关频率不变，增加开关管Q₁导通时间，加热电阻R上电压达到设定电压；加热电阻R上电压不稳定时，采用脉冲频率调制的方式控制第一单片机控制电路9控制电压的稳定；其次开关管Q₁导通时，第一电压检测电路13检测开关管Q₁漏源两端的电压，并将信号送入第一单片机控制电路9，如果此时开关管Q₁漏源两端的电压为零，则开关管Q₁零电压开通，若此时开关管Q₁漏源两端的电压不为零，第一单片机控制电路9减小占空比，当开关管Q₁实现零电压开通后，运行状态检测电路14检测装置是否切换模式或停机，若给出模式切换信号或停机信号，则装置进行相应模式控制或停止工作；若未有切换模式信号或停机信号，则装置重复步骤(2)；

(3)若选择无线供电模式，首先继电器K₁关断，加热回路7关断，第二单片机控制电路16控制负载启动开关K₂使豆浆机的负载Z接入电路中，采用脉冲宽度调制的方式软启动，给定初始开关频率，保持开关频率不变，增加开关管Q₁导通时间，使豆浆机的输出电压到达设定的电压；如果输出电压不稳定，采样电路15将检测到的输出电压信号发送给第二单片机控制电路16，第二单片机控制电路16通过第二无线通信电路18向电磁炉控制电路3发出控制信号，电磁炉控制电路3中的第一无线通信电路12接收到第二无线通信电路18发出的信号，再传递给第一单片机控制电路9，第一单片机控制电路9调整开关管Q₁的开关频率，达到稳压的目的；其次开关管Q₁导通时，第一电压检测电路13检测开关管Q₁漏源两端的电压，并将信号送入第一单片机控制电路9，如果此时开关管Q₁漏源两端的电压为零，则开关管Q₁零电压开通，若此时开关管Q₁漏源两端的电压不为零，第一单片机控制电路9减小占空比，当开关管Q₁实现零电压开通后，运行状态检测电路14检测装置是否切换模式或停机，若给出模式切换信号或停机信号，则装置进行相应模式控制或停止工作；若未有切换模式信号或停机信号，则装置重复步骤(3)。

本实施例所述电磁炉与豆浆机两用机无线电能传输装置的工作过程包括以下阶段：

(1)若以加热模式运行时，继电器K₁开始工作，开关管Q₁周期性的通断，使得一次线圈L_p与第一补偿电容C_p的谐振的能量传向加热电阻，供烹饪器具加热；

(2)若以无线供电模式运行时，该工作模式分为如下几个工作模态：

[t₀-t₁]时刻：t₀时刻，开关管Q₁的驱动信号变为高电平，此时一次线圈L_p上的电流经过开关管Q₁的反并联二极管进行续流，此时开关管Q₁两端的电压近似为零。当流经一次线圈L_p的电流降为零时，开关管Q₁零电压导通，降低开光损耗；

[t₁-t₂]时刻：t₁时刻，开关管Q₁导通，一次线圈L_p上的电流由负变正，此阶段一次线圈L_p上的电流线性增加，第一补偿电容C_p上的电压被钳位在输入电压。直到t₂时刻，一次线圈L_p的电流增到最大值，此阶段结束；

[t₂-t₃]时刻，t₂时刻，开关管Q₁关断，此阶段一次线圈L_p与第一补偿电容C_p开始谐振，一方面，一次线圈L_p的电流正向增大，第一补偿电容C_p的电压正向减小；另一方面一次线圈L_p向二次线圈L_s释放能量，供给负载的需求；

[t₃-t₄]时刻，t₃时刻，第一补偿电容C_p的电压将为零，开始反向谐振增加，流经一次线圈L_p的电流达到最大值，此时流经一次线圈L_p的电流正向减小，第一补偿电容C_p的电压反向增加，直到第一补偿电容C_p的电压反向升到最大值，一次线圈L_p的电流正向将为零，此阶段结束；

[t₄-t₅]时刻，t₄时刻第一补偿电容C_p向一次线圈L_p放电，第一补偿电容C_p的反向电压迅速减小，一次线圈L_p的电流反向增大，直到一次线圈L_p的电流反向增大到最大值，第一补偿电容C_p的反向电压减小到零，此阶段结束；

[t₅-t₆]时刻，此在阶段，一次线圈L_p的电流反向减小，第一补偿电容C_p的电压正向增大，当第一补偿电容C_p的电压被正向充到电源电压时，一次线圈L_p上的电流经过开关管Q₁的反并联二极管进行续流，此后再次回到[t₁-t₂]时刻的工作模态。

Claims (2)

1.一种电磁炉与豆浆机两用机的无线电能传输装置，其特征在于主体结构包括电磁炉主电路、豆浆机主电路、电磁炉控制电路、豆浆机控制电路四个部分，其中电磁炉主电路包括工频整流电路、LC滤波电路、第一补偿电容、开关管、一次线圈、第一屏蔽层和加热回路；豆浆机主电路包括二次线圈、第二屏蔽层、第二补偿电容、高频整流电路、负载启动开关和负载，220V交流电经工频整流电路和LC滤波电路后，将工频交流电变为直流电，然后开关管将直流电逆变为高频交流电，电磁炉进行自动检测，检测出电磁炉上放置为烹饪器具，产生的高频交流电施加在一次线圈两端，产生的电流通过加热回路中的加热电阻对烹饪器具加热；检测出为豆浆机，在二次线圈感应出电压，电压经过高频整流电路变为所需直流电，供给负载使用；工频整流电路将工频交流电进行整流；LC滤波电路由电感和第一滤波电容串联组成低通滤波器，滤除高次谐波；开关管实现电能的高频逆变；第一补偿电容与一次线圈均位于电磁炉上，一次线圈上设有第一屏蔽层，第二补偿电容与二次线圈位于豆浆机上，二次线圈上设有第二屏蔽层，由于磁场的耦合作用，电能由一次线圈传递到二次线圈上，并供给负载使用；第一屏蔽层和第二屏蔽层用于提高系统耦合系数和提高传输效率，削弱一次线圈、二次线圈对电路板的电磁干扰；加热回路由加热电阻和继电器组成；第二补偿电容和二次线圈上的电能经过高频整流电路将交流电变为直流电，第二滤波电容用于高频滤波，负载为豆浆机内的电机；电磁炉控制电路包括第一单片机控制电路、驱动电路、第一辅助电源、第一无线通信电路、第一电压检测电路、运行状态检测电路；电磁炉控制电路与电磁炉主电路连接，其中第一单片机控制电路和继电器相连，驱动电路和开关管栅极相连，第一电压检测电路和第一补偿电容相连，运行状态检测电路和开关管漏极相连；第一单片机控制电路分别与驱动电路、第一辅助电源、第一无线通信电路、第一电压检测电路、运行状态检测电路连接，第一单片机控制电路根据第一无线通信电路接收到的通信信号输出开关管的驱动信号，驱动信号进入驱动电路进行放大；运行状态检测电路用于检测电磁炉上放置的为烹饪器具或者豆浆机，以此控制继电器的通断从而控制电磁炉的运行模式；第一电压检测电路用于检测开关管漏源两端的电压，并将信号送入第一单片机控制电路，显示一次线圈上的电压、电流及判断是否实现零电压开通，当一次线圈上的电流过零时，控制开关管导通，确保开关管实现零电压开通；豆浆机控制电路包括采样电路、第二单片机控制电路、第二辅助电源和第二无线通信电路，用于给电磁炉控制电路发射反馈信号，豆浆机控制电路与豆浆机主电路相连，其中采样电路和负载相连，第二单片机控制电路和负载启动开关相连，第二辅助电源和第二补偿电容相连；第二单片机控制电路分别与采样电路、第二辅助电源和第二无线通信电路相连，采样电路检测装置的输出电压和输出电流；第二单片机控制电路根据接收到的采样电路的电压电流信号，控制第二无线通信电路向第一无线通信电路发射反馈信号；第二辅助电源为豆浆机控制电路供电。

2.一种如权利要求1所述电磁炉与豆浆机两用机无线电能传输装置的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)运行状态检测电路先检测电磁炉的运行状态，若检测到电磁炉上放置烹饪器具，选择加热模式进行控制，控制继电器使加热电阻所在加热回路开通，进行正常的电磁炉加热；若检测到电磁炉上放置豆浆机，选择无线供电模式进行控制，加热电阻所在加热回路断开，电磁炉作为无线发射装置给豆浆机供电；

(2)若选择加热模式，首先继电器开通，加热回路导通，采用脉冲宽度调制的方式软启动，给定初始开关频率，保持开关频率不变，增加开关管导通时间，加热电阻上电压达到设定电压；加热电阻上电压不稳定时，采用脉冲频率调制的方式控制第一单片机控制电路控制电压的稳定；其次开关管导通时，第一电压检测电路检测开关管漏源两端的电压，并将信号送入第一单片机控制电路，如果此时开关管漏源两端的电压为零，则开关管零电压开通，若此时开关管漏源两端的电压不为零，第一单片机控制电路减小占空比，当开关管实现零电压开通后，运行状态检测电路检测装置是否切换模式或停机，若给出模式切换信号或停机信号，则装置进行相应模式控制或停止工作；若未有切换模式信号或停机信号，则装置重复步骤(2)；

(3)若选择无线供电模式，首先继电器关断，加热回路关断，第二单片机控制电路控制负载启动开关使豆浆机的负载接入电路中，采用脉冲宽度调制的方式软启动，给定初始开关频率，保持开关频率不变，增加开关管导通时间，使豆浆机的输出电压到达设定的电压；如果输出电压不稳定，采样电路将检测到的输出电压信号发送给第二单片机控制电路，第二单片机控制电路通过第二无线通信电路向电磁炉控制电路发出控制信号，电磁炉控制电路中的第一无线通信电路接收到第二无线通信电路发出的信号，再传递给第一单片机控制电路，第一单片机控制电路调整开关管的开关频率，达到稳压的目的；其次开关管导通时，第一电压检测电路检测开关管漏源两端的电压，并将信号送入第一单片机控制电路，如果此时开关管漏源两端的电压为零，则开关管零电压开通，若此时开关管漏源两端的电压不为零，第一单片机控制电路减小占空比，当开关管实现零电压开通后，运行状态检测电路检测装置是否切换模式或停机，若给出模式切换信号或停机信号，则装置进行相应模式控制或停止工作；若未有切换模式信号或停机信号，则装置重复步骤(3)。