CN112701803B - 基于fsk并联注入通信的无线能量信号同步传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于FSK并联注入通信的无线能量信号同步传输系统,属于无线能量与信号传输领域。其中,能量传输采用感应耦合方式,由直流电源、原边逆变装置、原边补偿电路、磁耦合传输模块、副边补偿电路、负载供电电路组成;信号传输采用FSK调制高频并联注入方式,由信号调制模块、原边信号滤波电路、与能量传输共用的磁耦合传输模块、副边信号滤波电路、信号解调模块组成。系统能量与信号传输共享耦合通道,且信号传输不受能量传输频率限制,有更高的传输速率;并联注入式信号传输相比串联注入式,对于能量传输相互影响更小;FSK调制有较好的抗噪能力,且采用的双频带串并联滤波电路可以有效阻绝能量传输对信号传输的干扰。
Description
技术领域
本发明属于无线电能与信号传输领域,更具体地,涉及基于FSK并联注入通信的无线能量信号同步传输系统。
背景技术
无线能量传输已广泛用于家用电器、医疗器械、电动汽车、石油钻井等领域,克服了有限供电存在的种种不便与安全隐患,具有安全可靠、灵活方便等优点。无限能量传输技术可以分为电磁辐射式、电场耦合式、电磁感应式等。其中,感应耦合无线电能传输技术有着传输功率大、传输效率高等、实现相对简单等优点。
感应耦合无线电能传输系统原副边通信方式通常有能量信号分立通道传输、电能调制、能量信号分时传输、高频载波注入式传输等方案。其中高频载波注入式信号传输相比其他分立耦合通道的传输方式,无需额外增设信号耦合机构,减少了系统的尺寸;相比其他共用耦合通道的传输方式,如电能调制、能量信号分时传输等,对电能质量的影响较小,且信号传输不受电能频率限制,能够达到更高的信号传输速率。
现有的高频载波注入式信号传输多采用ASK(幅移键控)调制,相比FSK(频移键控)、PSK(相移键控)等方式,信号传输抗噪能力较弱。高频载波注入采用耦合变压器将调制后的信号叠加在能量传输通路中,注入方法有串联式和并联式,其中串联式信号传输在电能功率较大时会受到一定干扰,其在电能传输回路串入的耦合变压器自感也会制约能量传输补偿拓扑的设计与优化。
发明内容
针对现有技术的缺陷,本发明的目的在于提供一种基于FSK并联注入通信的无线能量信号同步传输系统,旨在解决感应耦合无线电能与信号同步传输系统中能量与信号传输通路存在串扰、信号传输抗噪能力较弱、信号传输速率较低的问题。
为实现上述目的,本发明提供了一种基于FSK并联注入通信的无线能量信号同步传输系统。
系统包含能量传输通路和信号传输通路;
能量传输通路包括原边直流电源、高频逆变电路、原边补偿电路、磁耦合传输模块、副边补偿电路、负载供电电路;原边直流电源的输出端与高频逆变电路的输入端连接,高频逆变电路的输出端与原边补偿电路的输入端连接,高频逆变电路用于将输入的直流电压转变为高频交流电压,送入原边补偿电路进行传输,原边补偿电路用于提高原边电能传输质量同时拒绝信号难以进入能量传输通路;磁耦合传输模块包括原边结构和副边结构,副边补偿电路与副边滤波电路连接在副边结构上;
信号传输通路包括信号调制模块、原边信号滤波电路、磁耦合传输模块、副边信号滤波电路、信号解调模块;信号调制模块用于产生FSK调制的信号,采用电感耦合方式送入原边信号滤波电路进行传输,原边信号滤波电路与原边补偿电路并联在磁耦合传输模块的原边结构上,用于滤除信号传输通路中的谐波,同时阻绝原边能量传入信号传输通路中;副边信号滤波电路与副边补偿电路并联在磁耦合传输模块的副边结构上,用于滤除信号传输通路中的谐波,同时阻绝副边能量传入信号传输通路中,信号经副边信号滤波电路后,采用电感耦合方式传递给信号解调模块;信号解调模块用于接收信号并进行FSK解调,还原为原始信号。
原边补偿电路为LCLC电路,对于能量传输可等效为LCC补偿电路,用于提高原边电能传输质量,对于原边信号传输可等效为一阻波电路,使信号难以进入能量传输通路中。包括电感LP1,电感LP2,电容CP1和电容CP2;电感LP1第一端连接高频逆变电路输出的正极端,第二端连接电容CP1的第一端与电感LP2的第一端;电感LP2第一端连接电感LP1的第二端与电容CP1的第一端,第二端连接电容CP2的第一端;电容CP1第一端连接电感LP1的第二端,第二端连接高频逆变电路输出的负极端与磁耦合传输模块原端的第二端;电容CP2的第一端连接电感LP2的第二端,第二端连接磁耦合传输模块原端的第一端。
副边补偿电路为LCLC电路,包括电感LS1,电感LS2,电容CS1,电容CS2;电感LS1第一端连接负载供电电路的正极端,第二端连接电容CS1的第一端与电感LS2的第一端;电感LS2第一端连接电感LS1的第二端与电容CS1的第一端,第二端连接电容CS2的第一端;电容CS1第一端连接电感LS1的第二端,第二端连接负载供电电路的负极端与磁耦合传输模块副端的第二端;电容CS2的第一端连接电感LS2的第二端,第二端连接磁耦合传输模块副端的第一端。
磁耦合传输模块包括原边结构和副边结构。能量原边补偿电路与信号原边滤波电路并联在原边结构上,能量副边补偿电路与能量副边滤波电路连接在副边结构上。能量与信号叠加于同一磁耦合传输模块上,通过电磁感应从原边传输到副边;
信号调制模块用于产生FSK调制的具有一定带载能力的信号,采用电感耦合方式送入原边信号滤波电路进行传输;包括输入电阻Rin和输入耦合变压器,输入耦合变压器包括原边LT1和副边LT2;信号调制模块输出端的正极与输入电阻Rin的第一端和输入耦合变压器原边LT1的第一端连接,负极与输入电阻Rin的第二端和输入耦合变压器原边LT1的第二端连接。
原边信号滤波电路采用串并联双频带谐振结构,用于滤除信号传输通路中的谐波,同时阻绝原边能量传入信号传输通路中,其两个谐振点频率即为FSK调制采用的两个载波频率;包括输入耦合变压器副边自感LT2、磁耦合传输模块原边自感LP、滤波电容CP-P、滤波电容CP-S、滤波电感LP-P;输入耦合变压器副边LT2的第一端和滤波电容CP-P、滤波电容CP-S、滤波电感LP-P组成的串并联网络的第一端连接,第二端和磁耦合传输模块原边的第二端连接;滤波电容CP-P、滤波电容CP-S、滤波电感LP-P组成的串并联网络的第一端与输入耦合变压器副边LT2的第一端相连,第二端与磁耦合传输模块原边的第一端连接。
滤波电容CP-P、滤波电容CP-S、滤波电感LP-P组成的串并联网络连接方式为,滤波电容CP-P与滤波电感LP-P并联后,与滤波电容CP-S串联。
副边信号滤波电路采用串并联双频带谐振结构,与原边补偿电路具有对称的结构与参数,用于滤除副边信号通路中的谐波,同时阻绝副边能量传入副边信号通路中,其两个谐振点频率即为FSK调制采用的两个载波频率;包括输出耦合变压器原边自感LT3、磁耦合传输模块副边自感LS、滤波电容CS-P、滤波电容CS-S、滤波电感LS-P;输出耦合变压器原边LT3的第一端和滤波电容CS-P、滤波电容CS-S、滤波电感LS-P组成的串并联网络的第一端连接,第二端和磁耦合传输模块副边的第二端连接;滤波电容CS-P、滤波电容CS-S、滤波电感LS-P组成的串并联网络的第一端与输出耦合变压器原边LT3的第一端相连,第二端与磁耦合传输模块副边的第一端连接;
滤波电容CS-P、滤波电容CS-S、滤波电感LS-P组成的串并联网络连接方式为,滤波电容CS-P与滤波电感LS-P并联后,与滤波电容CS-S串联。
信号经副边信号滤波电路后,采用电感耦合方式传递给信号解调模块;
信号解调模块用于接收信号并进行FSK解调,还原为原始信号。包括输出电阻Rout和输出耦合变压器,输出耦合变压器包括原边LT3和副边LT4;信号调制模块输出端的正极与输出电阻Rout的第一端和输出耦合变压器副边LT4的第一端连接,负极与输出电阻Rout的第二端和输出耦合变压器副边LT4的第二端连接。
本发明将串并联双频带谐振结构用于信号传输,利用其双谐振点特性,使FSK调制后的信号可以顺利通过的同时,阻绝了能量进入信号传输回路。FSK调制的信号比ASK调制具有更好的抗噪性能,提高了信号传输的稳定性。
原边信号滤波电路和副边信号滤波电路的参数设计方法包括:
步骤一、根据实际需要以及无线能量传输系统的设计方法,设定能量工作频率f、磁耦合传输模块自感LP;
步骤二、根据能量工作频率设定FSK载波频率fl与fh(fl<fh),满足fl>10f;
步骤三、根据公式
其中x=(LT2+LP)/LP-P,y=CP-S/CP-P,
利用设定的fh/fl比值,设定CP-S/CP-P、(LT2+LP)/LP-P的比值;
步骤四、根据公式
以及步骤三中设定的CP-S/CP-P、(LT2+LP)/LP-P比值,确定并联谐振工作频率fp;
步骤五、根据公式
以及步骤四中确定的fp,设定CP-P与LP-P取值;
步骤六、根据上述步骤确定的LP、CP-S/CP-P、(LT2+LP)/LP-P、CP-P以及LP-P的取值,确定CP-S与LT2的取值;
步骤七、副边信号滤波电路参数取值与原边信号滤波电路相同。
通过本发明所构思的以上技术方案,与现有技术相比,本发明能量与信号共用耦合通道,相比其他分立耦合通道的传输方式,无需额外增设信号耦合机构,减少了系统的尺寸;高频注入式信号传输,相比其他共用耦合通道的传输方式,如电能调制、能量与信号分时传输等,信号传输对电能质量的影响小,且信号传输不受电能频率限制,能够达到更高的信号传输速率;并联注入信号,相比于串联注入方式,能量与信号传输相互之间的影响更小;采用FSK方式对信号进行调制,相比ASK方式有更好的抗噪能力,提高信号传输的稳定性,减少误码率;能量与信号通路原副边补偿滤波电路参数设计完全对称,可以用于实现信号的双向传输。
附图说明
图1为本发明提供的基于FSK并联注入通信的无线能量信号同步传输系统的电路原理图;
图2为本发明提供的基于FSK并联注入通信的无线能量信号同步传输系统的信号传输通路电路图;
图3为本发明提供的基于FSK并联注入通信的无线能量信号同步传输系统的副边信号滤波电路的电路图;
图4为本发明提供的基于FSK并联注入通信的无线能量信号同步传输系统的信号传输通路副端等效电路图;
图5为本发明提供的基于FSK并联注入通信的无线能量信号同步传输系统的信号传输通路原端等效电路图;
图6为本发明提供的基于FSK并联注入通信的无线能量信号同步传输系统的信号解调模块的原理图;
图7为本发明提供的基于FSK并联注入通信的无线能量信号同步传输系统的在simulink中仿真所得波形。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
图1为系统电路原理图。
直流电源经过高频逆变输出高频交流电能传入原边补偿电路,原边补偿电路中LP2与CP2对于电能传输频率f可等效为一电感,于是原边LCLC补偿电路可等效为LCC补偿电路,输入阻抗成阻性,有较好的恒流输出特性,传入磁耦合传输模块中。
信号调制模块产生的FSK信号经输入耦合变压器传入原边信号滤波电路,信号滤波电路对于载波频率fl和fh谐振,信号几乎不经衰减叠加传入磁耦合传输模块中。
磁耦合传输模块通过电磁感应原理,将叠加后的能量与信号从原边传至副边。
副边补偿电路对频率为f的电能谐振,对更高频的载波频率fl和fh等效为一个电感,呈高阻特性;副边信号滤波电路对载波频率fl和fh谐振,对电能频率f呈高阻特性。因而,传至副边的叠加后的电能与信号得以分离,传入各自对应的通路中。
能量经副边补偿电路传给负载;信号经副边信号谐振电路传给输出电阻,经解调电路还原成初始信号。
图2为信号传输回路原理图。
其中usig为信号调制产生的FSK信号,经输入电阻Rin和输入耦合变压器传入原边信号滤波电路。原边信号滤波电路为串并联双频带谐振结构,由输入耦合变压器副边自感LT2、磁耦合传输模块原边自感LP、滤波电容CP-P、滤波电容CP-S、滤波电感LP-P组成,谐振频率fl和fh即为FSK两个高频载波的频率。
信号经原边信号滤波电路传入磁耦合传输模块原边,经电磁感应传入磁耦合传输模块副边,接着传入副边信号滤波电路。副边信号滤波电路为串并联双频带谐振结构,具有与原边信号滤波电路对称的结构与参数,由输出耦合变压器原边自感LT3、磁耦合传输模块副边自感LS、滤波电容CS-P、滤波电容CS-S、滤波电感LS-P组成。信号经过副边信号滤波电路后,通过输出耦合变压器传入输出电阻Rout,进行提取与解调。
图3为串并联双频带谐振结构,其工作原理如下:
电感L2与C2构成并联谐振结构,其谐振频率为ωP。当电路工作频率ω低于ωP时,该并联结构可等效为一个电感;当电路工作频率ω高于ωP时候,该并联结构可等效为一个电容。
电感L1与C1构成串联谐振结构,其谐振频率为ωS。当电路工作频率ω低于ωS时,该并联结构可等效为一个电容;当电路工作频率ω高于ωS时候,该并联结构可等效为一个电感。
于是存在工作频率分别为ωl(ωl<ωp)与ωh(ωh>ωp),使得Z1+Z2=0:
令L1/L2=x,C1/C2=y,可以求得:
其中,
于是该串并联结构有两个谐振工作点ωl与ωh,对频率为ωl与ωh的信号呈现短路特性。
在本系统中:
L1=LT2+LP=LT3+LS
L2=LP-P=LS-P
C1=CP-S=CS-S
C2=CP-P=CS-P
于是本系统参数设计方法为:
步骤一、根据实际需要以及无线能量传输系统的设计方法,设定能量工作频率f、磁耦合传输模块自感LP;
步骤二、根据能量工作频率设定FSK载波频率fl与fh(fl<fh),满足fl>10f;
步骤三、根据公式
其中x=(LT2+LP)/LP-P,y=CP-S/CP-P,
利用设定的fh/fl比值,设定CP-S/CP-P、(LT2+LP)/LP-P的比值;
步骤四、根据公式
以及步骤三中设定的CP-S/CP-P、(LT2+LP)/LP-P比值,确定并联谐振工作频率fp;
步骤五、根据公式
以及步骤四中确定的fh,设定CP-P与LP-P取值;
步骤六、根据上述步骤确定的LP、CP-S/CP-P、(LT2+LP)/LP-P、CP-P以及LP-P的取值,确定CP-S与LT2的取值;
步骤七、副边信号滤波电路参数取值与原边相同。
图4为信号回路副端等效电路。
磁耦合传输模块副端输出信号电压为输出耦合变压器原边自感LT3、磁耦合传输模块副边自感LS、滤波电容CS-P、滤波电容CS-S、滤波电感LS-P组成双频带串并联结构,对于载波频率fl和fh呈现短路特性。输出耦合变压器原副端自感大小相等,且耦合系数接近于1,其互感为MT,Rout为输出电阻,大小在千欧姆级别,其从输出耦合变压器副端到原端的映射阻抗为Z2:
图5为信号回路原端等效电路。
输入耦合变压器耦合系数原副端自感大小相等,且耦合系数接近于1,信号调制模块输出电压传递到输入耦合变压器副端电压近似不变,为usig。输入耦合变压器副边自感LT2、磁耦合传输模块原边自感LP、滤波电容CP-P、滤波电容CP-S、滤波电感LP-P组成双频带串并联结构,对于载波频率fl和fh呈现短路特性。磁耦合传输结构互感为LM,信号回路副端等效阻抗为Z2,从磁耦合传输结构副边映射到原边的阻抗为Z1:
于是,信号传输回路对于信号传输频率fl和fh,近似呈纯阻性。
图6为信号解调模块工作原理。
采用非相干解调法。用两个带通滤波器分别滤出不同频率的高频脉冲,经乘法器与自己相乘后,经过低通滤波,得到两种频率对应的脉冲包络。将包络送入抽样判决器进行比较,从而判决并输出基带数字信号。
图7为本实例在simulink仿真中获得的解调信号波形图。
传输信号为10101010101010101010,传输速率为100kbps。
波形第一行为待传输信号波形,第二行为副边信号电阻Rout接收到的电压Uout,第三行为将Uout送入图6的信号解调模块解调复原的信号波形。
由仿真波形,信号传输延迟约10us,在信号传输稳定后,系统可以以较高速率较低延迟很好地传输所需信号。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于FSK并联注入通信的无线能量信号同步传输系统,其特征在于,包括能量传输通路和信号传输通路;
所述能量传输通路包括原边直流电源、高频逆变电路、原边补偿电路、磁耦合传输模块、副边补偿电路、负载供电电路;所述原边直流电源的输出端与所述高频逆变电路的输入端连接,所述高频逆变电路的输出端与所述原边补偿电路的输入端连接,高频逆变电路用于将输入的直流电压转变为高频交流电压,送入原边补偿电路进行传输,原边补偿电路用于提高原边电能传输质量同时拒绝信号难以进入能量传输通路;所述磁耦合传输模块包括原边结构和副边结构,副边补偿电路与副边滤波电路连接在副边结构上;
信号传输通路包括信号调制模块、原边信号滤波电路、磁耦合传输模块、副边信号滤波电路、信号解调模块;所述信号调制模块用于产生FSK调制的信号,采用电感耦合方式送入原边信号滤波电路进行传输,所述原边信号滤波电路与原边补偿电路并联在磁耦合传输模块的原边结构上,用于滤除信号传输通路中的谐波,同时阻绝原边能量传入信号传输通路中;副边信号滤波电路与副边补偿电路并联在磁耦合传输模块的副边结构上,用于滤除信号传输通路中的谐波,同时阻绝副边能量传入信号传输通路中,信号经副边信号滤波电路后,采用电感耦合方式传递给信号解调模块;信号解调模块用于接收信号并进行FSK解调,还原为原始信号;
所述原边信号滤波电路为串并联双频带谐振结构,其两个谐振点频率为FSK调制采用的两个载波频率,包括输入耦合变压器副边自感LT2、磁耦合传输模块原边自感LP、滤波电容CP-P、滤波电容CP-S、滤波电感LP-P;输入耦合变压器副边LT2的第一端和滤波电容CP-P、滤波电容CP-S、滤波电感LP-P组成的串并联网络的第一端连接,第二端和所述磁耦合传输模块原边的第二端连接;滤波电容CP-P、滤波电容CP-S、滤波电感LP-P组成的串并联网络的第一端与输入耦合变压器副边LT2的第一端相连,第二端与所述磁耦合传输模块原边的第一端连接;
所述滤波电容CP-P、滤波电容CP-S、滤波电感LP-P组成的串并联网络连接方式为,滤波电容CP-P与滤波电感LP-P并联后,与滤波电容CP-S串联;
所述副边信号滤波电路为串并联双频带谐振结构,其两个谐振点频率为FSK调制采用的两个载波频率,包括输出耦合变压器原边自感LT3、磁耦合传输模块副边自感LS、滤波电容CS-P、滤波电容CS-S、滤波电感LS-P;输出耦合变压器原边LT3的第一端和滤波电容CS-P、滤波电容CS-S、滤波电感LS-P组成的串并联网络的第一端连接,第二端和所述磁耦合传输模块副边的第二端连接;滤波电容CS-P、滤波电容CS-S、滤波电感LS-P组成的串并联网络的第一端与输出耦合变压器原边LT3的第一端相连,第二端与所述磁耦合传输模块副边的第一端连接;
所述滤波电容CS-P、滤波电容CS-S、滤波电感LS-P组成的串并联网络连接方式为,滤波电容CS-P与滤波电感LS-P并联后,与滤波电容CS-S串联。
2.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述原边补偿电路为LCLC电路,包括电感LP1,电感LP2,电容CP1和电容CP2;所述电感LP1第一端连接所述高频逆变电路输出的正极端,第二端连接所述电容CP1的第一端与所述电感LP2的第一端;所述电感LP2第一端连接所述电感LP1的第二端与所述电容CP1的第一端,第二端连接所述电容CP2的第一端;所述电容CP1第一端连接所述电感LP1的第二端,第二端连接所述高频逆变电路输出的负极端与所述磁耦合传输模块原端的第二端;所述电容CP2的第一端连接所述电感LP2的第二端,第二端连接所述磁耦合传输模块原端的第一端;
所述副边补偿电路为LCLC电路,包括电感LS1,电感LS2,电容CS1,电容CS2;所述电感LS1第一端连接所述负载供电电路的正极端,第二端连接所述电容CS1的第一端与所述电感LS2的第一端;所述电感LS2第一端连接所述电感LS1的第二端与所述电容CS1的第一端,第二端连接所述电容CS2的第一端;所述电容CS1第一端连接所述电感LS1的第二端,第二端连接所述负载供电电路的负极端与所述磁耦合传输模块副端的第二端;所述电容CS2的第一端连接所述电感LS2的第二端,第二端连接所述磁耦合传输模块副端的第一端。
3.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述信号调制模块包括输入电阻Rin和输入耦合变压器,输入耦合变压器包括原边LT1和副边LT2;信号调制模块输出端的正极与输入电阻Rin的第一端和输入耦合变压器原边LT1的第一端连接,负极与输入电阻Rin的第二端和输入耦合变压器原边LT1的第二端连接。
4.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述信号解调模块包括输出电阻Rout和输出耦合变压器,输出耦合变压器包括原边LT3和副边LT4;信号调制模块输出端的正极与输出电阻Rout的第一端和输出耦合变压器副边LT4的第一端连接,负极与输出电阻Rout的第二端和输出耦合变压器副边LT4的第二端连接。
5.如权利要求1所述的系统,其特征在于,原边信号滤波电路和副边信号滤波电路的参数设计方法包括:
步骤一、根据实际需要以及无线能量传输系统的设计方法,设定能量工作频率f、磁耦合传输模块自感LP;
步骤二、根据能量工作频率设定FSK载波频率fl与fh,fl<fh,满足fl>10f;
步骤三、根据公式
其中x=(LT2+LP)/LP-P,y=CP-S/CP-P;
利用设定的fh/fl比值,设定CP-S/CP-P、(LT2+LP)/LP-P的比值;
步骤四、根据公式
以及步骤三中设定的CP-S/CP-P、(LT2+LP)/LP-P比值,确定并联谐振工作频率fp;
步骤五、根据公式
以及步骤四中确定的fh,设定CP-P与LP-P取值;
步骤六、根据上述步骤确定的LP、CP-S/CP-P、(LT2+LP)/LP-P、CP-P以及LP-P的取值,确定CP-S与LT2的取值;
步骤七、副边信号滤波电路参数取值与原边信号滤波电路相同。
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CN112701803A (zh) | 2021-04-23 |
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