CN115276253B - 基于多绕组结构的多输出磁场感应取能系统及其控制方法 - Google Patents

基于多绕组结构的多输出磁场感应取能系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多绕组结构的多输出磁场感应取能系统及其控制方法，属于磁场感应取能领域，该系统的多绕组结构包括多路绕组和取能磁芯，母线穿过取能磁芯，多路绕组绕在取能磁芯上；其中一路绕组连接到由两个二极管和第一金属‑氧化物半导体场效应晶体管、第二金属‑氧化物半导体场效应晶体管构成的半有源整流电路，并由基于单路电压控制的PWM控制电路控制；其余绕组分别连接到由四个二极管构成的全桥整流电路。本发明根据磁场感应取能系统多绕组间的交叉影响，对单路绕组的电压电流进行控制，进而实现对另外绕组的同步控制，可以大大节省控制成本以及电路体积，控制策略简单高效。

Description

基于多绕组结构的多输出磁场感应取能系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及磁场感应取能技术领域，具体涉及一种基于多绕组结构的多输出磁场感应取能系统及其控制方法。
背景技术
智能电网的实现需要各种数据、信号的采集和处理。近年来，随着智能电网的快速发展，可见光、红外摄像头、温湿度传感器、压力传感器、电流电压传感器以及无线通讯设备的需求持续增大。磁场感应取能技术作为安全、高效的供能技术手段，为各类传感设备的供电提供了可靠的解决思路。然而，各类传感设备以及通信设备的供电电压需求差别较大（3.3V,5V,12V,24V等），需要磁场感应取能设备具有多电压输出的能力。在传统的方法中，采用多个开关电源或线性电源来实现多输出供电。其中，多个开关电源供电导致电源体积庞大且控制复杂。多个线性电源供电，则会导致电源的损耗大大增大，面临能量的浪费以及发热问题，给系统的安全运来带来巨大的隐患。
发明内容
为解决多传感设备多输出供电的需求，提出了一种基于多绕组结构的多输出磁场感应取能系统及其控制方法。本发明通过多绕组磁路设计以及控制方法设计，实现了低成本、高效的多输出供电，使得磁场感应取能系统能够安全可靠的为多传感设备稳定供电。本发明通过下述技术方案来实现：一种基于多绕组结构的多输出磁场感应取能系统，包括初级侧、次级侧（多绕组结构）、整流电路以及基于单路电压控制的PWM控制电路，次级侧包括单个取能磁芯和多路绕组，母线穿过取能磁芯，多路绕组绕在取能磁芯上；其中一路绕组连接到由两个二极管和第一金属-氧化物半导体场效应晶体管、第二金属-氧化物半导体场效应晶体管构成的半有源整流电路；其余绕组分别连接到由四个二极管构成的全桥整流电路；基于单路电压控制的PWM控制电路包括ADC采集模块、PI控制器、电压比较器、驱动电路。其中，整流电路连接ADC采集模块，ADC采集模块连接PI控制器，PI控制器连接电压比较器，电压比较器连接驱动电路，驱动电路连接第一金属-氧化物半导体场效应晶体管和第二金属-氧化物半导体场效应晶体管。
进一步优选，按照多路输出电压比例设计各绕组匝数比例。
一种基于多绕组结构的多输出磁场感应取能系统的控制方法，通过控制连接半有源整流电路的绕组的感应电流，同步完成对另外几路绕组的控制；
半有源整流电路存在两种工作模式：
整流模式：第一金属-氧化物半导体场效应晶体管、第二金属-氧化物半导体场效应晶体管同时关断，此时，半有源整流电路可以被看作是全桥整流电路，磁场感应取能系统进行能量收集；
泄放模式：第一金属-氧化物半导体场效应晶体管、第二金属-氧化物半导体场效应晶体管同时导通，此时，第一金属-氧化物半导体场效应晶体管、第二金属-氧化物半导体场效应晶体管同步将多路绕组短路，各绕组的感应电压为零；利用泄放模式，通过控制第一金属-氧化物半导体场效应晶体管、第二金属-氧化物半导体场效应晶体管的开通和关断，实现对多路绕组感应电压的同步控制。
进一步优选，在电路工作过程中，采集连接半有源整流电路的绕组的感应电压与参考电压进行对比；当母线电流达到额定启动电流时，连接半有源整流电路的绕组的感应电压达到参考电压，其他绕组的感应电压也都达到设计值；当母线电流继续增大，连接半有源整流电路的绕组的超过参考电压，其他绕组的感应电压也都超过设计值，此时，控制第一金属-氧化物半导体场效应晶体管、第二金属-氧化物半导体场效应晶体管同时导通，各绕组感应电压同步下降，回归设计值，从而实现对多输出电压的同步控制。
进一步优选，通过分压电阻分压以及ADC采集的方法采集连接半有源整流电路的绕组的感应电压与参考电压送入PI控制器产生PI控制信号；然后将PI控制信号与锯齿波输入电压比较器产生控制PWM波，PWM波通过驱动，产生驱动信号控制第一金属-氧化物半导体场效应晶体管、第二金属-氧化物半导体场效应晶体管的开通和关断，达到控制感应电压稳定的效果。
本发明根据多绕组磁场感应取能系统的电路特点，设计基于单路电压控制的PWM控制电路。可以通过对单路绕组的电压电流控制，实现对另外绕组的同步控制。在这种情况下，可以大大节省控制成本以及电路体积，控制策略简单高效。本发明通过多绕组磁路设计以及简单的电路设计，实现了低成本、高效的多输出供电，使得磁场感应取能系统能够安全可靠的为多传感设备稳定供电。解决了现有的多输出磁场感应取能系统体积庞大、控制复杂以及损耗大等问题。
附图说明
图1为本发明中的多绕组结构示意图。
图2为本发明实施例中的等效电路图。
图3为本发明实施例中的控制电路图。
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。
一种基于多绕组结构的多输出磁场感应取能系统，包括初级侧、次级侧（多绕组结构）、整流电路以及基于单路电压控制的PWM控制电路，次级侧包括单个取能磁芯和多路绕组，母线穿过取能磁芯，多路绕组绕在取能磁芯上，所述取能磁芯采用坡莫合金磁环。初级侧为输配电线路，其中母线电流为i p(t)。
一种实施例的次级侧（多绕组结构）如图1所示，母线穿过取能磁芯，第一绕组、第二绕组、第三绕组绕在取能磁芯上。母线电流i p(t)通常为正弦电流，匝数n0=1。n1，n2，n3分别为第一绕组、第二绕组、第三绕组的匝数。L 1, L 2, L 3分别为第一绕组、第二绕组、第三绕组的励磁电感，由于第一绕组、第二绕组、第三绕组紧密绕在取能磁芯上，漏感较小，可以忽略不计。u 1(t),u 2(t),u 3(t)分别为第一绕组、第二绕组、第三绕组的感应电压，i L1(t),i L2(t),i L3(t)分别为第一绕组、第二绕组、第三绕组的感应电流，RL1、RL2、RL3分别为第一负载、第二负载、第三负载。
根据电流守恒定律，感应电流与原边电流的关系可以推导为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1）
可以看出，第一绕组、第二绕组、第三绕组间流过感应电流之间交叉影响，一路绕组中感应电流的变化，可以影响到其他绕组中感应电流变化。
根据电磁感应定律，绕组的感应电压可以推导为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
（2）
其中，Φ是磁芯中的磁通量。
由于第一绕组、第二绕组、第三绕组共用一个磁芯，故电压的关系通过磁场耦合同步。
根据（2）可以推导出：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
（3）
由于多路绕组共用同一个取能磁芯，故取能磁芯中的磁通变化会同步影响到多路绕组的感应电压。同样，控制任一路绕组的取能电压，即可完成对磁芯磁通的操控，进而影响到其他绕组的感应电压。第一绕组、第二绕组、第三绕组可以根据输出电压的需求进行设计，在满足公式(3)的情况下，可以通过多绕组结构实现多电压输出。
多路绕组间的感应电流、感应电压之间存在相互影响。故只需对其中一路绕组的感应电流进行控制，即可完成对另外几路绕组的控制，等效电路图如图2所示。第一绕组和第二绕组连接到通过四个二极管构成的全桥整流电路，第三绕组连接到由两个二极管和第一金属-氧化物半导体场效应晶体管S 1、第二金属-氧化物半导体场效应晶体管S 2构成的半有源整流电路，C1、C2、C3分别为第一负载、第二负载、第三负载的并联电容。
半有源整流电路存在两种工作模式：
整流模式：第一金属-氧化物半导体场效应晶体管S 1、第二金属-氧化物半导体场效应晶体管S 2同时关断，此时，半有源整流电路可以被看作是全桥整流电路，磁场感应取能系统进行能量收集。
泄放模式：第一金属-氧化物半导体场效应晶体管S 1、第二金属-氧化物半导体场效应晶体管S 2同时导通，此时，由于MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管）的导通内阻通常为毫欧级别，电流可以推导如下
Figure DEST_PATH_IMAGE004
（4）
在这种情况下，可以认为第一金属-氧化物半导体场效应晶体管S 1、第二金属-氧化物半导体场效应晶体管S 2同步将多路绕组短路。在这种情况下，各绕组的感应电压为零。
可以利用泄放模式，通过控制第一金属-氧化物半导体场效应晶体管S 1、第二金属-氧化物半导体场效应晶体管S 2的开通和关断，实现对多路绕组感应电压的同步控制。
控制过程：首先，根据所需的输出电压的比例关系，设计各路绕组的匝数。在电路工作过程中，采集第三绕组感应电压与参考电压进行对比。当母线电流达到额定启动电流时，第三绕组感应电压达到参考电压，第一绕组和第二绕组的感应电压也都达到设计值。当母线电流继续增大，此时，第三绕组感应电压超过参考电压，第一绕组和第二绕组的感应电压也都超过设计值。此时，控制第一金属-氧化物半导体场效应晶体管S 1、第二金属-氧化物半导体场效应晶体管S 2同时导通，各绕组感应电压同步下降，回归设计值，从而实现对多输出电压的同步控制。
以输出3.3V，5V，12V为例，可设计n1=66匝，n2=100匝，n3=240匝。同理，需要更多的输出电压，也可以按照这个方法进行设计更多的绕组。
多绕组结构的多输出供电磁场感应取能系统控制电路中，第一金属-氧化物半导体场效应晶体管S 1、第二金属-氧化物半导体场效应晶体管S 2用于控制输出电压恒定。第一金属-氧化物半导体场效应晶体管S 1、第二金属-氧化物半导体场效应晶体管S 2开通和关断时分析如下：
①当第一金属-氧化物半导体场效应晶体管S 1、第二金属-氧化物半导体场效应晶体管S 2同时导通，则可认为第三绕组被开关短路，第三绕组的感应电压u 3(t)接近于零。此时，磁通变化为零，第一绕组的感应电压u 1(t)、第二绕组的感应电压u 2(t)也接近于零。各绕组停止能量收集。
②当第一金属-氧化物半导体场效应晶体管S 1、第二金属-氧化物半导体场效应晶体管S 2同时关断，则可认为正常工作，各绕组持续收集能量。
基于单路电压控制的PWM控制电路如图3所示，通过分压电阻分压以及ADC采集的方法采集第三绕组的感应电压与参考电压送入PI控制器产生PI控制信号。然后将PI控制信号与锯齿波输入电压比较器产生控制PWM波，PWM波通过驱动，产生驱动信号控制第一金属-氧化物半导体场效应晶体管S 1、第二金属-氧化物半导体场效应晶体管S 2的开通和关断，达到控制感应电压稳定的效果。
以n3=240匝，控制输出12V为例。通常，当第三绕组的感应电压高于12V，第一金属-氧化物半导体场效应晶体管S 1、第二金属-氧化物半导体场效应晶体管S 2同时被控制导通，此时，由于第一金属-氧化物半导体场效应晶体管S 1、第二金属-氧化物半导体场效应晶体管S 2的导通电阻很低，第三绕组近乎被短路，感应电流急剧增大，另外第一绕组n1、第二绕组n2感应电流急剧降低，几乎为零。此时，三路绕组中的感应电流如公式(4)所示。此时，第一绕组n1、第二绕组n2、第三绕组n3的感应电压同步下降。当第三绕组n3的感应电压下降并低于12V，此时第一金属-氧化物半导体场效应晶体管S 1、第二金属-氧化物半导体场效应晶体管S 2同时被控制关断，此时第一绕组n1、第二绕组n2、第三绕组n3恢复能量收集，感应电压开始上升。如此往复，通过PI参数的合理设计，可以实现输出电压控制的快速响应。
综上所述，本发明为一种基于多绕组结构的多输出磁场感应取能系统及其控制方法。根据磁场感应取能系统多绕组间的交叉影响，设计基于单路电压控制的PWM控制电路。通过控制开关，对单路绕组的电压电流进行控制，结合各路绕组间的电压电流关系，实现对另外绕组的同步控制。在这种情况下，可以大大节省控制成本以及电路体积，控制策略简单高效。
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 (4)

1.一种基于多绕组结构的多输出磁场感应取能系统的控制方法，基于多绕组结构的多输出磁场感应取能系统，包括初级侧、次级侧、整流电路以及基于单路电压控制的PWM控制电路，次级侧包括单个取能磁芯和多路绕组，母线穿过取能磁芯，多路绕组绕在取能磁芯上；其特征是：其中一路绕组连接到由两个二极管和第一金属-氧化物半导体场效应晶体管、第二金属-氧化物半导体场效应晶体管构成的半有源整流电路；其余绕组分别连接到由四个二极管构成的全桥整流电路；基于单路电压控制的PWM控制电路包括ADC采集模块、PI控制器、电压比较器，半有源整流电路连接ADC采集模块，ADC采集模块连接PI控制器，PI控制器连接电压比较器，电压比较器连接驱动电路，驱动电路连接第一金属-氧化物半导体场效应晶体管和第二金属-氧化物半导体场效应晶体管;其特征是，通过控制连接半有源整流电路的绕组的感应电流，同步完成对另外几路绕组的控制；
半有源整流电路存在两种工作模式：
整流模式：第一金属-氧化物半导体场效应晶体管、第二金属-氧化物半导体场效应晶体管同时关断，此时，半有源整流电路可以被看作是全桥整流电路，磁场感应取能系统进行能量收集；
泄放模式：第一金属-氧化物半导体场效应晶体管、第二金属-氧化物半导体场效应晶体管同时导通，此时，第一金属-氧化物半导体场效应晶体管、第二金属-氧化物半导体场效应晶体管同步将多路绕组短路，各绕组的感应电压为零；利用泄放模式，通过控制第一金属-氧化物半导体场效应晶体管、第二金属-氧化物半导体场效应晶体管的开通和关断，实现对多路绕组感应电压的同步控制。
2.根据权利要求1所述的基于多绕组结构的多输出磁场感应取能系统的控制方法，其特征是，在电路工作过程中，采集连接半有源整流电路的绕组的感应电压与参考电压进行对比；当母线电流达到额定启动电流时，连接半有源整流电路的绕组的感应电压达到参考电压，其他绕组的感应电压也都达到设计值；当母线电流继续增大，连接半有源整流电路的绕组的超过参考电压，其他绕组的感应电压也都超过设计值，此时，控制第一金属-氧化物半导体场效应晶体管、第二金属-氧化物半导体场效应晶体管同时导通，各绕组感应电压同步下降，回归设计值，从而实现对多输出电压的同步控制。
3.根据权利要求2所述的基于多绕组结构的多输出磁场感应取能系统的控制方法，其特征是，通过分压电阻分压以及ADC采集的方法采集连接半有源整流电路的绕组的感应电压与参考电压送入PI控制器产生PI控制信号；然后将PI控制信号与锯齿波输入电压比较器产生控制PWM波，PWM波通过驱动，产生驱动信号控制第一金属-氧化物半导体场效应晶体管、第二金属-氧化物半导体场效应晶体管的开通和关断，达到控制感应电压稳定的效果。
4.根据权利要求1所述的基于多绕组结构的多输出磁场感应取能系统的控制方法，其特征是：按照多路输出电压比例设计各绕组匝数比例。
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