CN116345715A - 一种非接触供电及信号同步传输装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非接触供电及信号同步传输装置和方法，包括电源变换单元一、信号单元一、非接触传输磁钢、电源变换单元二和信号单元二，电源变换单元一给信号单元一和非接触传输磁钢供电，非接触传输磁钢将输入的电流传送给电源变换单元二，并将信号在信号单元一和信号单元二之间双向传递，信号单元一和信号单元二将接收到的信号按照既定协议处理后发送给非接触传输磁钢，同时接收非接触传输磁钢传送的信号按照既定协议反处理后输出，电源变换单元二给所述的信号单元二供电。本发明避免信号的传输过程出现供电信号的高次谐波的干扰造成信号传输调制与解调错误，以及信号传输在无线传输状态小的衰减造成的信号解调错误，提高的信号传输的可靠性。

Description

一种非接触供电及信号同步传输装置和方法

技术领域

本发明属于磁机构技术领域，具体涉及一种非接触供电及信号同步传输装置和方法。

背景技术

井下高温钻井作业中，前端的电机执行机构处于高速旋转状态下，电机的供电以及信号，同时由于井下的特殊高温环境，不能简单的采用滑环或导线类实现。因此，在旋转导向产品中，通常采用旋转状态下的磁机构将电能和信号在高温工作条件下进行传递。

采用非接触磁机构形式实现电磁转换的功能，目前多采用供电和信号利用同一磁体，但是为了降低供电和信号之间的交叉耦合，采用同一磁体，两组线圈的实现方式。该方式能够有效避免信号与电源解耦的实现难度，但由于双线圈结构，增加了磁机构的长度，增加了井下执行机构的导向角难度，对井下设备高效工作产生影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种非接触供电及信号同步传输装置和方法。本发明方案能够解决上述现有技术中存在的问题。

本发明的技术解决方案：

根据第一方面，提供一种非接触供电及信号同步传输装置，包括电源变换单元一、信号单元一、非接触传输磁钢、电源变换单元二和信号单元二，所述的电源变换单元一给所述的信号单元一供电，并将输入的直流电转换交流电输送给所述的非接触传输磁钢，所述的非接触传输磁钢将输入的电流通过DC/DC转换后将电流传送给所述的电源变换单元二，并将信号在信号单元一和信号单元二之间双向传递，所述的信号单元一将接收到的信号按照既定协议处理后发送给所述的非接触传输磁钢，同时接收非接触传输磁钢传送的信号按照既定协议反处理后输出，所述的信号单元二将接收到的信号按照既定协议发送给所述的非接触传输磁钢，同时接收非接触传输磁钢传送的信号按照既定协议反处理后输出，所述的电源变换单元二将所述的非接触传输磁钢传送的电流转换后给所述的信号单元二供电。

进一步的，所述的既定协议是指：在传输信道中插入保护间隔，所述的保护间隔为以误码率大于m的对应频率点为中心，标定步长为区间的频段、功率传输谐振频率的2次谐波频段和功率传输谐振频率的3次谐波频段。

优选的，m的取值根据实际情况确定。

进一步的，所述的非接触传输磁钢采用双层绕组形式。

进一步的，所述的非接触传输磁钢具有同轴旋转功能。

进一步的，所述的电源变换单元一提供给信号单元一同步信号，所述的信号单元一以电源变换单元一提供的同步信号为时基进行信号传送。

根据第二方面，提供上述一种非接触供电及信号同步传输方法，包括以下步骤：

电源变换单元一给信号单元一供电，信号单元一通过既定协议将接收到的信号生成模拟信号；

电源变换单元一的电能通过非接触传输磁钢传送给电源变换单元二，电源变换单元二给信号单元二供电，模拟信号通过非接触传输磁钢传送给信号单元二；

信号单元二将接收到的模拟信号采用既定协议对称的反处理模式，得到模拟信号的原始数字信号，完成信号的接收；

信号单元二接收的信号通过既定协议将接收到的信号生成模拟信号；

模拟信号通过非接触传输磁钢传送给信号单元一，

信号单元一将接收到的模拟信号采用既定协议对称的反处理模式，得到模拟信号的原始数字信号，完成信号的接收。

进一步的，所述模拟信号生成的方法为，包括以下步骤：

根据传输性能确定传输带宽；

根据功率传输谐振频率和信号动态传输频率来标定干扰频率，

根据传输带宽和传输的数据量反推标定步长；

基于该标定步长进行全传输频段的模拟传输工作；

根据模拟传输，标定出误码率大于m的对应频率点，以该频率点为中心，标定步长为区间，剔除该频段，并且剔除功率传输谐振频率的2次谐波频段和3次谐波频段；

将剔除的频段作插入到传输信道中，生成模拟信号。

本发明与现有技术相比的有益效果：

本发明通过既定协议的使用，将数字信号转换为符合既定协议的模型信号进行传输，通过共用线圈实现供电与信号的同步传输，避免信号的传输过程出现供电信号的高次谐波的干扰造成信号传输调制与解调错误，以及信号传输在无线传输状态小的衰减造成的信号解调错误，提高的信号传输的可靠性。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明实施例提供的一种非接触供电及信号同步传输装置结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例提供的一种非接触供电及信号同步传输装置传输系统示意图；

图3示出了根据本发明实施例提供的一种非接触供电及信号同步传输方法步骤示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1和图2所示，根据本发明第一方面实施例，提供一种非接触供电及信号同步传输装置，包括电源变换单元一、信号单元一、非接触传输磁钢、电源变换单元二和信号单元二，电源变换单元一给信号单元一供电，并将输入的直流电转换交流电输送给非接触传输磁钢，非接触传输磁钢将输入的电流通过DC/DC转换后将电流传送给电源变换单元二，并将信号在信号单元一和信号单元二之间双向传递，信号单元一将接收到的信号按照既定协议处理后发送给非接触传输磁钢，同时接收非接触传输磁钢传送的信号按照既定协议反处理后输出，信号单元二将接收到的信号按照既定协议发送给非接触传输磁钢，同时接收非接触传输磁钢传送的信号按照既定协议反处理后输出，电源变换单元二将非接触传输磁钢传送的电流转换后给信号单元二供电。

进一步的在一个实施例中，既定协议是指：在传输信道中插入保护间隔，所述的保护间隔为以误码率大于m的对应频率点为中心，标定步长为区间的频段、功率传输谐振频率的2次谐波频段和功率传输谐振频率的3次谐波频段。在一个实施例中，m的取值根据实际情况确定，优选的m的取值可以为0.9或0.8。

进一步的在一个实施例中，非接触传输磁钢采用双层绕组形式，从而进一步突出传输磁场强度分析，缩短导向机构的轴向长度，提高旋转导向系统的工作效率和导向能力。

进一步的在一个实施例中，非接触传输磁钢具有同轴旋转功能。

进一步的在一个实施例中，电源变换单元一提供给信号单元一同步信号，信号单元一以电源变换单元一提供的同步信号为时基进行信号传送，保证了信号传递的同步性。

进一步的在一个实施例中，电源变换单元一将直流电转换为交流电作为非接触传输磁钢的输入，电源变换单元一同时实现DC/DC转换，转换后给信号单元一进行供电，电源变换单元二将非接触传输磁钢输出的交流电转换为直流电给信号单元二供电。

根据第二方面的实施例，如图3所示，提供上述一种非接触供电及信号同步传输方法，包括以下步骤：

步骤一，电源变换单元一给信号单元一供电，信号单元一通过既定协议将接收到的信号生成模拟信号；

步骤二，电源变换单元一的电能通过非接触传输磁钢传送给电源变换单元二，电源变换单元二给信号单元二供电，模拟信号通过非接触传输磁钢传送给信号单元二，

步骤三，信号单元二将接收到的模拟信号采用既定协议对称的反处理模式，得到模拟信号的原始数字信号，完成信号的接收；

步骤四，信号单元二接收的信号通过既定协议将接收到的信号生成模拟信号；

步骤五，模拟信号通过非接触传输磁钢传送给信号单元一，

步骤六，信号单元一将接收到的模拟信号采用既定协议对称的反处理模式，得到模拟信号的原始数字信号，完成信号的接收。

进一步的在一个实施例中，模拟信号生成的方法为，包括以下步骤：

S1.1根据传输性能确定传输带宽；

S1.2根据功率传输谐振频率和信号动态传输频率来标定干扰频率，

S1.3根据传输带宽和传输的数据量反推标定步长；

S1.4基于该标定步长进行全传输频段的模拟传输工作；

S1.5根据模拟传输，标定出误码率大于m的对应频率点，以该频率点为中心，标定步长为区间，剔除该频段，并且剔除功率传输谐振频率的2次谐波频段和3次谐波频段；

S1.6将剔除的频段作插入到传输信道中，生成模拟信号。

通过生成模拟信号，避免信号的传输过程出现供电信号的高次谐波的干扰造成信号传输调制与解调错误，以及信号传输在无线传输状态小的衰减造成的信号解调错误，从而实现单线圈下供电和信号的双向传输，能够有效实现传输系统小型化，降低装备难度，提高系统可靠性。

为了对本发明提供的一种非接触供电及信号同步传输装置有更进一步了解，下面结合具体实例及附图进行详细说明。

电源变换单元一：该单元主要通过控制电路、功率变换电路以及辅助供电电路实现，控制电路实现设定频率和占空比的控制信号输出，可采用FPGA类数字控制器，四开关拓扑结构以开关频率f交替循环导通，实现矩形波交流脉冲，工作频率为20～50kHz，占空比为60％～80％。辅助供电电路可采用西安兰欣公司的高温小型化模块，将供电输入转换为5V和12V，给信号单元一供电。同时在每个开关周期内向信号单元一发送同步信号。

信号单元一：该单元采用FPGA类数字控制器，首先接收外部既定通讯协议的通讯信号，并存储在内部RAM中，经过改进型OFDM数字处理将输入信号转变成模拟量加载到信号发射信道中，接收信号处理采用对称的反处理模式，将经过接收信道的模拟量信号处理成数字信号，达到接收目的。

非接触传输磁钢：非接触传输磁钢采用同轴非接触形式，绕线形式采用的双层并绕模式，能够实现同轴旋转功能，在参数设计上能够满足20～50kHz的工作频率，以及要求的功率传递。

电源变换单元二：电源变换单元二主要实现将变压器传递的交流电能变换为直流电，首先采用全波整流桥对交流电能进行整流，再根据整流电压幅值与任务要求的输出电压幅值，选择基于BUCK或者BOOST的电源变换电路；辅助供电电路可采用西安兰欣公司的高温小型化模块，将供电输入转换为5V和12V，给信号单元二供电。

信号单元二：该单元采用FPGA类数字控制器，首先接收外部既定通讯协议的通讯信号，并存储在内部RAM中，经过改进型OFDM数字处理将输入信号转变成模拟量加载到信号发射信道中，接收信号处理采用对称的反处理模式，将经过接收信道的模拟量信号处理成数字信号，达到接收目的。

综上，本发明提供的一种非接触供电及信号同步传输装置和方法，相比于现有技术至少具有以下优势：

本发明通过既定协议的使用，将数字信号转换为符合既定协议的模型信号进行传输，通过共用线圈实现供电与信号的同步传输，避免信号的传输过程出现供电信号的高次谐波的干扰造成信号传输调制与解调错误，以及信号传输在无线传输状态小的衰减造成的信号解调错误，提高的信号传输的可靠性。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非接触供电及信号同步传输装置，其特征在于，包括电源变换单元一、信号单元一、非接触传输磁钢、电源变换单元二和信号单元二，

所述的电源变换单元一给所述的信号单元一供电，并将输入的直流电转换交流电输送给所述的非接触传输磁钢，所述的非接触传输磁钢将输入的电流通过DC/DC转换后将电流传送给所述的电源变换单元二，并将信号在信号单元一和信号单元二之间双向传递，

所述的信号单元一将接收到的信号按照既定协议处理后发送给所述的非接触传输磁钢，同时接收非接触传输磁钢传送的信号按照既定协议反处理后输出，所述的信号单元二将接收到的信号按照既定协议发送给所述的非接触传输磁钢，同时接收非接触传输磁钢传送的信号按照既定协议反处理后输出，

所述的电源变换单元二将所述的非接触传输磁钢传送的电流转换后给所述的信号单元二供电。

2.根据权利要求1所述的一种非接触供电及信号同步传输装置，其特征在于，所述的既定协议是指：在传输信道中插入保护间隔，所述的保护间隔为以误码率大于m的对应频率点为中心，标定步长为区间的频段、功率传输谐振频率的2次谐波频段和功率传输谐振频率的3次谐波频段。

3.根据权利要求1所述的一种非接触供电及信号同步传输装置，其特征在于，所述的非接触传输磁钢采用双层绕组形式。

4.根据权利要求1或3所述的一种非接触供电及信号同步传输装置，其特征在于，所述的非接触传输磁钢具有同轴旋转功能。

5.根据权利要求1所述的一种非接触供电及信号同步传输装置，其特征在于，所述的电源变换单元一提供给信号单元一同步信号，所述的信号单元一以电源变换单元一提供的同步信号为时基进行信号传送。

6.根据权利要求2所述的一种非接触供电及信号同步传输装置，其特征在于，m的取值根据实际情况确定。

7.根据权利要求6所述的一种非接触供电及信号同步传输装置，其特征在于，m＝0.9。

8.根据权利要求6所述的一种非接触供电及信号同步传输装置，其特征在于，m＝0.8。

9.使用权利要求1-8任一所述的一种非接触供电及信号同步传输方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

电源变换单元一给信号单元一供电，信号单元一通过既定协议将接收到的信号生成模拟信号；

电源变换单元一的电能通过非接触传输磁钢传送给电源变换单元二，电源变换单元二给信号单元二供电，模拟信号通过非接触传输磁钢传送给信号单元二；

信号单元二将接收到的模拟信号采用既定协议对称的反处理模式，得到模拟信号的原始数字信号，完成信号的接收；

信号单元二接收的信号通过既定协议将接收到的信号生成模拟信号；

模拟信号通过非接触传输磁钢传送给信号单元一，

信号单元一将接收到的模拟信号采用既定协议对称的反处理模式，得到模拟信号的原始数字信号，完成信号的接收。

10.根据权利要求9所述的一种非接触供电及信号同步传输方法，其特征在于，所述模拟信号生成的方法为，包括以下步骤：

根据传输性能确定传输带宽；

根据功率传输谐振频率和信号动态传输频率来标定干扰频率，

根据传输带宽和传输的数据量反推标定步长；

基于该标定步长进行全传输频段的模拟传输工作；

根据模拟传输，标定出误码率大于m的对应频率点，以该频率点为中心，标定步长为区间，剔除该频段，并且剔除功率传输谐振频率的2次谐波频段和3次谐波频段；

将剔除的频段作插入到传输信道中，生成模拟信号。

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