一种非接触能量与信号同步传输系统及传输方法技术方案

技术编号:18661857 阅读:39 留言:0更新日期:2018-08-11 16:05
本发明专利技术公开了一种无线电能传输技术中的能量与信号同步传输系统及传输方法,适用于无线充电领域中,该系统包括直流电源,高频逆变器,原边能量发射模块,信号调制模块,副边能量接收模块,信号解调模块和负载;高频逆变器后串联接入隔直电容和原边能量发射模块,构成三角波提取通道;信号调制模块通过改变高频逆变器工作频率将基带信号加载到三角波中,经过松耦合变压器将能量与信号同时传输至副边,通过副边能量接收模块和信号解调模块将通道中的能量与信号分离,实现能量与信号同步传输。系统输出功率稳定,信号传输速率高,系统体积小。

A non-contact energy and signal synchronous transmission system and transmission method

The invention discloses an energy and signal synchronous transmission system and transmission method in the radio energy transmission technology, which is suitable for the field of wireless charging. The system comprises a DC power supply, a high frequency inverter, a primary energy transmitting module, a signal modulation module, a secondary energy receiving module, a signal demodulation module and a load. After the inverter is connected in series with the straightening capacitor and the original side energy transmitting module, the triangle wave extraction channel is formed; the signal modulation module loads the baseband signal into the triangle wave by changing the working frequency of the high frequency inverter, and transmits the energy and signal to the secondary side at the same time through the loosely coupled transformer, and receives the signal through the secondary side energy receiving module and the signal. The demodulation module separates the energy in the channel from the signal and realizes the synchronous transmission of energy and signal. The system has stable output power, high signal transmission rate and small system size.

【技术实现步骤摘要】
一种非接触能量与信号同步传输系统及传输方法
本专利技术涉及一种能量与信号同步传输系统及传输方法,尤其适用于一种非接触能量与信号同步传输系统及传输方法。
技术介绍
传统的电能传输方法是通过电缆等连接设备将电能从电网传输至用电设备,而这种物理连接会因为经常性的移动和裸露在外而产生电火花或破损,这不仅大大缩短了电气设备的使用寿命,还严重威胁到用电安全性,尤其是在煤矿、水下等环境恶劣的场合,甚至会造成严重的电气事故。因此,在目前这种形式下,非接触式电能传输技术的需求大大提高。非接触电能传输技术,顾名思义,供电设备和用电设备之间不再需要电缆等连接设备,很大程度上解决了传统供电方式在恶劣环境中使用的不足。目前非接触电能传输技术广泛应用的有轨电车、手机无线充电等领域,不仅需要能量为系统提供动力,还需要信号的同步传递来传递控制指令、反馈系统的运行状态,如机器人的旋转关节、人体器官等。目前广泛研究的非接触能量与信号同步传输技术主要分为以下几种:1、能量和信号分离通道传输,能量与信号的传输各自采用独立的通道。该方法是采用两组不同的线圈以及驱动电路,分别进行独立的电能和信号传输,但是多个线圈之间的相互耦合对电能传输产生影响并使信号传输的误码率增加;2、注入式调幅调制。通过耦合线圈将高频载波耦合至逆变器输出方波电压上进行能量与信号的同步传输。但是该方法只是在逆变方波的正半周上进行信号的加载,信号传输速率较低;3、调幅调制。该方法是通过在感应式电能传输系统直流输入侧加入了直流调制模块,即在直流电源与高频逆变器之间加入Boost电路通过改变斩波电路的占空比来改变逆变器前端直流输入,电压的幅度包络携带着信号特征,通过包络检波器完成载波的包络提取,利用滤波比较电路恢复出数字信号,该方法中的直流变换环节使系统中的阶数增加,影响了系统的稳定性。对于以上提出的几种能量与信号同步传输的方式,信号传输速率一般都比较低,并且对系统能量的传输也产生了影响。
技术实现思路
针对上述技术的不足之处,提供一种电路复杂程度低,并不增设额外的松耦合磁路机构,减少线圈之间的相互耦合,有效提高系统能量输出的稳定性的非接触能量与信号同步传输系统及传输方法,为实现上述技术目的,本专利技术的非接触能量与信号同步传输系统,包括直流电源、高频逆变器、原边能量发射模块、副边接收模块、负载、信号调制模块和信号解调模块;所述高频逆变器的输入端与直流电源相连接,高频逆变器的输出端与原边能量发射模块的输入端相连接,原边能量发射模块从高频逆变器输出的逆变方波中提取出三角波,而三角波由一系列奇数次谐波组成,原边能量发射模块与副边接收模块相连接,副边接收模块包括能量接收部分与信号接收部分,其中能量接收部分设置在三角波基波频率下谐振将能量传输至负载,为负载提供能量,而信号接收部分设置在三角波三次谐波频率下谐振将信号与能量分离,信号解调模块的输入端与副边接收模块相连接,通过检测信号接收线圈两端电压并传递给信号解调模块进行信号的解调,从而完成信号与能量从原边到副边的非接触式同步传输;原边能量发射模块通过减小自身品质因数从逆变方波中提取出由一系列奇数次谐波构成的三角波,三角波中基波与三次谐波含量较高,采用三角波中的基波传输能量,三次谐波传递信号。所述的高频逆变器为四个双极晶体管构成的全桥逆变结构,以获得更大的功率输出。所述的原边能量发射模块包括串联的隔直电容Cb和原边发射线圈Lp,通过减小其品质因数从逆变方波中提取出三角波,隔直电容Cb滤除系统中存在的少许直流分量,并通过能量发射线圈Lp和能量接收线圈Ls将同时包含能量与信号的三角波传输至副边接收模块。所述的副边接收模块的能量接收部分包括相互串联的能量接收线圈Ls及补偿电容Cs,信号接收部分包括顺序连接的信号接收线圈Ln、补偿电容Cn及接收线圈内阻Rn,其中能量接收线圈Ls与其谐振电容Cs在三角波基波频率下谐振将能量传输至负载,信号接收线圈Ln与其谐振电容Cn在三角波三次谐波频率下谐振将信号传递至信号解调模块进行信号解调。能量接收线圈Ls在高频交变磁场中感应出电能为负载供电,能量与信号的传输就是通过原边发射线圈Lp和能量接收线圈Ls进行电-磁-电的转换将其传输至副边接收模块,然后将能量与信号进行分离;能量接收线圈Ls与原边能量发射线圈Lp绕制成一“回”型锰锌铁氧体磁芯组成松耦合变压器,能量接收线圈Ls与补偿电容Cs在基波频率下呈现低阻状态,从而从三角波中提取出基波为负载提供能量,信号接收线圈Ln与补偿电容Cn在三次谐波下呈现低阻状态,从而分离出三次谐波,根据逆变器工作频率的不同造成信号接收线圈Ln两端电压不同将信号传递至信号解调模块,实现信号从原边到副边的无线传输。所述的信号调制模块包括顺序连接的DSP和驱动电路,DSP根据接收到的基带信号切换逆变器的工作频率进而改变副边信号接收线圈Ln两端的电压来传递信号,而由于副边接收模块中的能量接收部分对于三次谐波具有很高的阻抗,因此在系统传递信号的同时对能量传输的影响可忽略不计。所述的信号解调模块包括顺序连接的电压检测电路和检波电路;信号接收线圈Ln与补偿电容Cn在三次谐波下谐振,对基波呈现高阻状态,从而将系统中能量与信号分离,电压检测电路通过检测信号接收线圈Ln两端电压并由检波电路对其进行包络检波处理以恢复原边输入信号。一种非接触能量与信号同步传输系统的传输方法,其步骤如下:a.首先设定信号传输协议标示信息,当副边接收模块中的信号接收部分检测到原边能量发射模块传输的三角波中的三次谐波存在标示信息时,说明从此刻开始从原边能量发射模块至副边接收模块传递数据信号:基带信号通过DSP发出的控制信号控制并改变高频逆变器的工作频率,当传输数据信号为“1”时,控制高频逆变器工作频率为f1,;当传数据输信号为“0”时,控制高频逆变器工作频率为f0,将数字基带信号加载到原边能量发射模块中;b.原边能量发射模块中的原边能量发射线圈Lp与副边能量接收线圈Ls组成的松耦合变压器将同时带有能量和信号信息的三角波的从原边能量发射线圈Lp传输到副边能量接收线圈Ls;c.副边接收模块中的副边能量接收线圈Ls与其补偿电容Cs在三角波基波频率下发生串联谐振将基波能量提取出来提供给负载,信号接收线圈Ln与其补偿电容Cn在三角波三次谐波频率下谐振,构成三次谐波通道,从三角波中分离出信号信息,将信号接收线圈Ln两端电压接入信号解调模块的电压检测电路及检波电路中对信号进行解调,从而还原出基带信号。有益效果,相比于上述能量与信号传输技术,本方案是利用系统中的基波传输能量、谐波传递信号来达到系统中能量与信号的同步传输,实现在当前谐波降低电能质量的大环境下,无需滤除谐波,有效利用谐波进行信号传输,提高了能量利用率。电能与信号从原边到副边的非接触传输是通过同一对磁路机构实现,减少了电路中各线圈之间的互感耦合,提高了系统的稳定性,降低了信号传输的误码率。通过高频逆变器工作频率的切换调节信号提取线圈两端电压来传递数字信号信息,由于信号传输过程中逆变器工作频率比较接近,因此在传递信号的过程中对系统能量的传输并不会产生较大的影响。附图说明:图1是本专利技术的电路原理图。图2是本专利技术的逆变器输出电压电流波形图。图3是本专利技术的信号传输速率为5kHz时的逆变输出电压和本文档来自技高网
...

【技术保护点】
1.一种非接触能量与信号同步传输系统,其特征在于:它包括直流电源(1)、高频逆变器(2)、原边能量发射模块(3)、副边接收模块(4)、负载(5)、信号调制模块(6)和信号解调模块(7);所述高频逆变器(2)的输入端与直流电源(1)相连接,高频逆变器(2)的输出端与原边能量发射模块(3)的输入端相连接,原边能量发射模块(3)从高频逆变器(2)输出的逆变方波中提取出三角波,而三角波由一系列奇数次谐波组成,原边能量发射模块(3)与副边接收模块(4)相连接,副边接收模块(4)包括能量接收部分与信号接收部分,其中能量接收部分设置在三角波基波频率下谐振将能量传输至负载(5),为负载(5)提供能量,而信号接收部分设置在三角波三次谐波频率下谐振将信号与能量分离,信号解调模块(7)的输入端与副边接收模块(4)相连接,通过检测信号接收线圈两端电压并传递给信号解调模块(7)进行信号的解调,从而完成信号与能量从原边到副边的非接触式同步传输;原边能量发射模块(3)通过减小自身品质因数从逆变方波中提取出由一系列奇数次谐波构成的三角波,三角波中基波与三次谐波含量较高,采用三角波中的基波传输能量,三次谐波传递信号。

【技术特征摘要】
1.一种非接触能量与信号同步传输系统,其特征在于:它包括直流电源(1)、高频逆变器(2)、原边能量发射模块(3)、副边接收模块(4)、负载(5)、信号调制模块(6)和信号解调模块(7);所述高频逆变器(2)的输入端与直流电源(1)相连接,高频逆变器(2)的输出端与原边能量发射模块(3)的输入端相连接,原边能量发射模块(3)从高频逆变器(2)输出的逆变方波中提取出三角波,而三角波由一系列奇数次谐波组成,原边能量发射模块(3)与副边接收模块(4)相连接,副边接收模块(4)包括能量接收部分与信号接收部分,其中能量接收部分设置在三角波基波频率下谐振将能量传输至负载(5),为负载(5)提供能量,而信号接收部分设置在三角波三次谐波频率下谐振将信号与能量分离,信号解调模块(7)的输入端与副边接收模块(4)相连接,通过检测信号接收线圈两端电压并传递给信号解调模块(7)进行信号的解调,从而完成信号与能量从原边到副边的非接触式同步传输;原边能量发射模块(3)通过减小自身品质因数从逆变方波中提取出由一系列奇数次谐波构成的三角波,三角波中基波与三次谐波含量较高,采用三角波中的基波传输能量,三次谐波传递信号。2.如权利要求1所述的非接触能量与信号同步传输系统,其特征是:所述的高频逆变器(2)为四个双极晶体管构成的全桥逆变结构,以获得更大的功率输出。3.如权利要求1所述的非接触能量与信号同步传输系统,其特征是:所述的原边能量发射模块(3)包括串联的隔直电容Cb和原边发射线圈Lp,通过减小其品质因数从逆变方波中提取出三角波,隔直电容Cb滤除系统中存在的少许直流分量,并通过能量发射线圈Lp和能量接收线圈Ls将同时包含能量与信号的三角波传输至副边接收模块(4)。4.如权利要求1所述的非接触能量与信号同步传输系统,其特征是:所述的副边接收模块(4)的能量接收部分包括相互串联的能量接收线圈Ls及补偿电容Cs,信号接收部分包括顺序连接的信号接收线圈Ln、补偿电容Cn及接收线圈内阻Rn,其中能量接收线圈Ls与其谐振电容Cs在三角波基波频率下谐振将能量传输至负载(5),信号接收线圈Ln与其谐振电容Cn在三角波三次谐波频率下谐振将信号传递至信号解调模块(7)进行信号解调。5.如权利要求3或4所述的非接触能量与信号同步传输系统,其特征是:能量接收线圈Ls在高频交变磁场中感应出电能为负载(5)供电,能量与信号的传输就是通过原边发射线圈Lp和能量接收线圈Ls进行电-磁-电的转换将其传输至副边接收模块(4),然后将能量与...

【专利技术属性】
技术研发人员:夏晨阳朱文婷朱从刘利民马念伍小杰陈俊
申请(专利权)人:中国矿业大学
类型:发明
国别省市:江苏,32

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1