一种用于无线电机系统的电能与信号同步传输装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种用于无线电机系统的电能与信号同步传输装置及方法，属于无线电能与信号同步传输技术领域。正向传输时，全桥逆变电路的导通角按照正弦函数变化，产生信号波，利用能量载波传输信号“1”；保持全桥逆变电路的导通角不变，利用能量载波传输信号“0”。反向传输时，按照上述方法改变主动整流电路的导通角，可以传输反向传输信息。信号同步传输速率可以达到Kbps级别。本发明专利技术不需要切换电阻或者电容，不需要高频信号发生电路、阻波网络、耦合变压器等额外装置，这样可以有效减少系统硬件成本。本发明专利技术不改变系统的工作频率，始终在系统的谐振频率传输电能，保证了电能传输的功率和效率，且传输信息时，负载电压降落小。负载电压降落小。负载电压降落小。

【技术实现步骤摘要】
一种用于无线电机系统的电能与信号同步传输装置及方法


[0001]本专利技术属于无线电能与信号同步传输
，更具体地，涉及一种用于无线电机系统的电能与信号同步传输装置及方法。

技术介绍

[0002]近年来，在“碳达峰”和“碳中和”的时代背景下，电能作为清洁高效的能源得到了更加广泛的使用。无线电能传输技术通过电磁耦合实现非接触式电能传输，克服了有线传输方式中存在的线路老化、不够灵活等缺点。无线电机系统是指集成了无线电能传输技术的电机系统，具有结构灵活等优点，被应用于电动汽车、矿井钻头、机器人关节等领域。
[0003]然而，某些情况下不仅需要传输电能，还需要同时进行双向信息传输以实现智能控制，例如在无线电机系统，正向传输转速信息，实现对电机的调速控制；反向传输电压信息，实现电机侧的稳压控制。因此，研究用于无线电机系统无线电能与信号同步传输技术是有意义的。
[0004]分离通道式无线电能与信号同步传输技术具有两个通道，分别传输能量和信号，但是这种方式具有系统体积大、成本高等缺点。共享通道式无线电能与信号同步传输技术使用一个通道传输能量和信号，系统结构简单。共享通道式无线电能与信号同步传输技术又可以分为能量调制式和载波调制式。能量调制式利用能量包络波传输信号，电路结构简单，但是信号传输速率缓慢，而且信号传输会严重影响电能质量。载波调制式利用高频载波传输信号，传输速率很快，信号传输对电能质量的影响小，但是电路结构复杂，成本较高。所以，应该研究一种成本小、传输速率较高、对电能质量影响小的共享通道式无线电能与信号同步传输技术。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种用于无线电机系统的电能与信号同步传输装置及方法，旨在优化电路结构、减小成本的情况下，提升信号传输速率，并减小信号传输对电能质量的影响。
[0006]为实现上述目的，本专利技术一方面提供了一种用于无线电机系统的电能与信号同步传输装置，无线电机系统按照电能的传输方向分为发射侧和接收侧，发射侧包括：直流电源、全桥逆变电路、发射模块，接收侧包括接收模块、主动整流电路、三相逆变及电机；所述全桥逆变电路的输入端与直流电源相连，全桥逆变电路的输出端与发射模块的输入端相连，所述全桥逆变电路用于将直流电源的直流电压逆变成方波电压；所述发射模块与接收模块为SS型补偿拓扑，均由线圈串联补偿电容组成，发射模块与接收模块之间电气隔离，通过电磁感应的方式无线传输电能；所述接收模块的输出端与主动整流电路的输入端相连；所述主动整流电路用于将接收线圈感应的交变电压整流成直流电压；主动整流电路的输出端与三相逆变及电机相连，所述主动整流电路用于将接收线圈感应的交变电压整流成直流电压，所述三相逆变电路用于对电机进行控制。
[0007]该装置包括正向信号发生器、正向移相控制器、反向信号检波模块、反向信号发生器、反向移相控制器、正向信号检波模块。正向信号发生器和正向移相控制器位于发射侧，反向信号发生器和反向移相控制器位于接收侧。正向信号发生器与正向移相控制器相连，反向信号发生器与反向移相控制器相连；所述正向信号发生器用于将数字信号转化成全桥逆变电路的导通角；所述正向移相控制器输出四路PWM，控制全桥逆变电路；所述反向信号发生器用于将数字信号转化成主动整流电路的导通角；所述反向移相控制器输出四路PWM，控制主动整流电路。
[0008]优选地，本专利技术不需要改变系统的工作频率，始终在系统的谐振频率f0传输电能和信息，保证了电能传输的功率和效率。满足如下关系：
[0009][0010]其中，L为线圈的感值，C为补偿电容的容值，发射侧和接收侧采用同样的线圈和补偿电容。
[0011]优选地，正向信号检波模块从接收侧线圈电流中提取出发射侧发送的信息。正向信号检波模块包括LEM电流传感器、第一级包络检波电路、带通滤波电路、第二级包络检波电路、比较器电路。
[0012]其中，LEM电流传感器通过非接触的方式测量接收侧线圈电流I
s
；第一级包络检波电路输出接收侧线圈电流的峰值包络波V
sm
；带通滤波电路从接收侧线圈电流的峰值包络波中提取出正向信号波V
f
；第二级包络检波电路输出正向信号波的峰值包络波V
fm
；比较器电路对正向信号波的峰值包络波V
fm
和正向参考电平V
fref
进行比较：若V
fm
＞V
fref
，比较器电路输出5V高电平，表示“1”，若V
fm
＜V
fref
，比较器电路输出0V低电平，表示“0”，以此解调出发射侧发送的信息。
[0013]优选地，反向信号检波模块从发射侧线圈电流中提取出接收侧发送的信息。反向信号检波模块包括LEM电流传感器、第一级包络检波电路、带通滤波电路、第二级包络检波电路、比较器电路。
[0014]其中，LEM电流传感器通过非接触的方式测量发射侧线圈电流I
p
；第一级包络检波电路输出发射侧线圈电流的峰值包络波V
pm
；带通滤波电路从发射侧线圈电流的峰值包络波中提取出反向信号波V
b
；第二级包络检波电路输出反向信号波的峰值包络波V
bm
；比较器电路对反向信号波的峰值包络波V
bm
和反向参考电平V
bref
进行比较：若V
bm
＞V
bref
，比较器电路输出5V高电平，表示“1”，若V
bm
＜V
bref
，比较器电路输出0V低电平，表示“0”，以此解调出接收侧发送的信息。
[0015]本专利技术另一方面提供了一种用于无线电机系统的电能与信号同步传输方法，以能量波为载波传输信号，将待发送的信号“1”转化为正弦变化导通角，将待发送的信号“0”转化为固定导通角；发送一位信号“1”时，正弦变化导通角的持续时间为1/f
d
，发送一位信号“0”时，固定导通角的持续时间为1/f
d
，f
d
是信号的传输速率。正向传输信号时，主动整流电路的导通角不变，按上述规则改变全桥逆变电路的导通角；反向传输信息时，全桥逆变电路的导通角不变，按上述规则改变主动整流电路的导通角；正向传输信号时，从接收侧线圈电流中解调出发射侧发送的信息；反向传输信号时，从发射侧线圈电流中解调出接收侧发送的信息。
[0016]正向传输信息时，正向信号发生器将需要传输到接收侧的信号转化成全桥逆变电路的导通角，正向移相控制器按照导通角输出对应相位的PWM。同时，反向信号发生器输出一个固定的导通角，反向移相控制器输出固定相位的PWM，反向不发送信息。
[0017]当传输信号“1”时，正向信号发生器输出m个周期的按照正弦波规律变化的导通角θ
fsin
，即：
[0018]θ
fsin
＝θ
f0
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于无线电机系统的电能与信号同步传输装置，所述无线电机系统按照电能的传输方向分为发射侧和接收侧，发射侧包括：直流电源、全桥逆变电路、发射模块，接收侧包括：接收模块、主动整流电路、三相逆变电路及电机；所述全桥逆变电路的输入端与直流电源相连，全桥逆变电路的输出端与发射模块的输入端相连，所述全桥逆变电路用于将直流电源的直流电压逆变成方波电压；所述发射模块与接收模块为SS型补偿拓扑，均由线圈串联补偿电容组成，发射模块与接收模块之间电气隔离，通过电磁感应的方式无线传输电能；所述接收模块的输出端与主动整流电路的输入端相连；所述主动整流电路的输出端与三相逆变电路及电机相连，所述主动整流电路用于将接收线圈感应的交变电压整流成直流电压，所述三相逆变电路用于对电机进行控制；其特征在于，所述电能与信号同步传输装置包括正向信号发生器、正向移相控制器、反向信号检波模块、反向信号发生器、反向移相控制器、正向信号检波模块；所述正向信号发生器和正向移相控制器相连，反向信号发生器和反向移相控制器相连；所述正向信号检波模块用于从接收侧线圈电流中提取出发射侧发送的信息；所述反向信号检波模块用于从发射侧线圈电流中提取出接收侧发送的信息；所述正向信号发生器用于将待发送信号转化成全桥逆变电路的导通角度；所述反向信号发生器用于将待发送信号转化成主动整流电路的导通角度；所述正向移相控制器用于控制全桥逆变电路，所述反向移相控制器用于控制主动整流电路。2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在传输信号时，始终在系统的谐振频率f0传输电能，满足如下关系：其中，L为线圈的感值，C为补偿电容的容值，发射模块和接收模块采用同样的线圈和补偿电容。3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，正向信号检波模块和反向信号检波模块均包括LEM电流传感器、第一级包络检波电路、带通滤波电路、第二级包络检波电路、比较器电路，LEM电流传感器的输出作为第一级包络检波电路的输入，第一级包络检波电路的输出作为带通滤波电路的输入，带通滤波电路的输出作为第二级包络检波电路的输入，第二级包络检波电路的输出作为比较器电路的输入。4.基于权利要求1至3任一项所述的装置的电能与信号同步传输方法，其特征在于，包括：(1)将待发送的信号“1”转化为正弦变化导通角，将待发送的信号“0”转化为固定导通角；发送一位信号“1”时，正弦变化导通角的持续时间为1/f
d
，发送一位信号“0”时，固定导通角的持续时间为1/f
d
，f
d
是信号的传输速率；(2)正向传输信号时，主动整流电路的导通角不变，按(1)中的规则改变全桥逆变电路的导通角；反向传输信息时，全桥逆变电路的导通角不变，按(1)中的规则改变主动整流电路的导通角；(3)正向传输信号时，从接收侧线圈电流中解调出发射侧发送的信息；反向传输信号时，从发射侧线圈电流中解调出接收侧发送的信息。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，正向传输信号时，包括正向发送信号和正向解调信号；正向发送信号时，正向信号发生器将需要传输到接收侧的信号转化成全桥逆变电路的导通角，正向移相控制器按照导通角输出对应相位的PWM，同时，反向信号发生器输出一个固定的导通角，反向移相控制器输出固定相位的PWM，反向不发送信号；正向解调信号时，从接收侧线圈电流的峰值包络波中提取出正向信号波V
f
，输出正向信号波的峰值包络波V
fm
...

【专利技术属性】
技术研发人员：甘醇，杨震，石昊晨，陈宇，倪锴，曲荣海，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：