一种基于移相全桥的多进制幅移键控能量与信号同步传输方法技术

此发明专利技术是针对无线电能传输(WPT)系统中信号传输技术存在结构复杂，能量信号串扰，传输位宽受限，传输速率低等问题，本文提出一种基于移相全桥(PSFB)的M进制幅移键控(MASK)能信同传系统，通过DSP生成不同相位的PWM波加在全桥逆变器中MOSEFT管的控制端，进行MASK调制，逆变电压产生M种幅值变换。信号跟随电能传递到副边通过设计的解调电路处理输入至DSP进行还原，实现能信同传。与传统调幅方法相比，减小了系统的体积，没有DC

【技术实现步骤摘要】
一种基于移相全桥的多进制幅移键控能量与信号同步传输方法
[0001]无线电能传输技术可以实现电气隔离，摆脱有形介质将电能从电源端传递至用电设备的一种电能传输方式。由于其传输电能方便灵活，具有十分诱人的广阔前景。但在实际应用中，无线电能传输技术需要具备输出功率实时控制、原边与副边信号传输等功能，即能量与信号同步传输技术。但现有的能量与信号同步传输技术仍然存在着缺陷。
[0002]针对能量调制式存在的问题，本文提出一种基于移相全桥的多进制幅移键控调制能量与信号同步传输系统，将预传输调制信号通过DSP生成PWM变量，直接叠加到全桥逆变器中MOSEFT管的控制端，来控制逆变器的移相角，从而改变电压幅值，产生M种幅值变换，经过发射线圈将能量与信号同时传递给接收线圈，通过电路将能量传递给负载，并利用电流霍尔传感器、解调电路与DSP对信号进行还原。本文提出的方法减小了系统的体积，没有DC
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DC调制电路，减少无源器件对系统的影响，提高了波特率。没有前置DC
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DC电路滤波，可以传递更高位宽的数据，进而提高信号传输速率，采取多进制幅移键控调制式，电能对信号不存在干扰，设计的解调电路与DSP结合应用，将接收端电压幅值波动控制在5％左右，尽可能减小波动对负载的影响。

技术介绍

[0003]1891年科学家尼古拉.特斯拉利用射频共振方式完成了无线电能传输。多年后，人们发现了微波式WPT技术，即通过卫星将采集到的太阳能转化为电能，再通过无线的方式将电能传输到地面。1975年，W.C.Brown和Richard Dickinson在一英里的距离内实现了输入功率450kW，输出功率30kW，频率为2.388GHz微波式无线电能传输。1987年，加拿大通信研究中心(CRC)的一个小组在海拔150多米的地方，通过10kW微波束将电能通过无线传输的方式输送到一架模型飞机上。二十世纪70年代以来，小功率无线电能传输成为了生物医学界关注的焦点，使无线电能传输技术有了实际的应用，植入式医疗器械无线充电可以避免患者在手术中所造成的伤害。该项技术于由二十世纪80年代日本国家研究院与Yaskawa电气公司联合提出，90年代，新西兰奥克兰大学J.T Boys团队对该项技术进一步研究，并设计了一种电动单轨铁路系统，该系统使用磁耦合感应式传输技术对电动车辆进行无线充电，并在旅游景点的载人缆车上实现了应用，较为详细的介绍了磁耦合感应式原理与结构。美国橡树岭国家实验室为了使电动汽车充电变得更加灵活方便，同时减少电动车的电池尺寸来降低电车自重，达到增加汽车续航的目的，对电动汽车动态无线充电进行研究，并设计了方形圆角线圈，分析了发射与接收线圈一对一与多对一的传输功率与效率，以及路面材料插入发射线圈对传输效率的影响。
[0004]WPT技术近些年发展迅速，在手机、医疗器械、电动汽车和移动机器人等领域具有十分诱人的广阔前景。随着WPT技术研究的深入，越来越多的设计者和使用者都开始关注系统的整体性能。在实际应用中，无线电能传输技术需要具备输出功率实时控制、原边与副边信号传输等功能，即无线能量与信号同步技术无线能量与信号同步传输构想是由A.Esser
等于1993年率先提出来的，基于独立的3个磁耦合结构将数据通信目标顺利实现。在此之后，各国学者逐渐开始了能量与信号同步传输的研究。1999年，日本横滨国立大学利用高频传递信号，低频传输能量的方式实现能信同传，应用在电池充电不限于电动汽车和任何电池驱动的移动机器人系统。佩鲁贾大学提出可以设计一种多谐振电路结构实现能信同传，并最终对具有一个功率交换波段和两个独立的数据传输波段的测试系统进行了仿真与实验，从而证明了该结构的有效性。韩国国民大学提出一种新的幅移键控发射机架构，通过改变E类功率放大器的漏极偏置实现能信同传的单通道传输方法。该方法系统结构简单，接收机架构不需要片上时钟和载波同步来解调数据，同时调制指数和占空比易于调整、系统传输效率恒定。频射通信方式通常采用单天线或多天线同步传输能量与信号，Junghoon Kim团队在传输方式上进行改进，基于联合波束形成和波形设计的信道自适应无线电能传输架构，改善了频射通信方式能量传输效率低的问题，同时可以在发射端进行信号处理时，进行能量传输。

技术实现思路

本专利技术是应用于无线电能传输系统的能量与信号同步传输，在电能传输过程中，需要具备输出功率实时控制、原边与副边信号传输等功能，来提高系统的整体性能，即无线能量与信号同步传输技术。能量与信号同步传输通常有两种方式，为分离通道方式和共享通道方式。分离通道传输方法是在能量传输通道基础上建立额外的信道。共享通道传输方法实质上是信号与能量共用一个传输通道，有载波调制式与能量调制式两类，前者是通过耦合变压器间接接入系统的发送端和接收端，完成信号的输入与提取；后者绝大部分是通过改变能量波形来完成信号的传输，如调幅调制式、调频调制式等，具有系统结构简单，避免了双通道传输技术中两通道之间交叉耦合等优点，但也存在一些不足：信号传输速率慢，输出电压波动等，针对以上不足，提出了一种基于移相全桥的多进制幅移键控调制能量与信号同步传输系统。整个系统包括直流源、移相全桥逆变器、SS型能量传输拓扑结构、负载、信号解调电路以及DSP芯片。本设计方案选用的直流开关电源模块，控制电路能够实现对华为电源模块输出电压的控制。通过DSP，对电压高频逆变进行控制，鉴于电源电路存在的或人为操作出现的一些不稳定因素，系统中包含过压保护、过流保护等电路设计。能量传输部分选取SS型能量传输拓扑结构，实验中补偿电容值约为40nF，发射线圈的自电感值约为282μH，接收线圈自电感值约为283μH，系统的谐振与工作频率为47.3kHz。通过DSP芯片，根据传输信号的不同，去控制移相全桥逆变器超前桥臂与滞后桥臂对应PWM的移相角，实现信号调制。解调电路中整流电路因为信号电压频率较高，二极管的反向恢复必须应在短时间内迅速完成，需采用超快恢复二极管。电压跟随器与差分放大器是通过运算放大器构成，选用的是友台半导体公司的LM2904，LM2904中包含两个独立的高增益运算放大器，差分输入电压、电流最高值分别是26V和50mA。包络检波电路中信号频率高，如果二极管工作频率达不到要求，可能会出现包络失真，需选取超快恢复整流二极管。保护电路中稳压管选择2.7V，实现3V的电压保护，通过的PNP型三极管和场效应管以及其他器件共同控制电压的导通和截至。
附图说明
图1是能量与信号同步传输系统结构图图2是移相全桥逆变器工作波形图图3是解调电路图
具体实施方式：
接下来将结合图1、图2和图3对本专利技术进行具体的说明。在图1中，主要由电压源、MOS管S1‑
S4(S1与S2为超前桥臂，S3、S4为滞后桥臂)与二极管D1‑
D4组成的全桥逆变电路、初级发射电路、次级接收电路以及负载R
L
组成。发射电路包括发射线圈L
p
和它的寄生电阻R
p
以及补偿电容C
p
，接收电路由两部分构成，即信号检测与能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于移相全桥的多进制幅移键控能量与信号同步传输方法，其特点在于所传输能量和所传递信息叠加到一起，改变移相全桥超前桥臂与滞后桥臂之间的移相角，就此逆变器输出电压产生多进制幅值变换，形成综合能量信息流，向副边传递，其中电能供给负载，信息通过设计的解调电路与DSP结合应用对信号进行解调，完成能量与信号同步传输。2.根据权利要求1所述的一种基于移相全桥的多进制幅移键控能量与信号同步传输方法，其特点在于应用移相全桥逆变器进行信号调制，没有DC
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DC调制电路，减少DC
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DC调制电路中无源器件对系统的影响，提高了系统自身波特率。3.根据权利要求1所述的一种基于移相全桥的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张欣，潘学彤，苏过林，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：