專利名稱：一種磁場跟蹤伺服機構控制系統及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及到電磁感應與能量傳輸技術，具體地說，是一種無線能量傳輸系統中 的磁場跟蹤伺服機構控制系統及其控制方法。
背景技術：
基于電磁感應原理的無線能量傳導，其傳輸能力主要是由拾取線圈與磁場的感應 耦合面的有效面積(即感應線圈面與磁力線的等效垂直面)決定，由于磁場的空間傳播特 性以及強衰變特征，致使感應線圈與磁場的相對空間距離和方位受到非常嚴格的限制，特 別是當拾取線圈的感應面和磁力線法平面出現較大的角度偏差時，感應耦合效率會大大降 低，使得能量感應和傳輸效率受到非常大的影響。因此基于電磁感應耦合技術的感應電能 傳輸系統對于能量拾取機構與能量發(fā)射磁場源的相對位置關系有著嚴格的限制，這就要求 受電設備必須與源磁場保持一種緊密的空間關系。目前的無線能量傳輸系統其拾取機構接入磁場的方式一般來說分為兩種一種是 點對點拾取方式(通常叫做可分離變壓器)，中國發(fā)明專利2006404241 . 9公開的一種感應 耦合式無線電能傳輸裝置便是采用這種方式，該方式主要針對受電設備的定點供電，設備 的位置比較固定；第二種是基于固定電流導軌的貼近可滑動方式，該方式主要針對具有固 定移動軌跡的移動供電，供電設備必須處在固定的移動軌跡上才能正常供電。現有技術的缺點是拾取機構的空間位置與方位相對固定，其拾取機構或者受電 設備的移動靈活性差。提升無線電能傳輸系統拾取機構的空間方位的靈活性且又能保證最 大能量拾取與傳輸，是無線電能傳輸系統研究的一個重要課題。關于提升拾取機構的多自 由度拾取能力方面的研究，目前尚未見有報道。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提出一種用于非接觸式能量傳輸系統的磁場跟蹤伺服機構控制 系統及其控制方法，具有磁場跟蹤能力，既要保證次級能量拾取機構在磁場空間拾取能量 時控制的靈活性，又要實現最大能量拾取與傳輸。為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種磁場跟蹤伺服機構控制系統，包括磁場跟蹤 伺服機構、能量轉換電路以及負載電路，其關鍵在于所述磁場跟蹤伺服機構中設置有拾取 線圈、第一電機以及第二電機，所述拾取線圈的輸出端與所述能量轉換電路的輸入端連接， 該能量轉換電路的輸出端為所述負載電路供電，在所述能量轉換電路上還連接有檢測電 路，該檢測電路的輸出端連接有控制器，該控制器的第一輸出端連接所述第一電機，該控制 器的第二輸出端連接所述第二電機，所述控制器根據所述檢測電路的檢測結果控制所述第 一電機和第二電機的轉動角度從而實現所述拾取線圈的最大能量獲取。磁場跟蹤伺服機構中的拾取線圈獲取的能量經過能量轉換電路進行轉換，從而為 負載電路供電，在能量轉換電路上連接檢測電路來檢測拾取線圈獲取能量的具體情況，檢 測電路將檢測的結果反饋到控制器中，控制器根據檢測結果的動態(tài)變化情況來控制第一電機和第二電機的轉動角度，從而實現所述拾取線圈的最大能量獲取。為了通過第一電機和第二電機的轉動來控制拾取線圈的方向，在磁場跟蹤伺服機 構中設置有外圈和內圈，外圈和內圈均為非金屬圓環(huán)，其中外圈固套在所述第一電機的轉 軸上，該第一電機轉軸的中心線和外圈的圓心連接形成直線AB，在外圈的圈壁上固定所述 第二電機的機身，該第二電機的轉軸朝向所述外圈的圓心，所述第二電機轉軸的中心線和 外圈的圓心連接形成直線CD，所述直線AB與直線CD相互垂直，在所述第二電機的轉軸上固 套所述內圈，在該內圈的內壁上繞制所述拾取線圈，所述第一電機帶動所述外圈沿直線AB 轉動，所述第二電機帶動所述內圈沿直線CD轉動，從而實現所述拾取線圈在三維空間內自 由旋轉。根據拾取線圈方向改變所反饋回來的能量拾取情況可以判定出拾取線圈在何時可 以獲得最大功率傳輸，通過第一電機和第二電機的配合來調整拾取線圈的轉動角度，最終 實現拾取線圈最大的能量獲取。所述控制器的具體控制方法如下
第1步所述控制器通過所述第二輸出端輸出第一控制信號 盧到第二電機，所述第一控制信號於用于控制所述第二電機帶動所述內圈旋轉，旋轉角度 為β ；
第2步所述控制器通過所述檢測電路判斷能量轉換電路中獲取的能量是否處于極大 功率點；
如果所述能量轉換電路中獲取的能量不處于極大功率點，所述控制器則返回第1步繼 續(xù)調節(jié)第二電機；
如果能量轉換電路中獲取的能量處于極大功率點，所述控制器則進入第3步調節(jié)第一 電機；
第3步當調節(jié)第二電機使得能量轉換電路中獲取的能量處于極大功率點時，所述控 制器通過所述檢測電路再判斷能量轉換電路中獲取的能量是否處于最大功率點；
如果能量轉換電路中獲取的能量不處于最大功率點，所述控制器則通過第一輸出端 口輸出第二控制信號《到第一電機，所述第二控制信號用于控制所述第一電機帶動所述 外圈旋轉，旋轉角度為《 ；
當第一電機轉動《之后，所述控制器返回第1步繼續(xù)調節(jié)第二電機； 如果能量轉換電路中獲取的能量處于最大功率點，所述控制器則結束對第一電機和第 二電機的控制?？刂破魍ㄟ^判斷檢測電路的檢測結果來控制第一電機和第二電機的轉動，具體的 控制方式通過控制器內部軟件編程實現。首先控制器控制第二電機按照固定轉角於逐步旋 轉，該第二電機帶動內圈及其內圈上繞制的拾取線圈轉動，通過檢測電路的檢測結果從而 找到拾取線圈拾取能量的極大功率點所處的位置；接著判斷拾取線圈的朝向是否能夠獲取 最大功率，如果不能獲取最大功率，控制器則控制第一電機旋轉，轉動的角度為《，當第一 電機轉動G后，外圈和內圈以及內圈上繞制的拾取線圈的朝向都會發(fā)生改變，通過檢測電 路的結果再次調節(jié)第二電機，通過反復調節(jié)第一電機和第二電機，使得拾取線圈的朝向逐 步向最大功率點所處的方向靠近，并最終調節(jié)到最大功率點所處的方向上。本發(fā)明的顯著效果是磁場跟蹤伺服機構中的拾取線圈可以在三維空間內自由旋轉，拾取機構的空間靈活性較高，通過能量檢測來控制第一電機和第二電機的轉動角度，使 得拾取線圈最終保持在最大功率點所處的方向上，保證了無線能量傳輸系統中的最大能量 拾取與傳輸，實現的結構簡單，控制方便，成本也比較低廉，具有非常廣泛的應用前景。
圖1是本發(fā)明的原理框圖2是圖1中磁場跟蹤伺服機構1的結構示意圖； 圖3是圖1中控制器5的工作流程圖； 圖4是本發(fā)明具體實施例的結構示意圖； 圖5為三維空間直角坐標系。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。如圖1所示，一種磁場跟蹤伺服機構控制系統，包括磁場跟蹤伺服機構1、能量轉 換電路2以及負載電路3，所述磁場跟蹤伺服機構1中設置有拾取線圈11、第一電機12以 及第二電機13，所述拾取線圈11的輸出端與所述能量轉換電路2的輸入端連接，該能量轉 換電路2的輸出端為所述負載電路3供電，在所述能量轉換電路2上還連接有檢測電路4， 該檢測電路4的輸出端連接有控制器5，該控制器5的第一輸出端連接所述第一電機12，該 控制器5的第二輸出端連接所述第二電機13，所述控制器5根據所述檢測電路4的檢測結 果控制所述第一電機12和第二電機13的轉動角度從而實現所述拾取線圈11的最大能量 獲取。如圖2所示，所述磁場跟蹤伺服機構1中還設置有外圈14和內圈15，所述外圈14 和內圈15均為非金屬圓環(huán)，其中外圈14固套在所述第一電機12的轉軸上，該第一電機12 轉軸的中心線和外圈14的圓心連接形成直線AB，在外圈14的圈壁上固定所述第二電機13 的機身，該第二電機13的轉軸朝向所述外圈14的圓心，所述第二電機13轉軸的中心線和 外圈14的圓心連接形成直線⑶，所述直線AB與直線⑶相互垂直，在所述第二電機13的轉 軸上固套所述內圈15，在該內圈15的內壁上繞制所述拾取線圈11，所述第一電機12帶動 所述外圈14沿直線AB轉動，所述第二電機13帶動所述內圈15沿直線CD轉動，從而實現 所述拾取線圈11在三維空間內自由旋轉。為了固定外圈14和內圈15，所述磁場跟蹤伺服機構1中還設置了定位基座16，該 定位基座16上設置有一個圓弧形的支撐架，在該圓弧形支撐架的一端安裝所述第一電機 12，在該圓弧形支撐架的另一端還設置有定位支柱17，所述第一電機12的轉軸與所述定位 支柱17相對設置，均朝向所述轉軸與定位支柱17連線的中心。所述外圈14與所述圓弧形 的支撐架是同心圓，并且所述外圈14的外徑小于圓弧形的支撐架的內徑，外圈14固套在第 一電機12的轉軸和定位支柱17上，并且可以通過第一電機12帶動外圈14沿直線AB旋轉， 而外圈14上的第二電機13則帶動內圈15沿直線⑶旋轉。如圖3所示，為了快速準確地確定拾取線圈11的位置和方向，所述控制器5按照 以下步驟進行控制
第1步控制器5通過所述第二輸出端輸出第一控制信號於到第二電機13，所述第一控制信號A用于控制所述第二電機13帶動所述內圈15旋轉，其旋轉角度為於；
第2步所述控制器5通過所述檢測電路4判斷所述能量轉換電路2中獲取的能量是 否處于極大功率點；
如果所述能量轉換電路2中獲取的能量不處于極大功率點，所述控制器5則返回第1 步繼續(xù)調節(jié)第二電機13;
如果所述能量轉換電路2中獲取的能量處于極大功率點，所述控制器5則進入第3步 調節(jié)第一電機12;
第3步當調節(jié)第二電機13使得能量轉換電路2中獲取的能量處于極大功率點時，所 述控制器5通過所述檢測電路4再判斷能量轉換電路2中獲取的能量是否處于最大功率點。
如果能量轉換電路2中獲取的能量不處于最大功率點，所述控制器5則通過所述第一 輸出端口輸出第二控制信號G到第一電機12，所述第二控制信號α用于控制所述第一電 機12帶動所述外圈14旋轉，旋轉角度為
當第一電機轉動Λ Z后，所述控制器5返回第1步繼續(xù)調節(jié)第二電機13 ； 如果所述能量轉換電路2中獲取的能量處于最大功率點，所述控制器5則結束對第一 電機12和第二電機13的控制。所謂的極大功率點和最大功率點是指隨著內圈15的角度增加，轉換電路(2)中獲 取的能量將呈現先增加后減小的規(guī)律，中間的轉折點即為極大功率點，對應的角度即為系 統的一個極大功率點的角度，設轉折點出現在第 步掃描上，則對應的極大功率角為；
因此掃描定位的過程應該是在外圈14每旋轉一個《時，我們都需要將內圈15的角度 由零開始增大，直到出現轉折點為止，記錄下轉折點的角度值(即當前外圈角度的極大功率 點角度 A )，然后復位內圈15的角度至零，調整外圈14的角度，之后重復內圈15的角度掃 描程序，尋找新的極大功率點；隨著外圈15的角度增大，極大功率點對應的功率也會呈現 先增加后減小的過程，假設在第η步掃描外圈15的角度時出現中間轉折點，其對應的角度 為《α及《於則為最大功率點的位置。掃描過程在掃描出最大功率點位置時結束。當檢測 到負載波動或者參數變化等引起拾取功率變化超過設定閾值(如士5%)時，重新執(zhí)行最大功 率點掃描程序，定位新的功率傳輸點。為了節(jié)省控制時間和降低控制難度，我們將Of和β的取值范圍設置在2 8度，在 這里優(yōu)選5度，既外圈14內圈15每一步轉動角度為5度。下面以智能藥丸為例對本發(fā)明的工作原理及具體應用做進一步描述
如圖4所示，在智能藥丸中，磁場跟蹤伺服機構1通過定位基座16固定在智能藥丸的 一端，智能藥丸的另一端安裝能量轉換電路2和負載電路3，所述智能藥丸中的負載電路3 具有一定的醫(yī)療探測作用，當患者吞食下該智能藥丸后，需要通過體外的醫(yī)療裝置產生磁 場來為體內的負載電路提供能量，由于患者體內的藥丸會自由的游動，拾取線圈11的方向 不能確定，所以需要通過一個控制系統來控制磁場跟蹤伺服機構1中的拾取線圈11。如圖5所示，以三維直角坐標系Ο-xyz來表示磁場空間，外圈14和內圈15的參考 位置定義為xoy平面，直線AB與y軸平行，直線CD以χ軸平行，旋轉的方向如圖中箭頭所 示，假設空間中有任意磁場0Ε，則磁場跟蹤伺服機構1就要通過第一電機12和第二電機13來調整外圈14和內圈15的角度，使得內圈15上的拾取線圈11與磁場方向垂直，從而實現 最大的能量拾取。本發(fā)明所提及的磁場跟蹤伺服機構控制系統及其控制方法是通過檢測能量轉換 電路2中獲取能量的變化情況來確定出拾取線圈11的最大能量獲取點，通過所述檢測電路 4檢測拾取線圈11所拾取的能量大小，并將檢測的結果反饋到控制器5中，控制器5根據檢 測結果的動態(tài)變化情況來控制第一電機12和第二電機13的轉動，通過第一電機12和第二 電機13來帶動外圈14和內圈15旋轉，使得繞制在內圈15上的拾取線圈11能夠在三維空 間內自由旋轉，根據拾取線圈11方向改變所反饋回來的能量拾取情況可以判定出拾取線 圈11在何時可以獲得最大功率傳輸，通過調整拾取線圈11的轉動角度，最終實現拾取線圈 11最大的能量獲取，從而保證為所述負載電路3正常供電。盡管以上結構結合附圖對本發(fā)明優(yōu)選實施例進行了描述，但本發(fā)明不限于上述具 體實施方式，上述具體實施方式
僅僅是示意性的而不是限定性的，本領域的普通技術人員 在本發(fā)明的啟示下，在不違背本發(fā)明宗旨及權利要求的前提下，可以作出多種類似的表示， 比如更改內圈或外圈的形狀，將其設置為矩形框，內圈也可以設置為圓形或方形的繞線板， 還可以更改定位基座的結構或形狀等等，這樣的變換均落入本發(fā)明保護范圍之內。
權利要求
1.一種磁場跟蹤伺服機構控制系統，包括磁場跟蹤伺服機構(1)、能量轉換電路(2)以 及負載電路(3)，其特征在于所述磁場跟蹤伺服機構(1)中設置有拾取線圈(11)、第一電 機(12)以及第二電機(13)，所述拾取線圈(11)的輸出端與所述能量轉換電路(2)的輸入端 連接，該能量轉換電路(2)的輸出端為所述負載電路(3)供電，在所述能量轉換電路(2)上 還連接有檢測電路(4 )，該檢測電路(4 )的輸出端連接有控制器(5 )，該控制器(5 )的第一輸 出端連接所述第一電機(12)，該控制器(5)的第二輸出端連接所述第二電機(13)，所述控 制器(5)根據所述檢測電路(4)的檢測結果控制所述第一電機(12)和第二電機(13)的轉 動角度從而實現所述拾取線圈(11)的最大能量獲取。
2.根據權利要求1所述的一種磁場跟蹤伺服機構控制系統，其特征在于所述磁場跟 蹤伺服機構(1)中還設置有外圈(14)和內圈(15)，所述外圈(14)和內圈(15)均為非金屬 圓環(huán)，其中外圈(14)固套在所述第一電機(12)的轉軸上，該第一電機(12)轉軸的中心線和 外圈(14)的圓心連接形成直線AB，在外圈(14)的圈壁上固定所述第二電機(13)的機身， 該第二電機(13)的轉軸朝向所述外圈(14)的圓心，所述第二電機(13)轉軸的中心線和外 圈(14)的圓心連接形成直線⑶，所述直線AB與直線⑶相互垂直，在所述第二電機(13)的 轉軸上固套所述內圈(15)，在該內圈(15)的內壁上繞制所述拾取線圈(11)，所述第一電機 (12)帶動所述外圈(14)沿直線AB轉動，所述第二電機(13)帶動所述內圈(15)沿直線⑶ 轉動，從而實現所述拾取線圈(11)在三維空間內自由旋轉。
3.—種如權利要求1所述的磁場跟蹤伺服機構控制系統的控制方法，其特征在于所 述控制器(5)按照以下步驟進行控制第1步控制器(5)通過所述第二輸出端輸出第一控制信號 彥到第二電機(13)，所述第一控制信號C用于控制所述第二電機(13)帶動所述內圈(15) 旋轉，其旋轉角度為盧；第2步所述控制器(5 )通過所述檢測電路(4 )判斷所述能量轉換電路(2 )中獲取的能 量是否處于極大功率點；如果所述能量轉換電路(2)中獲取的能量不處于極大功率點，所述控制器(5)則返回 第1步繼續(xù)調節(jié)第二電機(13);如果所述能量轉換電路(2)中獲取的能量處于極大功率點，所述控制器(5)則進入第3 步調節(jié)第一電機(12);第3步當調節(jié)第二電機(13)使得能量轉換電路(2)中獲取的能量處于極大功率點時， 所述控制器(5 )通過所述檢測電路(4 )再判斷能量轉換電路(2 )中獲取的能量是否處于最 大功率點；如果能量轉換電路(2)中獲取的能量不處于最大功率點，所述控制器(5)則通過所述 第一輸出端口輸出第二控制信號《到第一電機(12)，所述第二控制信號《用于控制所述 第一電機(12 )帶動所述外圈(14 )旋轉，旋轉角度力當第一電機轉動Z后，所述控制器(5)返回第1步繼續(xù)調節(jié)第二電機(13)； 如果所述能量轉換電路(2)中獲取的能量處于最大功率點，所述控制器(5)則結束對 第一電機(12)和第二電機(13)的控制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磁場跟蹤伺服機構控制系統及其控制方法，其系統包括磁場跟蹤伺服機構、能量轉換電路以及負載電路，磁場跟蹤伺服機構中設置有拾取線圈、第一電機以及第二電機，能量轉換電路上連接有檢測電路，該檢測電路的輸出端連接有控制器，控制器控制第一電機和第二電機的轉動，實現拾取線圈在三維空間內自由旋轉，其控制方法主要是通過檢測電路檢測能量轉換電路中能量獲取的情況來確定第一電機和第二電機的轉動角度，其顯著效果是拾取機構的空間靈活性較高，拾取線圈始終能保持在最大功率點所處的方向上，保證了無線能量傳輸系統中的最大能量拾取與傳輸，實現的結構簡單，控制方便，成本也比較低廉，具有非常廣泛的應用前景。
文檔編號H02J17/00GK102064615SQ201010572170
公開日2011年5月18日 申請日期2010年12月3日 優(yōu)先權日2010年12月3日
發(fā)明者唐春森, 孫躍, 戴欣, 王智慧, 蘇玉剛 申請人:重慶大學