一種感應(yīng)耦合式能量與信號(hào)同步傳輸系統(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種感應(yīng)耦合式能量與信號(hào)同步傳輸系統(tǒng)及其控制方法，屬于能量與 信號(hào)同步傳輸領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 感應(yīng)耦合電能傳輸技術(shù)作為一種新型的電能非接觸傳輸技術(shù)，避免了傳統(tǒng)導(dǎo)線直 接接觸傳輸中存在的磨損、火花、不美觀等缺點(diǎn)，在移動(dòng)電氣設(shè)備、內(nèi)植式醫(yī)療電子系統(tǒng)、便 攜式電子產(chǎn)品及易燃易爆等特殊環(huán)境下電氣設(shè)備的供電方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003] 然而在實(shí)際應(yīng)用中，不僅要求電能的非接觸傳輸，同時(shí)還要求信號(hào)的同步傳遞。 對(duì)于電能和信號(hào)的非接觸傳輸，目前主要有以下三種方式：（1)增加獨(dú)立的信號(hào)傳輸通道； (2)通過在主電路上增設(shè)開關(guān)器件將信號(hào)加載到系統(tǒng)中，改變直流輸入的幅值大小，進(jìn)行調(diào) 幅調(diào)制；(3)對(duì)逆變器采用軟開關(guān)控制模式，在電流過零點(diǎn)時(shí)切換開關(guān)管進(jìn)行傳輸信號(hào)的 調(diào)頻調(diào)制。
[0004] 方式（1)增大了傳輸機(jī)構(gòu)的體積和成本，在信號(hào)傳輸過程中受到電能傳輸干擾大 的問題始終存在；方式（2)對(duì)系統(tǒng)功率傳輸影響較大，一般適用于小功率，而且只能實(shí)現(xiàn)信 號(hào)從原邊向副邊傳輸；方式（3)雖然解決了只適用于小功率的問題，但當(dāng)原邊電壓幅值變 化較大時(shí)，信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性很差，且對(duì)載波信號(hào)頻率敏感，當(dāng)系統(tǒng)諧振頻率和載波信號(hào)頻 率不匹配時(shí)，系統(tǒng)的電能傳輸效率將會(huì)降低；另外，目前的研究大多著重于單一負(fù)載條件下 電能與信號(hào)同向同步傳輸，對(duì)于電能信號(hào)反向同步傳輸?shù)难芯肯鄬?duì)較少或不夠深入。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種感應(yīng)耦合式能量與信號(hào)同步傳輸系統(tǒng)及其控制方法，在 負(fù)載變化時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)電能與信號(hào)的反向同步傳輸。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種感應(yīng)耦合式能量與信號(hào)同步傳輸系統(tǒng)，包括感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)，還包括 設(shè)置在感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)副邊的信號(hào)調(diào)制機(jī)構(gòu)和設(shè)置在感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)原邊 的信號(hào)解調(diào)機(jī)構(gòu)，所述的信號(hào)調(diào)制機(jī)構(gòu)包括雙向開關(guān)、信號(hào)調(diào)制電容、電流檢測(cè)電路、電壓 檢測(cè)電路、處理器以及驅(qū)動(dòng)模塊，電流檢測(cè)電路和處理器用于判斷負(fù)載大小，驅(qū)動(dòng)模塊和雙 向開關(guān)用于切入和切出信號(hào)調(diào)制電容，所述的信號(hào)解調(diào)機(jī)構(gòu)用于信號(hào)的提取與復(fù)原。
[0008] -種感應(yīng)耦合式能量與信號(hào)同步傳輸系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟：
[0009] A、對(duì)于一個(gè)特定結(jié)構(gòu)和參數(shù)的感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)，對(duì)于不同的負(fù)載電阻，通 過理論分析和計(jì)算可分別得出在信號(hào)調(diào)制電容從系統(tǒng)中切入和切出情況下，原邊電流有效 值隨負(fù)載電阻變化的曲線，定義調(diào)制電容切入與切出情況下原邊電流有效值曲線交點(diǎn)對(duì)應(yīng) 的負(fù)載阻值為R。；
[0010] B、當(dāng)有負(fù)載需要供電時(shí)，根據(jù)負(fù)載大小，將檢測(cè)到的實(shí)際負(fù)載大小與R。比較，根據(jù) 比較結(jié)果，控制器處理需要傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)并選定相應(yīng)的信號(hào)調(diào)制策略來切入或切出信號(hào) 調(diào)制電容c。：
[0011] B1、若檢測(cè)到的負(fù)載&大小在（0~R。）內(nèi)，具體控制方法為：傳輸數(shù)字信號(hào)1時(shí)， 驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)雙向開關(guān)閉合，將C。切入，設(shè)此時(shí)原邊電流大小為I pa;傳輸數(shù)字信號(hào)0時(shí)，驅(qū) 動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)雙向開關(guān)斷開，將C。切出，設(shè)此時(shí)原邊電流大小為I pb，系統(tǒng)按照正常諧振狀態(tài) 工作，此時(shí)，Ipa>Ipb，產(chǎn)生深淺不同的電流包絡(luò)，電流的包絡(luò)特征即反應(yīng)傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)，信 號(hào)由副邊傳遞到原邊，對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，通過信號(hào)解調(diào)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)信號(hào)還原；
[0012] B2、若檢測(cè)到的負(fù)載&大小在（R。~+ 〇〇 )內(nèi)，具體控制方法為：傳輸數(shù)字信號(hào)1 時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)雙向開關(guān)斷開，將C。切出，設(shè)此時(shí)的原邊電流大小為I p。，系統(tǒng)處于諧振工 作狀態(tài)；傳輸數(shù)字信號(hào)〇時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)雙向開關(guān)閉合，將C。切入，設(shè)此時(shí)的原邊電流大 小為I pd，此時(shí)，Ip，Ipd，產(chǎn)生深淺不同的電流包絡(luò)，電流的包絡(luò)特征即反應(yīng)傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)， 信號(hào)由副邊傳遞到原邊，對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，通過信號(hào)解調(diào)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)信號(hào)還原。
[0013] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明基于反射阻抗原理，通過改變副邊電容值和負(fù)載大小，從 而改變?cè)呺娏鞯拇笮?，進(jìn)而形成不同的電流包絡(luò)；在負(fù)載變化的情況下，檢測(cè)判斷負(fù)載大 小，根據(jù)負(fù)載阻值大小，通過控制雙向開關(guān)將調(diào)制電容從系統(tǒng)中切入或切出，切入時(shí)的原邊 電流曲線和切出時(shí)的原邊電流曲線有一個(gè)交點(diǎn)，該交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的負(fù)載阻值大小設(shè)為私，根據(jù) 檢測(cè)到的負(fù)載阻值大小與Rc的關(guān)系，進(jìn)而選擇相應(yīng)信號(hào)調(diào)制策略，能夠在系統(tǒng)負(fù)載變化條 件情況下，實(shí)現(xiàn)能量與信號(hào)的同步傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。
[0015] 圖2是特定結(jié)構(gòu)和參數(shù)的感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)原邊電流大小隨負(fù)載變化曲線 圖。
[0016] 圖3是本發(fā)明的控制方法流程圖。
[0017] 圖4是Rt< R。情況下的原邊電流包絡(luò)圖。
[0018] 圖5是Rt< R。情況下的原邊電流包絡(luò)圖。
[0019] 圖6是雙向開關(guān)結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0021] -種感應(yīng)耦合式能量與信號(hào)同步傳輸系統(tǒng)，包括感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)，還包括 設(shè)置在感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)副邊的信號(hào)調(diào)制機(jī)構(gòu)和設(shè)置在感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)原邊 的信號(hào)解調(diào)機(jī)構(gòu)，所述的信號(hào)調(diào)制機(jī)構(gòu)包括雙向開關(guān)、信號(hào)調(diào)制電容、電流檢測(cè)電路、電壓 檢測(cè)電路、處理器以及驅(qū)動(dòng)模塊，電流檢測(cè)電路和處理器用于判斷負(fù)載大小，驅(qū)動(dòng)模塊和雙 向開關(guān)用于切入和切出信號(hào)調(diào)制電容，所述的信號(hào)解調(diào)機(jī)構(gòu)用于信號(hào)的提取與復(fù)原。
[0022] 所述的信號(hào)解調(diào)機(jī)構(gòu)采用兩路不同參數(shù)設(shè)計(jì)的信號(hào)解調(diào)器和一個(gè)比較器，通過信 號(hào)解調(diào)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的提取與復(fù)原。
[0023] 如圖1所示的一種感應(yīng)耦合式電能與信號(hào)反向同步傳輸系統(tǒng)，包括感應(yīng)耦合電能 傳輸部分1、信號(hào)調(diào)制部分2和信號(hào)解調(diào)部分3。信號(hào)調(diào)制電容4、雙向開關(guān)5、可變負(fù)載6、 電流檢測(cè)電路7、電壓檢測(cè)電路8、控制器9、數(shù)字信號(hào)10以及驅(qū)動(dòng)模塊11組成了信號(hào)調(diào)制 部分，電流檢測(cè)電路和控制器用于判斷負(fù)載大小，驅(qū)動(dòng)模塊和雙向開關(guān)用于切入或切出信 號(hào)調(diào)制電容，所述的信號(hào)解調(diào)機(jī)構(gòu)用于信號(hào)的提取與復(fù)原，圖6是雙向開關(guān)5的結(jié)構(gòu)圖。
[0024] 對(duì)于一個(gè)特定結(jié)構(gòu)和參數(shù)的感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)，根據(jù)反射阻抗原理，計(jì)算信 號(hào)調(diào)制電容C。從系統(tǒng)中切入與切出情況下原邊電流大小。其計(jì)算過程如下：
[0025] (1)當(dāng)信號(hào)調(diào)制電容C。從系統(tǒng)中切出時(shí)，求得該系統(tǒng)總阻抗為
[0027] 式中，Ll是原邊發(fā)射線圈電感、Cl是原邊原邊諧振補(bǔ)償電容、L2是原副邊線圈互 感、C2是副邊諧振補(bǔ)償電容、RL是可變負(fù)載。
[0028] 從而原邊電流大小表達(dá)式為
[0030] (2)當(dāng)信號(hào)調(diào)制電容C。從系統(tǒng)中