基于軌道式無接觸供電的能量信號耦合傳送系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及無線能量傳輸領域，尤其設及一種基于軌道式無接觸供電的能量信號 禪合傳送系統(tǒng)及方法。
【背景技術】
[0002] 在工業(yè)應用很多特殊場合或惡劣環(huán)境下，如礦區(qū)、水下、無塵、易燃易爆場合，傳統(tǒng) 接觸式供電方法會因為金屬觸點接觸產(chǎn)生火花造成危險或者因為電線連接而限制了設備 的移動范圍，因此無線能量傳輸供電提供了有效解決方案。常見應用為工業(yè)電動輸送、無塵 搬運、軌道交通運輸?shù)却蠊β试O備。工業(yè)柔性物流輸送系統(tǒng)是指工業(yè)自動化領域W合理的 成本水平采用合適的運輸方式在規(guī)定的時間和地點，高效、準確、靈活的完成物料和工件的 收集和配送的系統(tǒng)，系統(tǒng)搬運路線可W隨著生產(chǎn)工藝流程的調整而及時調整。隨著自動化 物流系統(tǒng)和自動化倉庫在中國乃至世界的發(fā)展，有軌載重導引小車(RGV)應用逐漸廣泛，它 可W十分方便地與其他物流系統(tǒng)實現(xiàn)自動連接，按照計劃進行物料的輸送，如出/入庫站 臺、各種緩沖站、輸送機、升降機和機器人等。傳統(tǒng)RGV供電方式主要由有滑觸線供電和蓄電 池供電?；|線供電方式容易引起電火花，同時在復雜的路徑規(guī)劃中極不方便;蓄電池供電 方式需要定期對蓄電池進行充放電維護，且蓄電池壽命有限。
[0003] 軌道無接觸供電系統(tǒng)(CPS)不僅需要電能的傳輸，而且還要利用電能傳輸通道進 行信號傳遞，比如傳遞RGV控制指令(前進、后退、升降等）、工作狀態(tài)信息(正常、故障）。目前 針對信號傳送工業(yè)上主要由巧巾方式，一種是采用WIFI等組成智能控制網(wǎng)絡，采用遙控器或 PLC終端進行指令傳送，另一種是通過軌道禪合傳送，采用能量和信號時分復用或頻分復用 原理對能量和通信進行解禪傳送。相關文獻雖實現(xiàn)了信號從電源側到負載側的信號傳遞， 但能量傳輸存在波動情況，導致取電側功率波動引起導軌小車運行速度和狀態(tài)受影響，同 時受開關頻率限制無法在大功率應用場合高速傳輸。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術問題在于針對現(xiàn)有技術中能量傳輸效果容易受影響，且無法 進行大功率高速傳輸?shù)娜毕?，提供一種傳輸實時性好、抗干擾性強的基于軌道式無接觸供 電的能量信號禪合傳送系統(tǒng)及方法。
[0005] 本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：
[0006] 本發(fā)明提供一種基于軌道式無接觸供電的能量信號禪合傳送系統(tǒng)，包括依次連接 的能量傳送電路、信號調制電路和軌道，還包括與軌道無接觸的多臺取電設備，每臺取電設 備均包括信號解調電路，其中：
[0007] 所述能量傳送電路與軌道相連，用于產(chǎn)生連續(xù)恒定電流給負載提供電能；
[000引所述信號調制電路與導軌相連，用于產(chǎn)生基帶信號，對其進行調制產(chǎn)生正弦激勵 載波信號，并將該信號禪合至導軌中；
[0009]所述取電設備與導軌無接觸取電，并通過信號解調電路對正弦激勵載波信號進行 解調，將其還原成基帶信號。
[0010] 進一步地，本發(fā)明的所述能量傳送電路采用原邊軌道恒流的LCL全橋諧振拓撲結 構。
[0011] 進一步地，本發(fā)明的所述信號調制電路包括PWM發(fā)生電路、諧振電路和信號禪合電 路。
[0012] 進一步地，本發(fā)明的所述信號調制電路采用半橋諧振變換器產(chǎn)生正弦信號作為正 弦激勵載波信號，通過2ASK/00K調制方式將載波信號禪合到軌道中。
[0013] 進一步地，本發(fā)明的所述信號調制電路能根據(jù)軌道的長度調節(jié)PWM占空比進而對 載波信號發(fā)射功率進行調節(jié)。
[0014] 進一步地，本發(fā)明的該系統(tǒng)還包括信號補償電路，用于補償信號中導軌的感抗，增 加信號的傳輸距離。
[0015] 進一步地，本發(fā)明的所述信號解調電路包括依次連接的諧振環(huán)路、帶通濾波器、信 號放大整形電路和信號控制器，采用信號包絡檢波法解調信號。
[0016] 本發(fā)明提供一種基于軌道式無接觸供電的能量信號禪合傳送方法，包括W下步 驟：
[0017] S1、搭建信號調制電路，包括HVM發(fā)生電路，諧振電路、信號禪合電路，產(chǎn)生基帶信 號后通過控制諧振式逆變器驅動電路使能端實現(xiàn)信號的調制；
[0018] S2、設置諧振電路的諧振頻率與PWM信號相同，并將信號諧振成與調制頻率相同的 正弦波，通過連接導軌兩端的信號禪合電路將該信號禪合入輸電導軌；
[0019] S3、搭建信號接收電路，包括信號諧振電路、信號濾波電路、信號放大電路、幅值檢 波電路和電壓比較電路;經(jīng)過信號放大電路及幅值檢波電路得到基帶信號的包絡線，并通 過電壓比較電路將其還原成基帶信號。
[0020] 進一步地，本發(fā)明的步驟S2的方法具體還包括:使用禪合電容與導軌自感產(chǎn)生諧 振，該諧振頻率同調制頻率相同，并通過隔離變壓器對強弱電進行電氣隔離。
[0021] 進一步地，本發(fā)明的步驟S3的方法具體還包括:使用W調制頻率為中屯、頻率的信 號濾波電路，并提高低通部分增強對能量信號的濾除能力。
[0022] 本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是:本發(fā)明的基于軌道式無接觸供電的能量信號禪合傳送 系統(tǒng)，通過半橋諧振變換器產(chǎn)生載波，能耗少，諧振變換器直流母線可調，使在不同應用下 可調整輸出電壓實現(xiàn)功耗最小化;產(chǎn)生的載波幅值可調，從而增加雜波信號強度增加抗干 擾性，采用諧振濾波及帶通濾波的多級濾波方式，有效減小能量信號及外界噪聲的干擾;改 進了電路結構和通信協(xié)議，降低了通信系統(tǒng)信道發(fā)生誤碼的幾率;另外，對不同的功能使用 模塊化設計，可在原有系統(tǒng)上加裝該裝置實現(xiàn)通信，減少了設備的制造成本。
【附圖說明】
[0023] 下面將結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中：
[0024] 圖1是本發(fā)明實施例的基于軌道式無接觸供電的能量信號禪合傳送系統(tǒng)的結構框 圖；
[0025] 圖2是本發(fā)明實施例的基于軌道式無接觸供電的能量信號禪合傳送系統(tǒng)的調制電 路結構示意圖；
[0026] 圖3是本發(fā)明實施例的基于軌道式無接觸供電的能量信號禪合傳送系統(tǒng)的解調電 路結構示意圖；
[0027] 圖4是本發(fā)明實施例的基于軌道式無接觸供電的能量信號禪合傳送方法的流程 圖；
[0028] 圖5是本發(fā)明實施例的基于軌道式無接觸供電的能量信號禪合傳送系統(tǒng)的解調過 程各階段波形；
[0029] 圖6是本發(fā)明實施例的基于軌道式無接觸供電的能量信號禪合傳送系統(tǒng)的多臺取 電器通信示意圖。
【具體實施方式】
[0030] 為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，W下結合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用W解釋本發(fā)明，并不 用于限定本發(fā)明。
[0031] 如圖1所示，本發(fā)明實施例的基于軌道式無接觸供電的能量信號禪合傳送系統(tǒng)，包 括依次連接的能量傳送電路、信號調制電路和軌道，還包括與軌道無接觸的多臺取電設備， 每臺取電設備均包括信號解調電路，其中：
[0032] 能量傳送電路與軌道相連，用于產(chǎn)生連續(xù)恒定電流給負載提供電能；
[0033] 信號調制電路與導軌相連，用于產(chǎn)生基帶信號，對其進行調制產(chǎn)生正弦激勵載波 信號，并將該信號禪合至導軌中；
[0034] 取電設備與導軌無接觸取電，并通過信號解調電路對正弦激勵載波信號進行解 調，將其還原成基帶信號。
[0035] 該系統(tǒng)采用能量信號禪合傳送系統(tǒng)結構，能量信號傳遞互不干擾，采用高頻隔離 變壓器有效濾除系統(tǒng)噪聲，將能量和信號通道隔離。能量傳送電路采用原邊軌道恒流的LCL 全橋諧振拓撲結構，該類拓撲可W對負載提供連續(xù)恒定電流，且具有優(yōu)良的濾波特性。
[0036] 信號調制電路包括PWM發(fā)生電路、諧振電路和信號禪合電路，并采用半橋諧振變換 器產(chǎn)生正弦信號作為正弦激勵載波信號，通過2ASK/00K調制方式將載波信號禪合到軌道 中。信號調制電路根據(jù)軌道的長度調節(jié)PWM占空比進而對載波信號發(fā)射功率進行調節(jié)。
[0037] 軌道信號傳送信道中噪聲主要為電力電子開關噪聲和能量傳輸頻率噪聲，在大功 率應用場合，開關管工作在幾十kHz，設計中選取能量傳輸頻率為25曲Z。信號通道載波頻率 的選取要遠離電源噪聲，同時也不應干擾環(huán)境中其他通信頻段的工作，采用的開關型半橋 式調制方案信號頻率主要由MOSFET決定，為了盡量減小誤碼率，因此設計中選定通信載波 頻率為400曲Z。
[0038] 系統(tǒng)還包括信號補償電路，用于補償信號中導軌的感抗，增加信號的傳輸距離。采 用隔離變壓器副邊加補償電容方式，實現(xiàn)感應禪合能量傳輸系統(tǒng)同載波通信系統(tǒng)的解禪， 補償導軌電感對載波信號產(chǎn)生的高阻抗。
[0039] 信號解調電路包括依次連接的諧振環(huán)路、帶通濾波器、信號放大整形電路和信號 控制器，采用信號包絡檢波法解調信號。
[0040] 在本發(fā)明的另一個實施例中，該系統(tǒng)包括能量傳送電路、軌道、信號調制電路、信 號解調電路。其中，如圖1所示，由6扣心。、51-54心1心2八誨組成的能量傳輸通道，電感1^:1 和電容Cf在系統(tǒng)開關頻率處發(fā)生并聯(lián)諧振，在直流母線電壓Edc保持不變的情況下，IXL拓撲 具有濾波和保持電流Is恒定不變的性能。根據(jù)拓撲原理及諧振補償原理，滿足公式(1)時有 輸入阻抗Zin = O，且符合(PS系統(tǒng)的各種諧振條件。
(1)
[0042] 其中，Lf 1為逆變側電感，Lf2為軌道側電感，Cf為原邊諧振電容，IS為軌道電流，Ui為 逆變橋端口電壓，《能量傳輸頻率。
[0043] 傳統(tǒng)載波調制電路采用功放電路進行設計，運種方式發(fā)射功率有限，無法在長導 軌傳輸中應用，本發(fā)明采用電力電子開關型半橋諧振逆變器產(chǎn)生正弦信號作為載波信號， 可W根據(jù)導軌距離調節(jié)Pmi占空比任意控制發(fā)射功率。如圖1所示，其中Us、Cl、C2、Tl、T2、 Lp、Cp組成的信號傳輸通道中，電感Lp和電容Cp在系統(tǒng)開關頻率處發(fā)生串聯(lián)諧振，諧振放大 信號作為載波調制信號在軌道上傳輸，信號傳輸通道需滿足公式(2)要求。
(2)
[0045] 其中，Lp為信號調制諧振