多相位激勵(lì)-全空間拾取的無線傳能系統(tǒng)及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多相位激勵(lì)?全空間拾取的無線傳能系統(tǒng)及其控制方法，可在全空間中獲得高效穩(wěn)定的能量傳輸。該系統(tǒng)以三個(gè)工作模態(tài)及相位可調(diào)的逆變電源分別激勵(lì)相互正交的三個(gè)線圈，在理論上以互感耦合理論建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。通過對系統(tǒng)傳能效率與激勵(lì)電源工作模態(tài)及其相位的關(guān)系進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的最大傳能效率調(diào)控機(jī)制。結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助分析軟件，對負(fù)載線圈在不同位姿條件下系統(tǒng)的傳能效率進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明負(fù)載在隨機(jī)位姿狀態(tài)下系統(tǒng)均能獲得高效穩(wěn)定的傳能效率，證明了所設(shè)計(jì)的調(diào)控機(jī)制是簡易有效的。
【專利說明】
多相位激勵(lì)-全空間拾取的無線傳能系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及無線電能傳輸技術(shù)，具體的說，是一種多相位激勵(lì)-全空間拾取的無線 傳能系統(tǒng)及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展，人們對無線電能傳輸?shù)撵`活性要求越來越高。
[0003] 現(xiàn)有的無線電能傳輸系統(tǒng)大多采用電磁感應(yīng)原理，即設(shè)置兩個(gè)相互接近的發(fā)射線 圈和接收線圈，通過發(fā)射線圈和接收線圈之間的電磁耦合實(shí)現(xiàn)能量的無線傳輸。
[0004] 這樣的傳輸方式原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但是傳輸效率與傳輸距離和線圈方向密切 相關(guān)，距離越大，傳輸效率會急劇下降，而且對方向性的要求較高，導(dǎo)致系統(tǒng)的偏移度和靈 活性較差，從而極大地限制了其應(yīng)用范圍。因此，迫切需要一種適應(yīng)多方向的高效無線電能 傳輸系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對上述問題，本發(fā)明首先提出一種多相位激勵(lì)-全空間拾取的無線傳能系統(tǒng)，通 過改變耦合機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，提高無線電能傳輸系統(tǒng)的方向適應(yīng)能力，滿足任意方向的自 由拾取。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案如下：
[0007] 一種多相位激勵(lì)-全空間拾取的無線傳能系統(tǒng)，包括三路高頻交流電壓源、三個(gè)原 級諧振回路、負(fù)載諧振回路和負(fù)載，其關(guān)鍵在于，所述三個(gè)原級諧振回路中的發(fā)射線圈均為 利茲線繞制的單層平面線圈，三個(gè)發(fā)射線圈的參數(shù)均相同，所述三個(gè)發(fā)射線圈的中心重合 且在三維空間內(nèi)相互正交設(shè)置。
[0008] 通過上述結(jié)構(gòu)改進(jìn)，三個(gè)發(fā)射線圈的磁場可以形成全空間分布，接收線圈在任意 一個(gè)方向均能有效拾取能量，提高系統(tǒng)的自適應(yīng)能力。
[0009] 進(jìn)一步地，所述三個(gè)發(fā)射線圈采用直徑為2mm的利茲線繞制，內(nèi)半徑為l〇〇mm，0i間 距為10mm，阻數(shù)為10。
[0010] 進(jìn)一步地，所述負(fù)載諧振回路中的接收線圈與發(fā)射線圈的結(jié)構(gòu)和參數(shù)相同。
[0011]實(shí)施過程中，所述三路高頻交流電壓源由直流電源和高頻逆變電路轉(zhuǎn)換而得。
[0012] 基于上述結(jié)構(gòu)改進(jìn)，本發(fā)明還提出一種多相位激勵(lì)-全空間拾取的無線傳能系統(tǒng) 的控制方法，關(guān)鍵在于包括以下步驟：
[0013] 步驟1:開始，系統(tǒng)初始化，將三路高頻交流電壓源中的高頻逆變電路設(shè)為a、b、c三 種工作模態(tài)，初始狀態(tài)均工作在模態(tài)b且電源相位α和β初始值均為0,其中：
[0014] 模態(tài)a為開路狀態(tài)，當(dāng)?shù)趇 (i = 1，2，3)路高頻交流電壓源處于模態(tài)a時(shí)，對應(yīng)的第i 個(gè)發(fā)射線圈傳能因子h = 0,第i個(gè)發(fā)射線圈與負(fù)載線圈間的互感Mla = 0;
[0015] 模態(tài)b為逆變狀態(tài)，當(dāng)?shù)趇 (i = 1，2，3)路高頻交流電壓源處于模態(tài)b時(shí)，對應(yīng)的第i 個(gè)發(fā)射線圈傳能因子h=l，第i個(gè)發(fā)射線圈與負(fù)載線圈間存在互感Mla;
[0016] 模態(tài)c為短路狀態(tài)，當(dāng)?shù)趇 (i = 1，2，3)路高頻交流電壓源處于模態(tài)c時(shí)，對應(yīng)的第i 個(gè)發(fā)射線圈傳能因子lu = 0,第i個(gè)發(fā)射線圈與負(fù)載線圈間存在互感Mla;
[0017] 所述三路高頻交流電壓源為貧、氏、氏，?/。為有效值，且電源相位關(guān)系為：
[0019] 步驟2:檢測三個(gè)發(fā)射線圈的諧振電流&，人,并根據(jù)各路高頻交流電壓源的工作 模態(tài)以及電路系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算第i個(gè)發(fā)射線圈與拾取線圈之間的互感M la，以及優(yōu)化因子 ^min 5 ^inin ? ^miri ? ^min ? ^tnin J ^imn J ^min 9
[0020] 步驟3:判斷優(yōu)化因子/^n，Λ1，/H，中的最小值hmin，并按以 下規(guī)則進(jìn)行控制：
[0021] 規(guī)則Η1:若/?inin = /?】?，.則根據(jù)第一方案控制，若存在一個(gè)發(fā)射線圈傳能因子為0，則 按照下表控制：
[0023]若所有發(fā)射線圈傳能因子均為1，則按照下表控制：
[0025] 規(guī)則 Η2:
[0026] 若= 時(shí)，將第1個(gè)高頻交流電壓源工作于模態(tài)b，其余高頻交流電壓源工作于 模態(tài)a，電源相位不改變；
[0027] 若/^，將第2個(gè)高頻交流電壓源工作于模態(tài)b，其余高頻交流電壓源工作于 模態(tài)a，電源相位不改變；
[0028] 若= ，將第3個(gè)高頻交流電壓源工作于模態(tài)b，其余高頻交流電壓源工作于 模態(tài)a，電源相位不改變；
[0029] 規(guī)則 H3:
[0030] 若1 = 1時(shí)，第1個(gè)高頻交流電壓源工作于模態(tài)~其余高頻交流電壓源工作于模 態(tài)b，電源相位不改變；
[0031] 若^^^^時(shí)，第2個(gè)高頻交流電壓源工作于模態(tài)a，其余高頻交流電壓源工作于模 態(tài)b，電源相位不改變；
[0032] 若= 時(shí)，第3個(gè)高頻交流電壓源工作于模態(tài)a，其余高頻交流電壓源工作于模 態(tài)b，電源相位不改變；
[0033] 步驟4:判斷是否停機(jī)，如果是，則結(jié)束，否則進(jìn)入步驟5;
[0034] 步驟5:判斷是否存在模態(tài)a，如果有則將模態(tài)a切換為模態(tài)c后返回步驟2,否則直 接返回步驟2。
[0035] 進(jìn)一步地，按照以下方式計(jì)算優(yōu)化因子：
[0041 ]
:發(fā)射線圈電感內(nèi)阻值 為Ro,負(fù)載線圈電感內(nèi)阻值為^，負(fù)載阻值為R，諧振回路的諧振角頻率為ω;其它中間變量 為：
[0046]本發(fā)明的有益效果是：
[0047]本發(fā)明構(gòu)建的多相位激勵(lì)-全空間拾取的無線傳能系統(tǒng)及其控制方法，能夠保證 負(fù)載線圈在大范圍空間中以任意位姿移動時(shí)系統(tǒng)具有最大的傳能效率和穩(wěn)定的傳輸功率， 實(shí)現(xiàn)了能量拾取機(jī)構(gòu)有極高的自由度和靈活性。同時(shí)，此調(diào)控機(jī)制無需額外增加控制單元， 如:激勵(lì)電源的電壓、電流幅/頻控制器等，具有低成本、小體積等優(yōu)越性。因此，該系統(tǒng)更適 合應(yīng)用于對機(jī)動性、偏移度、成本和體積要求較苛刻的無線傳能領(lǐng)域，如：電動車、移動機(jī)器 人、辦公家電、人工輔助心臟等。
【附圖說明】
[0048]圖1是本發(fā)明的原理框圖；
[0049] 圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)等效電路模型圖；
[0050] 圖3是高頻交流電壓源的不同工作模態(tài)圖；
[0051]圖4是負(fù)載線圈的分布卦象圖；
[0052]圖5是本發(fā)明的控制方法流程圖；
[0053]圖6是線圈仿真模型圖；
[0054]圖7是線圈坐標(biāo)位置關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0055] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】以及工作原理作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0056] 如圖1所示，一種多相位激勵(lì)-全空間拾取的無線傳能系統(tǒng)，包括三路高頻交流電 壓源、三個(gè)原級諧振回路、負(fù)載諧振回路和負(fù)載，其特征在于，所述三個(gè)原級諧振回路中的 發(fā)射線圈均為利茲線繞制的單層平面線圈，三個(gè)發(fā)射線圈的參數(shù)均相同，所述三個(gè)發(fā)射線 圈的中心重合且在三維空間內(nèi)相互正交設(shè)置。
[0057]為了便于后續(xù)分析，使用1、2、3分別代表三個(gè)原級諧振回路，使用a代表負(fù)載諧振 回路，則系統(tǒng)的等效電路模型如圖2所示。
[0058]圖2中，1^、(：1、1?1、1^1和1|分別為各個(gè)諧振回路的電感、調(diào)諧電容、線圈內(nèi)阻、電源內(nèi) 阻和回路諧振電流，i取值為1、2、3或、(7:、1>3分別為驅(qū)動三個(gè)原級諧振回路的交流 電壓源，角頻率為ω且滿足式(2-1) ;Mla、M2a、M3a分別為各個(gè)原級諧振回路電感和負(fù)載諧振 回路電感之間的互感，R為負(fù)載電阻;箭頭方向定義為電流正方向。
[0060] 其中，ki取0或l，i = l、2、3,且不全為0，α和β為電源相位，取值范圍為(-jt，jt]。
[0061] 在多相位激勵(lì)-全空間拾取的無線傳能系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)三個(gè)原級諧振回路的電感值、 內(nèi)阻值相同，分別為L和Ro,并配置調(diào)諧電容使所有諧振回路的諧振角頻率與電源角頻率相 同，忽略三個(gè)電源內(nèi)阻，則根據(jù)互感耦合理論，可建立式(2-2)所示的矩陣方程。
[0069] 其中，f\( · )、f2( · )、f3( ·)為非線性映射算子，參數(shù)組{ω，Κ〇，Κ，Κ，1α，1?，1?，α， β，υ〇}是系統(tǒng)狀態(tài)，為確定的值，當(dāng)負(fù)載位置和姿態(tài)改變時(shí)，可根據(jù)實(shí)測的線圈電流求出三 個(gè)互感值。
[0070] 無線傳能系統(tǒng)的電能傳輸效率為：
[0072]式(2-3)代入式(2-5)，當(dāng)時(shí)，此條件在實(shí)際無線傳能系統(tǒng)中顯然成立，有：
[0075] 根據(jù)式(2-6)，系統(tǒng)傳能效率的優(yōu)化目標(biāo)為：
[0076] Min:h (2-7)
[0077] 若互感Mla、M2a、M3a連續(xù)，即不斷開線圈回路，則系統(tǒng)傳能效率的優(yōu)化目標(biāo)等價(jià)于：
[0078] Min:g (2-8)
[0079] 在無線傳能系統(tǒng)中，為了得到激勵(lì)線圈的高頻交流電流，大多是由直流電源和高 頻逆變電路轉(zhuǎn)換而得，如圖3所示的逆變電源，其中，V DC為直流電壓源，S:\S4為功率開關(guān) 管，Z為等效負(fù)載。
[0080] 從負(fù)載Z的角度，電源的工作模態(tài)分為開路、逆變和短路模態(tài)，如圖3所示，對于模 態(tài)a和c，在系統(tǒng)傳能效率式(2-1)中對應(yīng)的k值為0,且模態(tài)a對應(yīng)激勵(lì)線圈與負(fù)載線圈間的 互感為0,而模態(tài)(c)對應(yīng)的互感不為0。
[0081] 針對三個(gè)激勵(lì)電源不同的工作模態(tài)，對系統(tǒng)的傳能效率做如下分析。
[0082] A:均不工作于模態(tài)a
[0083] 在此工作模態(tài)條件下，優(yōu)化目標(biāo)為(2-8)，表達(dá)式g展開為
[0085]當(dāng)ki、k2、k3取不同組合值時(shí)，g有不同的最小值，分別為：
[0086] (1)有且僅有一個(gè)1^值為1;
[0087]令第i個(gè)激勵(lì)線圈的k值為1，此時(shí)，g的最小值為：
[0089] 其中，i = l、2、3。此時(shí)，電源相位α、β取值域中的任意值。
[0090] (2)有且僅有一個(gè)k值為0;
[0091]此條件下，電源相位α、β取值由不同的線圈互感決定，且g的最小值如表1所示。 [0092]表1互感分布與電源相位的關(guān)系(有且僅有一個(gè)k值為0)
[0094] (3)k 值全為 1;
[0095] 此條件下，g是連續(xù)的，其最小值條件等價(jià)于：
[0096] MaX:P=F+2[MlaM2aCOSa+MlaM3aCOS0+M2aM3aCOS0-a] (3-3)
[0097] 貝1J:
[0099]于是，p存在最值的必要條件為條件(3-5)中的任意一個(gè)。
[0103] 則，G = Y2_XZ，滿足：[0104] G = -4MlaM2aM3a[MlaCOSac0S0+M2aCOSac0S0-aM3aCOS0COS0-a] (3-7)[0105]
[0106] 根據(jù)p取得最大值的條件：
[0107] G〈0且X〈0 (3-8)
[0108]求得g的最小值為：
[0110] 且對應(yīng)的電源相位α、β與互感在卦象圖4中的分布關(guān)系應(yīng)滿足表2。
[0111] 表2互感分布與電源相位的關(guān)系(k值全為1)
[0112]
[0113] 根據(jù)上述分析結(jié)果，對于相同的線圈互感(對應(yīng)某一負(fù)載位姿狀態(tài)），激勵(lì)線圈的 參數(shù)k取不同值時(shí)對應(yīng)不同gmin，為了獲得最小的g值，需對條件(3-10)進(jìn)行處理。
[0114] MimgVn i = l,2,---,7 (3-10)
[0115] 此條件等價(jià)于：
[0119]相應(yīng)的最小h值為
[0121] B:工作于任意模態(tài)
[0122] 在此條件下，當(dāng)激勵(lì)線圈電流為零時(shí)，切換電源工作于模態(tài)a，即斷開線圈回路，優(yōu) 化目標(biāo)只能選擇(2-7)。
[0123] (1)有且僅有一個(gè)電源不工作于模態(tài)a
[0124] 令第1個(gè)電源不工作于模態(tài)a，此時(shí)，最小的h值為：
[0127] (2)有且僅有一個(gè)電源工作于模態(tài)a[0128] 令第L個(gè)電源工作于模態(tài)a，此時(shí)，最小的h值為
[0131] 根據(jù)上述分析結(jié)果，考慮電源能夠工作于任意模態(tài)，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電能的最大效 率傳輸，需對條件(3-15)進(jìn)行處理。
[0132] Min:h、in ? = 1，2，···，7 (3-15)
[0133] 此時(shí)，對應(yīng)的最小h值為
[0134] hmin = Max{h1min} (3-16)
[0135] 最大傳能效率為：
[0137] 于是，系統(tǒng)的參數(shù)&1，1?，1?，(1，0}可以按照以下方式進(jìn)行控制，具體如圖5所示 ：
[0138] 步驟1:開始，系統(tǒng)初始化，將三路高頻交流電壓源中的高頻逆變電路設(shè)為a、b、c三 種工作模態(tài)，初始狀態(tài)均工作在模態(tài)b且電源相位α和β初始值均為0,其中：
[0139] 模態(tài)a為開路狀態(tài)，當(dāng)?shù)趇 (i = 1，2，3)路高頻交流電壓源處于模態(tài)a時(shí)，對應(yīng)的第i 個(gè)發(fā)射線圈傳能因子lu = 0,第i個(gè)發(fā)射線圈與負(fù)載線圈間的互感Mla = 0;
[0140] 模態(tài)b為逆變狀態(tài)，當(dāng)?shù)趇 (i = 1，2，3)路高頻交流電壓源處于模態(tài)b時(shí)，對應(yīng)的第i 個(gè)發(fā)射線圈傳能因子lu=l，第i個(gè)發(fā)射線圈與負(fù)載線圈間存在互感Mla;
[0141 ]模態(tài)c為短路狀態(tài)，當(dāng)?shù)趇 (i = 1，2，3)路高頻交流電壓源處于模態(tài)c時(shí)，對應(yīng)的第i 個(gè)發(fā)射線圈傳能因子lu = 0,第i個(gè)發(fā)射線圈與負(fù)載線圈間存在互感Mla;
[0142]所述三路高頻交流電壓源為砍、氏、達(dá)，權(quán)。為有效值，且電源相位關(guān)系為：
[0144] 步驟2:檢測三個(gè)發(fā)射線圈的諧振電流/ρ/':，/5,并根據(jù)各路高頻交流電壓源的工作 模態(tài)以及電路系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算第i個(gè)發(fā)射線圈與拾取線圈之間的互感M la，以及優(yōu)化因子 /?'. , h1· , /?3· , /?4· , Λ5. , /?6. , /?7^ ;
[0145] 步驟3:判斷優(yōu)化因子ULdL，C, UH:中的最小值hmin，并按以 下規(guī)則進(jìn)行控制：
[0146] 規(guī)則H1:若/7_ = /?^，則根據(jù)第一方案控制，若存在一個(gè)發(fā)射線圈傳能因子為0,則 按照下表1控制，若所有發(fā)射線圈傳能因子均為1，則按照表2控制；
[0147] 規(guī)則 H2:
[0148] 若= ，將第1個(gè)高頻交流電壓源工作于模態(tài)b，其余高頻交流電壓源工作于 模態(tài)a，電源相位不改變；
[0149] 若^ = /^時(shí)，將第2個(gè)高頻交流電壓源工作于模態(tài)b，其余高頻交流電壓源工作于 模態(tài)a，電源相位不改變；
[0150] 若= ，將第3個(gè)高頻交流電壓源工作于模態(tài)b，其余高頻交流電壓源工作 于模態(tài)a，電源相位不改變；
[0151] 規(guī)則 H3:
[0152] 若/?mn = /^n時(shí)，第1個(gè)高頻交流電壓源工作于模態(tài)a，其余高頻交流電壓源工作于模 態(tài)b，電源相位不改變；
[0153] 若= .時(shí)，第2個(gè)高頻交流電壓源工作于模態(tài)a，其余高頻交流電壓源工作于 模態(tài)b，電源相位不改變；
[0154] 若/冗&時(shí)，第3個(gè)高頻交流電壓源工作于模態(tài)a，其余高頻交流電壓源工作于模 態(tài)b，電源相位不改變；
[0155] 步驟4:判斷是否停機(jī)，如果是，則結(jié)束，否則進(jìn)入步驟5;
[0156] 步驟5:判斷是否存在模態(tài)a，如果有則將模態(tài)a切換為模態(tài)c后返回步驟2,否則直 接返回步驟2。
[0157] 具體可以按照以下方式計(jì)算優(yōu)化因子：

[0163]
，F(xiàn)=Mla2+M 2a2+M3a2;發(fā)射線圈電感內(nèi)阻值為Ro，負(fù)載 線圈電感內(nèi)阻值為Ra，負(fù)載阻值為R，諧振回路的諧振角頻率為ω;其它中間變量為：
[0168] 為了驗(yàn)證上述系統(tǒng)模型及其調(diào)控機(jī)制的有效性，建立如圖6所示的C0MS0L仿真模 型，在模型中使用"電路"實(shí)現(xiàn)不同相位的激勵(lì)電源、使用"磁場"建立線圈耦合機(jī)構(gòu)，在本實(shí) 施例中，所述三個(gè)發(fā)射線圈采用直徑為2mm的利茲線繞制，內(nèi)半徑為100mm，匝間距為10mm， 匝數(shù)為10,且所述負(fù)載諧振回路中的接收線圈與發(fā)射線圈的結(jié)構(gòu)和參數(shù)相同。各個(gè)線圈之 間的相對位置示意圖如圖7所示，其中線圈1、2、3在坐標(biāo)系{A}中，線圈所在平面分別為Χ0Υ、 Χ0Ζ、Υ0Ζ且位置固定;線圈a在坐標(biāo)系{B}中，所在平面為X'O'Y'且可分別繞乂'、￥'、2'軸旋轉(zhuǎn) 弧度γ 1;兩個(gè)坐標(biāo)系的位置關(guān)系為"坐標(biāo)系{Α}沿Ζ軸平移d，再沿Υ軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)弧度 Θ，最后沿Z軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)弧度供，變換為坐標(biāo)系{B}"，即坐標(biāo)系{B}的原點(diǎn)位于以0為球心、d 為半徑的球面上。
[0169] 在建立的仿真模型中，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的諧振頻率為500kHz，球半徑為0.4m，研究負(fù)載線 圈a分布于不同位置且具有不同姿態(tài)時(shí)系統(tǒng)的調(diào)控機(jī)制和傳能效率。
[0170] (1)位于球面的切平面上
[0171] 對參數(shù)組{氏供}利用隨機(jī)抽樣法在區(qū)間（-m]內(nèi)任意選取20組參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測 試結(jié)果如表3所示，其中"一-"表示相位可以取值域(-π,π]中的任意值(下同），為了便于實(shí) 際調(diào)控，取為負(fù)載位姿前一狀態(tài)對應(yīng)的相位值。
[0172] 表3實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果(負(fù)載線圈位于球面的切平面上）
[0175] 從表3可以看出，根據(jù)前述調(diào)控機(jī)制對激勵(lì)電源工作模態(tài)及其相位進(jìn)行調(diào)控，可以 保證當(dāng)負(fù)載在整個(gè)球面區(qū)域內(nèi)隨機(jī)移動時(shí)系統(tǒng)獲得較穩(wěn)定并且較高的傳能效率。
[0176] (2)位于球面且線圈隨機(jī)旋轉(zhuǎn)
[0177] 為了進(jìn)一步檢驗(yàn)負(fù)載在空間中移動的自由度，在表3中隨機(jī)取5個(gè)參數(shù)組丨A pH直， 并針對每一個(gè)參數(shù)組利用隨機(jī)抽樣法在坐標(biāo)系{B}中取負(fù)載線圈的5組參數(shù){~，&，丫：丨進(jìn) 行實(shí)驗(yàn)，參數(shù)值的取樣區(qū)間為(_\幻，測試結(jié)果如表4~表8所示，其中，"C1"表示β-α = 0，" C2"表示β-α=±3?(下同），在實(shí)際調(diào)控中，固定其中任意一個(gè)相位，僅調(diào)控另一個(gè)相位。
[0178] 表4實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果(第5個(gè)參數(shù)組）
[0188] 從表4~表8可以看出，當(dāng)負(fù)載線圈在球面上隨機(jī)移動或隨機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過對激勵(lì) 電源工作模態(tài)及其相位進(jìn)行調(diào)控，可以保證系統(tǒng)獲得較穩(wěn)定并且較高的傳能效率。
[0189] (3)以隨機(jī)姿態(tài)分布于球內(nèi)的隨機(jī)位置
[0190] 當(dāng)負(fù)載線圈在球內(nèi)隨機(jī)移動和旋轉(zhuǎn)時(shí)，利用隨機(jī)抽樣法任意選取20組參數(shù)進(jìn)行實(shí) 驗(yàn)，d的抽樣區(qū)間為[0.2,0.4]、弧度的抽樣區(qū)間為(-^]，測試結(jié)果如表9所示。
[0191] 表9實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果(負(fù)載線圈以隨機(jī)姿態(tài)分布于球內(nèi)的隨機(jī)位置）
[0192]
[0193] 表9顯示，無論負(fù)載線圈在整個(gè)全球空間中如何移動和旋轉(zhuǎn)，通過對激勵(lì)電源工作 模態(tài)及其相位進(jìn)行調(diào)控，仍然能夠保證系統(tǒng)獲得較穩(wěn)定并且較高的傳能效率。表中傳能效 率因?yàn)閭鬏斁嚯x的變化而出現(xiàn)較大的波動，而在實(shí)際系統(tǒng)中，負(fù)載線圈的位姿不存在突變 的狀態(tài)，相應(yīng)的系統(tǒng)傳能效率則連續(xù)變化，負(fù)載拾取的能量亦連續(xù)穩(wěn)定。
[0194] 綜上所述，本發(fā)明構(gòu)建的新型調(diào)控機(jī)制能夠保證負(fù)載線圈在大范圍空間中以任意 位姿移動時(shí)系統(tǒng)具有最大的傳能效率和穩(wěn)定的傳輸功率，從而實(shí)現(xiàn)能量拾取機(jī)構(gòu)有極高的 自由度和靈活性。同時(shí)，此調(diào)控機(jī)制無需額外增加控制單元，如:激勵(lì)電源的電壓、電流幅/ 頻控制器等，具有低成本、小體積等優(yōu)越性。因此，本文構(gòu)建的多相位激勵(lì)-全空間拾取的無 線傳能系統(tǒng)更適合應(yīng)用于對機(jī)動性、偏移度、成本和體積要求較苛刻的無線傳能領(lǐng)域，如： 電動車、移動機(jī)器人、辦公家電、人工輔助心臟等無線充供電領(lǐng)域。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多相位激勵(lì)-全空間拾取的無線傳能系統(tǒng)，包括三路高頻交流電壓源、三個(gè)原級 諧振回路、負(fù)載諧振回路和負(fù)載，其特征在于，所述三個(gè)原級諧振回路中的發(fā)射線圈均為利 茲線繞制的單層平面線圈，三個(gè)發(fā)射線圈的參數(shù)均相同，所述三個(gè)發(fā)射線圈的中心重合且 在三維空間內(nèi)相互正交設(shè)置。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多相位激勵(lì)-全空間拾取的無線傳能系統(tǒng)，其特征在于:所述 三個(gè)發(fā)射線圈采用直徑為2mm的利茲線繞制，內(nèi)半徑為100mm，匝間距為10mm，匝數(shù)為10。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多相位激勵(lì)-全空間拾取的無線傳能系統(tǒng)，其特征在于:所 述負(fù)載諧振回路中的接收線圈與發(fā)射線圈的結(jié)構(gòu)和參數(shù)相同。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多相位激勵(lì)-全空間拾取的無線傳能系統(tǒng)，其特征在于:所述 三路高頻交流電壓源由直流電源和高頻逆變電路轉(zhuǎn)換而得。5. -種如權(quán)利要求4所述的多相位激勵(lì)-全空間拾取的無線傳能系統(tǒng)的控制方法，其特 征在于包括以下步驟： 步驟1:開始，系統(tǒng)初始化，將三路高頻交流電壓源中的高頻逆變電路設(shè)為a、b、c三種工 作模態(tài)，初始狀態(tài)均工作在模態(tài)b且電源相位α和β初始值均為0,其中： 模態(tài)a為開路狀態(tài)，當(dāng)?shù)趇 (i = 1，2，3)路高頻交流電壓源處于模態(tài)a時(shí)，對應(yīng)的第i個(gè)發(fā) 射線圈傳能因子ki = 0,第i個(gè)發(fā)射線圈與負(fù)載線圈間的互感Mia = O; 模態(tài)b為逆變狀態(tài)，當(dāng)?shù)趇 (i = 1，2，3)路高頻交流電壓源處于模態(tài)b時(shí)，對應(yīng)的第i個(gè)發(fā) 射線圈傳能因子ki=l，第i個(gè)發(fā)射線圈與負(fù)載線圈間存在互感Mia; 模態(tài)c為短路狀態(tài)，當(dāng)?shù)趇 (i = 1，2，3)路高頻交流電壓源處于模態(tài)c時(shí)，對應(yīng)的第i個(gè)發(fā) 射線圈傳能因子ki = 0,第i個(gè)發(fā)射線圈與負(fù)載線圈間存在互感Mia; 所述三路高頻交流電壓源為墳、這、広，Uo為有效值，且電源相位關(guān)系為：步驟2:檢測三個(gè)發(fā)射線圈的諧振電流并根據(jù)各路高頻交流電壓源的工作模態(tài) 以及電路系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算第i個(gè)發(fā)射線圈與拾取線圈之間的互感Mla，以及優(yōu)化因子 Aniu? Aniu ， Amini ^min- ? ^min ? 步驟3:判斷優(yōu)化因子I,心,I，I，/4, /4中的最小值h_，并按以下規(guī) 則進(jìn)行控制： 規(guī)則Hl:若，則根據(jù)第一方案控制，若存在一個(gè)發(fā)射線圈傳能因子為0,則按照 下表控制：規(guī)則H2: 若辦_ = 時(shí)，將第1個(gè)高頻交流電壓源工作于模態(tài)b，其余高頻交流電壓源工作于模態(tài) a，電源相位不改變； 若= AL時(shí)，將第2個(gè)高頻交流電壓源工作于模態(tài)b，其余高頻交流電壓源工作于模態(tài) a，電源相位不改變； 若\& = ^n時(shí)，將第3個(gè)高頻交流電壓源工作于模態(tài)b，其余高頻交流電壓源工作于模態(tài) a，電源相位不改變； 規(guī)則H3: 若Anin = ^1"時(shí)，第1個(gè)高頻交流電壓源工作于模態(tài)a，其余高頻交流電壓源工作于模態(tài)b， 電源相位不改變； 若Amin = Ymn時(shí)，第2個(gè)高頻交流電壓源工作于模態(tài)a，其余高頻交流電壓源工作于模態(tài)b， 電源相位不改變； 若4?χ= €1"時(shí)，第3個(gè)高頻交流電壓源工作于模態(tài)a，其余高頻交流電壓源工作于模態(tài)b， 電源相位不改變； 步驟4:判斷是否停機(jī)，如果是，則結(jié)束，否則進(jìn)入步驟5; 步驟5:判斷是否存在模態(tài)a，如果有則將模態(tài)a切換為模態(tài)c后返回步驟2,否則直接返 回步驟2。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多相位激勵(lì)-全空間拾取的無線傳能系統(tǒng)的控制方法，其特征 在于按照以下方式計(jì)算優(yōu)化因子：中間變j發(fā)射線圈電感內(nèi)阻值為R〇,負(fù)載線圈 電感內(nèi)阻值為Ra，負(fù)載阻值為R，諧振回路的諧振角頻率為ω;其它中間變量為：
【文檔編號】H02J50/12GK106026417SQ201610352844
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月25日
【發(fā)明人】葉兆虹, 孫躍, 戴欣, 唐春森, 朱婉婷
【申請人】重慶大學(xué)