《電子技術(shù)應(yīng)用》
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感應(yīng)耦合系統(tǒng)中信號全雙工傳輸研究
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第7期
韓 齊,劉松陽,張立娟,趙全明
河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,天津300401
摘要: 為解決在一些非接觸電能傳輸過程中,信號只能單向傳輸或半雙工傳輸,不能實(shí)現(xiàn)信號控制和反饋實(shí)時交互的問題,針對感應(yīng)耦合電能傳輸(ICPT)系統(tǒng)中的信號全雙工傳輸問題,提出一種通過選通開關(guān)改變輸入電壓幅值進(jìn)行信號正向傳輸,調(diào)節(jié)副邊補(bǔ)償電容進(jìn)行信號反向傳輸?shù)姆椒ā7治隽溯斎腚妷悍底兓瘜Ω边呺娏饕约案边呇a(bǔ)償電容改變對原邊電流的影響,并采用Simulink、Simplorer和Maxwell聯(lián)合仿真得到輸入電壓與副邊補(bǔ)償電容同時變化時原副邊電流包絡(luò)信息,仿真結(jié)果驗(yàn)證了信號全雙工傳輸?shù)目尚行浴?
中圖分類號: TM743
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.173706
中文引用格式: 韓齊,劉松陽,張立娟,等. 感應(yīng)耦合系統(tǒng)中信號全雙工傳輸研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2018,44(7):147-150.
英文引用格式: Han Qi,Liu Songyang,Zhang Lijuan,et al. Analysis and simulation of signal full-duplex transmission in ICPT system[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(7):147-150.
Analysis and simulation of signal full-duplex transmission in ICPT system
Han Qi,Liu Songyang,Zhang Lijuan,Zhao Quanming
School of Electronic Information Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China
Abstract: In order to solve the problem that the signal can only be transmitted in one direction or half duplex during some non-contact power transmission, and it can not realize the problem of real-time interaction between signal control and feedback,according to the problem of signal full-duplex transmission in the inductive coupling system, a method is proposed by changing the input voltage amplitude to forward the signal transmission and adjusting the secondary compensation capacitor to reverse the signal transmission. In this paper, the influence of the change of the input voltage amplitude on the secondary current is analyzed and the influence of the change of the secondary capacitor on the primary current is analyzed. Simulink, Simplorer and Maxwell were used to obtain the primary and secondary current envelope when the input voltage changes with the secondary compensation capacitor at the same time. The simulation results verify the feasibility of signal full-duplex transmission.
Key words : ICPT system;full-duplex;current envelope;joint simulation

0 引言

    感應(yīng)耦合電能傳輸(ICPT)作為一種新型的無線電能傳輸技術(shù),克服了傳統(tǒng)的通過導(dǎo)線傳輸電能所帶來的安全隱患和功能上的局限[1]。然而在很多實(shí)際應(yīng)用中,不僅要滿足電能的傳輸要求,同時還要實(shí)現(xiàn)信號的實(shí)時傳輸。例如,在石油鉆井、內(nèi)置式醫(yī)療電子裝置等特殊應(yīng)用環(huán)境中,在完成能量傳遞的同時,不僅需要由原邊不斷向副邊發(fā)送控制指令,還需要將副邊監(jiān)測到的信息實(shí)時地反饋到原邊。

    在以往的眾多關(guān)于ICPT系統(tǒng)信號傳輸研究中,經(jīng)常采用額外增設(shè)一對信號耦合線圈,使信號和能量分開傳輸,不僅增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度,還存在能量線圈與信號線圈之間相互干擾的問題。或者只研究了信號從系統(tǒng)原邊向副邊傳輸或副邊向原邊傳輸?shù)膯蜗騻鬏敺绞?sup>[2-8]?,F(xiàn)有的信號由原邊向副邊傳輸?shù)姆椒ǘ嗖捎迷谙到y(tǒng)主電路增設(shè)開關(guān)器件,當(dāng)開關(guān)斷開時,只能依靠電路中電感電容儲存能量給后級供電。傳輸速度較慢,且只能工作在小功率的情況下。

    本文針對ICPT系統(tǒng)中的信號全雙工傳輸問題,提出一種通過選通開關(guān)選擇不同幅值輸入電壓進(jìn)行信號正向傳輸,調(diào)節(jié)副邊補(bǔ)償電容進(jìn)行信號反向傳輸?shù)姆椒?,不僅大大提高了傳輸?shù)乃俾?,而且?shí)現(xiàn)了信號的全雙工傳輸。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及傳輸原理

1.1 信號調(diào)制原理

    圖1所示為ICPT系統(tǒng)原理圖。系統(tǒng)可分為初級回路和次級回路。初級回路通過變換器把直流電壓逆變?yōu)楦哳l交流電壓,在原邊產(chǎn)生交變磁場耦合到副邊,副邊感應(yīng)出電動勢,經(jīng)過補(bǔ)償以及整流濾波后給負(fù)載提供電能。

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    典型的全橋逆變SP(電容在電路中初級串聯(lián),次級并聯(lián))型補(bǔ)償電路及其等效電路如圖2、圖3所示。

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    SP結(jié)構(gòu)次級阻抗ZS可寫為:

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    在原副邊電路參數(shù)一定的情況下,由式(5)可知,僅改變輸入電壓Vin會改變次級電流IS的大小。由式(1)、式(3)、式(6)可知,改變C2容值,將改變副邊線圈對原邊的反射阻抗Zr,進(jìn)而改變原邊電流幅值IP的大小。

    因此,可以選擇合適的輸入電壓Vin和調(diào)節(jié)電容C9,根據(jù)不同數(shù)字信號“0”或“1”來調(diào)節(jié)選通開關(guān)和副邊補(bǔ)償電容,設(shè)定次級向初級傳輸速度是初級向次級傳輸速度的兩倍。由式(4)、式(5)可知,在初次級電路參數(shù)不發(fā)生改變的情況下,改變輸入電壓Vin,初次級電流IP、IS均會改變。當(dāng)C2容值改變時,原邊電流幅值IP變化比較大,副邊電流幅值IS變化非常小。因此,在原副邊電流由于除自身變化引起的幅值變化外,還有另外一側(cè)變化對其產(chǎn)生影響,因此在原副邊都會產(chǎn)生四種幅值不同的電流。通過檢測原副邊電流幅值的包絡(luò)特征來進(jìn)行信號的解調(diào),從而實(shí)現(xiàn)信號全雙工傳輸。

1.2 原副邊調(diào)制電路

    根據(jù)以上推導(dǎo),分別在ICPT系統(tǒng)的原副邊增加信號調(diào)制機(jī)構(gòu)。如圖4所示,原邊調(diào)制部分主要由boost升壓電路和選通開關(guān)S1、S2組成。傳送數(shù)字信號“0”時,選通開關(guān)S2導(dǎo)通,直接獲取電源電壓。傳送數(shù)字信號“1”時,選通開關(guān)S1導(dǎo)通,獲取經(jīng)boost升壓之后的電壓。通過選取不同的電源電壓幅值,從而獲得幅值不同的次級電流幅值。如圖5所示,副邊調(diào)制部分主要由共E極反串聯(lián)式開關(guān)S3和調(diào)制電容C9組成。傳送數(shù)字信號“0”時,開關(guān)管S3關(guān)閉,次級補(bǔ)償電容為C2,系統(tǒng)處于正常的諧振狀態(tài)。傳送數(shù)字信號“1”時,開關(guān)管S3導(dǎo)通,次級補(bǔ)償電容變?yōu)镃2+C9,反射到原邊的阻抗將改變,從而改變原邊的電流幅值。對原副邊電流的幅值包絡(luò)進(jìn)行解調(diào),就得到傳輸?shù)臄?shù)字信號。

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2 松耦合變壓器

    松耦合變壓器是感應(yīng)耦合式電能傳輸系統(tǒng)的核心組成部分。由于松耦合變壓器初次級線圈之間存在較大氣隙,漏磁明顯,導(dǎo)致能量傳輸能力和效率較低。為了減少漏磁,改善系統(tǒng)傳輸性能,提高傳輸效率,本文采用了一種桶形變壓器。在Maxwell中建立桶形變壓器2D、3D模型如圖6、圖7所示。

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    磁芯采用PC40,內(nèi)磁桶為變壓器原邊,采用20匝線圈緊貼內(nèi)磁桶外壁纏繞;外磁桶為變壓器副邊,采用21匝線圈緊貼外磁桶內(nèi)壁纏繞。磁芯尺寸如表1所示。

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3 Simulink,Simplorer,Maxwell聯(lián)合仿真

    采用Simulink產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的PWM波控制全橋逆變器的相互導(dǎo)通,仿真中直接選用兩路不同幅值電源電壓,隨機(jī)產(chǎn)生數(shù)字信號“0”“1”控制原邊選通開關(guān)S1、S2和共E極反串聯(lián)式開關(guān)S3,將Maxwell中變壓器模型導(dǎo)入到Simplorer中,對全橋逆變SP型補(bǔ)償電路進(jìn)行整體仿真分析。仿真電路如圖8所示。仿真電路具體參數(shù)如表2。

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    根據(jù)S1、S2的選通頻率可得初級向次級每400 μs傳遞一位數(shù)字信號,圖9所示為初級全橋逆變器之后的電壓電流波形。從電壓包絡(luò)可以看出,初級所要傳輸?shù)男盘枮椤?011111”。圖10所示為次級電流,根據(jù)其包絡(luò)特征,可得次級線圈拾取到從原邊向副邊傳遞的數(shù)字信號為“1011111”。

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    根據(jù)S3的選通頻率可得初級向次級每200 μs傳遞一位數(shù)字信號,圖11所示為調(diào)節(jié)電容C9的電壓波形,從電壓包絡(luò)可以看出次級所要傳輸?shù)男盘枮椤?0111111011101”。圖12所示為初級電流,根據(jù)其包絡(luò)特征,可得副邊向原邊傳遞的數(shù)字信號為“10111111011101”。

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    以上仿真結(jié)果表明,通過電流幅值可以準(zhǔn)確地解調(diào)信號,該方法可以實(shí)現(xiàn)感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)中的信號全雙工傳輸。

4 結(jié)論

    本文通過對感應(yīng)耦合式電能傳輸系統(tǒng)輸入電壓幅值和副邊補(bǔ)償變化對系統(tǒng)電流幅值產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。針對 ICPT 系統(tǒng)中的信號全雙工傳輸問題,提出一種通過選通開關(guān)選擇不同幅值輸入電壓進(jìn)行信號正向傳輸,調(diào)節(jié)副邊補(bǔ)償電容進(jìn)行信號反向傳輸?shù)姆椒?。進(jìn)行了系統(tǒng)仿真,驗(yàn)證了方法的可行性。該方法為ICPT系統(tǒng)中信號全雙工傳輸提供了一種新的方法,解決了非接觸電能傳輸過程中控制信號和反饋信號實(shí)時交互的問題,有很好的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

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作者信息:

韓  齊,劉松陽,張立娟,趙全明

(河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,天津300401)

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