CN106230130A - 一种基于无线电能传输的喷泉控制装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于无线电能传输的喷泉控制装置，包括水泵，利用电源模块为发射模块供电，发射模块通过传输介质与接收模块进行磁场耦合将能量传递给接收模块，由接收模块为水泵供电；本发明采取无线电能传输方式对喷泉供电，采用的无线电能传输电路是基于接收端恒压控制的串并式磁共振无线电能传输***电路，发射模块控制更简单，负载适配范围较参数边界条件控制更大；本发明缓解了在喷泉水下铺设电线繁杂劳动力，避免了由于电线老化并且容易露电而造成游人触电的危险事件发生，通过无线供电输出稳定的水泵额定电压，保证喷泉能够进行正常、安全的喷射工作，节省了公共成本并且消除了安全隐患。
Description
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，特别涉及一种基于无线电能传输的喷泉控制装置。
背景技术
在喷泉供电***中，传统的电能传输方式主要依靠电源和金属导线的连接完成，虽然这种供电方式对社会的发展有着巨大贡献，但是其弊端也不容忽视。在喷泉水下常因导线裸露、摩擦带来机械磨损和接触电火花，降低供电的安全性与可靠性；输电电线的频繁更换与增加，既影响城市规划，又增加输电损耗，使供电成本日益增大。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于无线电能传输的喷泉控制装置，该装置能在负载变化的情况下为水泵提供恒定的额定电压，并具有以下优点：装置损耗小，纹波少，装置接收端能够提供安全稳定的直流电源；采用组合式变换器进行恒压控制，装置设计较简单，负载适配范围较大；引入DSP来控制无线电能传输装置，实现输出电压的精确控制，进一步提高装置的稳定性和可靠性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于无线电能传输的喷泉控制装置，包括水泵5，利用电源模块6为发射模块2供电，发射模块2通过传输介质3与接收模块4进行磁场耦合将能量传递给接收模块4，由接收模块4为水泵5供电。
所述发射模块2采用串联谐振补偿方式，接收模块4采用并联谐振补偿方式。
所述发射模块2主要由驱动电路、逆变电路和发射线圈组成；接收模块4主要由接收线圈、整流滤波电路和恒压控制电路组成。
所述驱动电路采用DSPIC33EP32MC204芯片，作为发射模块2和接收模块4的主控芯片，所述逆变电路采用全桥逆变电路，所述整流滤波电路采用单相全桥整流电路，其中滤波部分采用CLC滤波电路；所述恒压控制电路采用基于DSPIC33EP32MC204芯片控制的组合式Buck-Boost变换器，对输出电压进行恒压控制。
所述电源模块6为发射模块2提供40V直流电，该直流电先经过全桥逆变转换成高频交流电，再经过发射线圈，在其周围形成高频交变磁场；通过电磁感应及耦合，接收线圈产生感生交变电动势，通过整流滤波电路将其转换成直流电，最后经过组合式Buck-Boost变换器控制电路将装置输出水泵的额定电压。
进一步地，本发明还可以包括：
控制模块1，循环采样接收模块4的输出电压，判断是否与水泵5的额定电压相等，若相等，则控制模块1发出水泵工作命令，喷泉开始工作；若不相等，则控制接收模块4中的变换器通过降压或升压方式将当前电压调节到水泵5的额定电压，再发出水泵工作命令，水泵5按照控制命令开始进行工作，工作一个周期后继续等待下一个控制命令。
本发明水泵5可为直流无刷电机水泵。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
喷泉水下供电铺设有线电缆工作量大，并且存在由于电线老化而导致露电等一些不安全隐患，而采用无线电能传输对喷泉进行供电不仅可以节省铺设电缆繁杂的劳动力而且能避免这些安全隐患的发生，既节省了成本，也提高了喷泉的安全性。本装置的***损耗小，纹波少，接收模块能够提供安全稳定的直流电源；***设计较简单，负载适配范围较大；能够实现输出电压的精确控制，进一步提高无线供电的效率和稳定性。通过本发明装置及方法可以为水泵提供稳定的额定电压，使喷泉能够稳定、可靠的工作。
附图说明
图1为本发明的硬件装置示意图。
图2为本发明的各功能模块电路图，其中图2-1为逆变电路图，图2-2为驱动电路图，图2-3为整流滤波电路图，图2-4为恒压控制电路图。
图3为本发明的水泵控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，一种基于无线电能传输的喷泉控制装置，包括水泵5，水泵5可为直流无刷电机水泵。利用电源模块6为发射模块2供电，发射模块2通过传输介质3与接收模块4进行磁场耦合将能量传递给接收模块4，由接收模块4为水泵5供电。其中，传输介质3即为喷泉中的水。
本发明采取无线电能传输的方式对喷泉进行供电，无线电能传输是用电设备之间利用电场、磁场、微波等无形空间传输介质传递能量的非接触式供电方式。本发明具体采用的无线电能传输电路是基于接收端恒压控制的串并式磁共振无线电能传输***电路，发射模块控制更简单，负载适配范围较参数边界条件控制更大。
其中，发射模块2采用串联谐振补偿方式，接收模块4采用并联谐振补偿方式。发射模块2主要由驱动电路、逆变电路和发射线圈组成；接收模块4主要由接收线圈、整流滤波电路和恒压控制电路组成。两个部分相对独立(无机械、电气连接)，但又通过磁场耦合具有能量相关性。
参见图2，本发明的各功能模块电路图。
图2-1为逆变电路图，设计中采用全桥逆变电路。该电路中MOSFET管采用IRFP250，具有开关速度快、导通电阻小、损耗小等优点。采用充放电型RCD缓冲电路，抑制MOSFET管的过电压和过电流，减小器件的开关损耗。R2为驱动电阻，R6为保护电阻，采用SS310肖特基势垒二极管实现MOSFET管快速关断。
图2-2为MOSFET驱动电路图，采用DSPIC33EP32MC204芯片，该芯片具有控制功能强、可靠性高、功耗低等优点，具备了DSP系列芯片的典型优点，用该型芯片作为发射模块和接收模块主控芯片。由于MOSFET管需要一定的驱动功率，谐振电路又要求较高的工作频率96kHz，因此选用IR2103芯片进行驱动。该芯片采用8引脚PDIP封装，可直接驱动两个MOSFET管，采用施密特触发方式，动态响应快，驱动能力强，工作频率高，具有多种保护功能。DSP芯片产生的PWM从IN端输入IR2103芯片，HO、LO为驱动信号输出端。
图2-3为整流滤波电路图，与单相半波和全波整流相比，单相全桥整流电路输出电压脉动程度小，整流效率高，因此采用单相全桥整流电路。滤波部分采用CLC滤波电路，能够滤除器件本身产生的波纹，同时抑制高频差模干扰。
图2-4为恒压控制电路图，采用基于DSPIC33EP32MC204芯片控制的组合式Buck-Boost变换器，对装置输出电压进行恒压控制。该电路是由一组Buck变换器和一组Boost变换器串联组成组合式Buck-Boost变换器。当输出电压高于48V时，Buck变换器通过PWM调制进行降压，Boost变换器直通；当输出电压低于48V时，Buck变换器直通，Boost变换器通过PWM调制进行升压；当输出电压等于48V时，Buck变换器与Boost变换器均直通，实现48V恒压输出。
该装置工作频率为96kHz，发射模块2输入40V直流电，该直流电先经过全桥逆变转换成高频交流电，再经过发射线圈，并在其周围形成高频交变磁场；通过电磁感应及耦合，接收线圈产生感生交变电动势，通过整流滤波电路将其转换成直流电，最后经过组合式Buck-Boost变换器，控制输出水泵5V的额定电压。
进一步地，本发明还可以包括控制模块1，以实现自动控制。参见图3，***正常开启后，进行初始化设置，设置水泵5的额定电压，然后控制模块1中的单片机循环采样接收模块4的输出电压，判断是否与水泵5的额定电压相等，若相等，则控制模块1发出水泵工作命令，喷泉开始工作；若不相等，则控制接收模块4中的变换器通过降压或升压方式将当前电压调节到水泵5的额定电压，再发出水泵工作命令，水泵5按照控制命令开始进行工作，工作一个周期后继续等待下一个控制命令。
由此，本发明缓解了在喷泉水下铺设电线繁杂劳动力，避免了由于电线老化并且容易露电而造成游人触电的危险事件发生；通过无线供电输出稳定的水泵额定电压，保证喷泉能够进行正常、安全的喷射工作，节省了公共成本并且消除了安全隐患。
Claims (7)
1.一种基于无线电能传输的喷泉控制装置，包括水泵(5)，其特征在于，利用电源模块(6)为发射模块(2)供电，发射模块(2)通过传输介质(3)与接收模块(4)进行磁场耦合将能量传递给接收模块(4)，由接收模块(4)为水泵(5)供电。
2.根据权利要求1所述基于无线电能传输的喷泉控制装置，其特征在于，所述发射模块(2)采用串联谐振补偿方式，接收模块(4)采用并联谐振补偿方式。
3.根据权利要求1或2所述基于无线电能传输的喷泉控制装置，其特征在于，所述发射模块(2)主要由驱动电路、逆变电路和发射线圈组成；接收模块(4)主要由接收线圈、整流滤波电路和恒压控制电路组成。
4.根据权利要求3所述基于无线电能传输的喷泉控制装置，其特征在于，所述驱动电路采用DSPIC33EP32MC204芯片，作为发射模块(2)和接收模块(4)的主控芯片，所述逆变电路采用全桥逆变电路，所述整流滤波电路采用单相全桥整流电路，其中滤波部分采用CLC滤波电路；所述恒压控制电路采用基于DSPIC33EP32MC204芯片控制的组合式Buck-Boost变换器，对输出电压进行恒压控制。
5.根据权利要求4所述基于无线电能传输的喷泉控制装置，其特征在于，所述电源模块(6)为发射模块(2)提供40V直流电，该直流电先经过全桥逆变转换成高频交流电，再经过发射线圈，在其周围形成高频交变磁场；通过电磁感应及耦合，接收线圈产生感生交变电动势，通过整流滤波电路将其转换成直流电，最后经过组合式Buck-Boost变换器控制电路将装置输出水泵的额定电压。
6.根据权利要求1所述基于无线电能传输的喷泉控制装置，其特征在于，还包括：
控制模块(1)，循环采样接收模块(4)的输出电压，判断是否与水泵(5)的额定电压相等，若相等，则控制模块(1)发出水泵工作命令，喷泉开始工作；若不相等，则控制接收模块(4)中的变换器通过降压或升压方式将当前电压调节到水泵(5)的额定电压，再发出水泵工作命令，水泵(5)按照控制命令开始进行工作，工作一个周期后继续等待下一个控制命令。
7.根据权利要求1所述基于无线电能传输的喷泉控制装置，其特征在于，所述水泵(5)为直流无刷电机水泵。
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