CN110571944A - 一种用于无线能量传输***频率跟踪的装置及方法 - Google Patents
一种用于无线能量传输***频率跟踪的装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于无线能量传输***频率跟踪的装置及方法，涉及无线能量传输技术领域。本发明装置包括：高频逆变电路、LC谐振回路、电流检测回路、信号调理回路、数字信号处理器和PWM驱动电路，所述数字信号处理器接收所述信号调理电路输出的方波信号，对方波信号进行预处理，输出PWM驱动信号传输至PWM驱动电路，驱动所述高频逆变电路调整采集的交流电的谐振频率。本发明解决了初级发射线圈回路失谐的问题，使LC谐振回路始终工作于谐振的状态，保证无线能量传输***始终处于谐振的状态。本发明有效地解决了无线能量传输***出现的失谐所带来的能量传递不稳定、效率低的问题，以保证***能量输出的稳定。
Description
技术领域
本发明涉及无线能量传输技术领域，并且更具体地，涉及一种用于无线能量传输***频率跟踪的装置及方法。
背景技术
感应式无线充电器通过电磁波发射线圈进行能量的传输，为保证高效率地传输能量，电磁波发射线圈必须工作在谐振状态。
由于外部环境干扰或仪器误差会导致线路的阻抗发生变化，使得***参数发生变化，导致发送端谐振频率发生变化，降低了***传输能量的效率。为使发送端始终工作在谐振状态，需使发送端逆变器的工作频率时刻跟踪发送端的谐振频率。
但现有的频率跟踪算法大多是首先采用鉴相器测量LC谐振回路的电压和电流的相位差，再控制逆变器的工作频率实现谐振频率的跟踪。这种方法需要两路交流采样电路同时采集高频电压电流信号，以及一个鉴相器测量相位差，硬件部分较复杂，成本高。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种用于无线能量传输***频率跟踪的装置，包括：
高频逆变电路，所述高频逆变电路采集交流电并对所述交流电进行逆变处理，输出谐振频率相同的交流电的大电流信号，并输入至LC谐振回路，所述高频逆变电路接收PWM驱动电路输出的PWM驱动信号，根据所述PWM驱动信号调整采集的交流电的谐振频率并输出调整后谐振频率相同的交流电信号，并将调整后谐振频率相同的交流电信号传输至LC谐振回路；
LC谐振回路，所述LC逆变回路接收所述高频逆变电路输出的大电流信号及调整后谐振频率相同的交流电信号，保持大电流信号谐振频率相同并将大电流信号传输至电流检测回路，保持调整后谐振频率相同的交流电信号谐振频率相同；
电流检测回路，所述电流检测回路接收LC谐振回路传输的大电流信号，并将大电流信号转换为小电流信号传输至信号调理回路；
信号调理回路，所述信号调理回路接收电流检测回路传输的小电流信号，并对小电流信号进行放大、滤波和整形处理转化为方波信号，并将方波信号传输至数字信号处理器；
数字信号处理器，所述数字信号处理器接收所述信号调理电路输出的方波信号，对方波信号进行预处理，输出PWM驱动信号传输至PWM驱动电路；
PWM驱动电路，所述PWM驱动电路接收数字信号处理器传输的PWM驱动信号并传输至所述高频逆变电路，驱动所述高频逆变电路调整采集的交流电的谐振频率。
可选的，信号调理电路，包括：放大电路、滤波电路和整形电路；
所述放大电路对小电流信号进行放大，所述滤波电路对小电流信号进行滤波，所述整形电路对小电流信号进行整形。
可选的，数字信号处理器，包括：周期寄存器、比较寄存器和时基计数器。
可选的，对方波信号进行预处理，包括：
将信号调理回路输出的方波信号视为时钟信号，并在所述时钟信号的上升沿或下降沿时刻触发数字信号处理器的捕获中断，并在捕获中断时读取片内时基计数器的数值；
获取片内时基计数器与***频率目标值的残差，根据所述残差生成控制信号；
根据所述控制信号获取待调整频率信号；
获取周期寄存器和比较寄存器的值，并写入数字信号处理器；
根据所述待调整频率信号和所述周期寄存器和比较寄存器的值生成PWM驱动信号。
可选的，方波信号与小电流信号成预设相位关系。
本发明还提供了一种用于无线能量传输***频率跟踪的方法，包括：
高频逆变电路采集交流电并对所述交流电进行逆变处理，输出谐振频率相同的交流电的大电流信号，并输入至LC谐振回路；
LC逆变回路接收所述高频逆变电路输出的大电流信号，保持大电流信号谐振频率相同并将大电流信号传输至电流检测回路；
电流检测回路接收LC谐振回路传输的大电流信号，并将大电流信号转换为小电流信号传输至信号调理回路；
信号调理回路接收电流检测回路传输的小电流信号，并对小电流信号进行放大、滤波和整形处理转化为方波信号，并将方波信号传输至数字信号处理器；
数字信号处理器接收所述信号调理电路输出的方波信号，对方波信号进行预处理，输出PWM驱动信号传输至PWM驱动电路；
PWM驱动电路接收数字信号处理器传输的PWM驱动信号并传输至所述高频逆变电路，驱动所述高频逆变电路调整采集的交流电的谐振频率；
高频逆变电路接收PWM驱动电路输出的PWM驱动信号，根据所述PWM驱动信号调整采集的交流电的谐振频率并输出调整后谐振频率相同的交流电信号，并将调整后谐振频率相同的交流电信号传输至LC谐振回路；
LC逆变回路接收所述高频逆变电路输出的调整后谐振频率相同的交流电信号，保持调整后谐振频率相同的交流电信号谐振频率相同。
可选的，信号调理电路，包括：放大电路、滤波电路和整形电路；
所述放大电路对小电流信号进行放大，所述滤波电路对小电流信号进行滤波，所述整形电路对小电流信号进行整形。
可选的，数字信号处理器，包括：周期寄存器、比较寄存器和时基计数器。
可选的，对方波信号进行预处理，包括：
将信号调理回路输出的方波信号视为时钟信号，并在所述时钟信号的上升沿或下降沿时刻触发数字信号处理器的捕获中断，并在捕获中断时读取片内时基计数器的数值；
获取片内时基计数器与***频率目标值的残差，根据所述残差生成控制信号；
根据所述控制信号获取待调整频率信号；
获取周期寄存器和比较寄存器的值，并写入数字信号处理器；
根据所述待调整频率信号和所述周期寄存器和比较寄存器的值生成PWM驱动信号。
可选的，方波信号与小电流信号成预设相位关系。
本发明解决了初级发射线圈回路失谐的问题，使LC谐振回路始终工作于谐振的状态，保证无线能量传输***始终处于谐振的状态。
本发明有效地解决了无线能量传输***出现的失谐所带来的能量传递不稳定、效率低的问题，以保证***能量输出的稳定。
本发明只需要测量LC谐振回路的电流，即只需要一个电流传感器、一路波形调理电路，省去了价格高昂的AD模块、鉴相器等硬件模块，而传统方法需要同时测量LC谐振回路的电压、电流，并包含AD模块、鉴相器等，相比传统方法，本发明极大地简化了***的硬件设计，降低了成本，有利于推广。
本发明能实现快速、高精度的调谐，使发送端迅速回到谐振状态，提高无线能量传输***的传输功率和效率，在一些特殊情况，比如负载端开路及发射端空载等情况下，本发明依然适用，因此具有高鲁棒性、可靠性，采用数字信号处理器实现，有利于兼容其他功能。
附图说明
图1为本发明一种用于无线能量传输***频率跟踪的***结构图；
图2为本发明一种用于无线能量传输***频率跟踪的***数字信号发生器结构图；
图3为本发明一种用于无线能量传输***频率跟踪的方法流程图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
本发明提供了一种用于无线能量传输***频率跟踪的装置，如图1所示，包括：
高频逆变电路101，所述高频逆变电路101采集交流电并对所述交流电进行逆变处理，输出谐振频率相同的交流电的大电流信号，并输入至LC谐振回路401，所述高频逆变电路101接收PWM驱动电路201输出的PWM驱动信号，根据所述PWM驱动信号调整采集的交流电的谐振频率并输出调整后谐振频率相同的交流电信号，并将调整后谐振频率相同的交流电信号传输至LC谐振回路401；
LC谐振回路401，所述LC逆变回路401接收所述高频逆变电路输出的大电流信号及调整后谐振频率相同的交流电信号，保持大电流信号谐振频率相同并将大电流信号传输至电流检测回路501，保持调整后谐振频率相同的交流电信号谐振频率相同；
其中，LC谐振回路401由电容CP402和电感LP403串联组成。
电流检测回路501，所述电流检测回路501接收LC谐振回路401传输的大电流信号，并将大电流信号转换为小电流信号传输至信号调理回路601；
信号调理回路601，所述信号调理回路601接收电流检测回路501传输的小电流信号，并对小电流信号进行放大、滤波和整形处理转化为方波信号，并将方波信号传输至数字信号处理器301；
信号调理电路601，包括：放大电路、滤波电路和整形电路；
所述放大电路对小电流信号进行放大，所述滤波电路对小电流信号进行滤波，所述整形电路对小电流信号进行整形；
数字信号处理器301，如图2所示，包括：CPU302、CAP模块303和PWM模块304；
数字信号处理器301片内的时基计时器314的值是匀速增加的，在时基计时器的值大于等于比较寄存器324的值时刻，输出PWM波变为低电平；时基计时器的值大于等于周期寄存器334的值时刻，输出PWM波变为高电平。
所述数字信号处理器301接收所述信号调理电路601输出的方波信号，对方波信号进行预处理，包括：
在CAP中断中读取的内时基计数器的数值TBCTR，记为目标值G(f)，将目标值G(f)以数组或链表或函数的方式保存在数字信号处理器内部的存储单元；
在线进行无线能量传输***频率跟踪控制时，程序首先初始化DSP中的CAP模块和PWM模块；
开启中断；
运行主函数直到进入CAP中断，并执行中断函数；
计算残差TBCTR-G(f)；
根据PID算法计算Δf，并令新的频率f2＝f1+Δf；
计算周期寄存器、比较寄存器的值，写入DSP内存，片内外设读取所述周期寄存器、比较寄存器的值，并更改PWM波频率；
方波信号与小电流信号成预设相位关系；
生成PWM驱动信号；
输出PWM驱动信号传输至PWM驱动电路201；
PWM驱动电路201，所述PWM驱动电路201接收数字信号处理器301传输的PWM驱动信号并传输至所述高频逆变电路101，驱动所述高频逆变电路101调整采集的交流电的谐振频率。
本发明还提供了一种用于无线能量传输***频率跟踪的方法，如图3为所示，包括：
高频逆变电路101采集交流电并对所述交流电进行逆变处理，输出谐振频率相同的交流电的大电流信号，并输入至LC谐振回路401；
LC逆变回路401接收所述高频逆变电路101输出的大电流信号，保持大电流信号谐振频率相同并将大电流信号传输至电流检测回路501；
电流检测回路501接收LC谐振回路401传输的大电流信号，并将大电流信号转换为小电流信号传输至信号调理回路601；
信号调理回路601接收电流检测回路501传输的小电流信号，并对小电流信号进行放大、滤波和整形处理转化为方波信号，并将方波信号传输至数字信号处理器301；
信号调理电路601，包括：放大电路、滤波电路和整形电路；
所述放大电路对小电流信号进行放大，所述滤波电路对小电流信号进行滤波，所述整形电路对小电流信号进行整形。
数字信号处理器301接收所述信号调理电路601输出的方波信号，对方波信号进行预处理，包括：
将信号调理回路601输出的方波信号视为时钟信号，并在所述时钟信号的上升沿或下降沿时刻触发数字信号处理器的捕获中断，并在捕获中断时读取片内时基计数器的数值；
其中方波信号与小电流信号成预设相位关系；
获取片内时基计数器与***频率目标值的残差，根据所述残差生成控制信号；
根据所述控制信号获取待调整频率信号；
获取周期寄存器和比较寄存器的值，并写入数字信号处理器；
根据所述待调整频率信号和所述周期寄存器和比较寄存器的值生成PWM驱动信号。
输出PWM驱动信号传输至PWM驱动电路201；
数字信号处理器301，包括：周期寄存器、比较寄存器和时基计数器。
PWM驱动电路201接收数字信号处理器301传输的PWM驱动信号并传输至所述高频逆变电路101，驱动所述高频逆变电路101调整采集的交流电的谐振频率；
高频逆变电路101接收PWM驱动电路201输出的PWM驱动信号，根据所述PWM驱动信号调整采集的交流电的谐振频率并输出调整后谐振频率相同的交流电信号，并将调整后谐振频率相同的交流电信号传输至LC谐振回路；
LC逆变回路401接收所述高频逆变电路输出的调整后谐振频率相同的交流电信号，保持调整后谐振频率相同的交流电信号谐振频率相同。
本发明解决了初级发射线圈回路失谐的问题，使LC谐振回路始终工作于谐振的状态，保证无线能量传输***始终处于谐振的状态。
本发明有效地解决了无线能量传输***出现的失谐所带来的能量传递不稳定、效率低的问题，以保证***能量输出的稳定。
本发明只需要测量LC谐振回路的电流，即只需要一个电流传感器、一路波形调理电路，省去了价格高昂的AD模块、鉴相器等硬件模块，而传统方法需要同时测量LC谐振回路的电压、电流，并包含AD模块、鉴相器等，相比传统方法，本发明极大地简化了***的硬件设计，降低了成本，有利于推广。
本发明能实现快速、高精度的调谐，使发送端迅速回到谐振状态，提高无线能量传输***的传输功率和效率，在一些特殊情况，比如负载端开路及发射端空载等情况下，本发明依然适用，因此具有高鲁棒性、可靠性，采用数字信号处理器实现，有利于兼容其他功能。
Claims (10)
1.一种用于无线能量传输***频率跟踪的装置，所述装置包括：
高频逆变电路，所述高频逆变电路采集交流电并对所述交流电进行逆变处理，输出谐振频率相同的交流电的大电流信号，并输入至LC谐振回路，所述高频逆变电路接收PWM驱动电路输出的PWM驱动信号，根据所述PWM驱动信号调整采集的交流电的谐振频率并输出调整后谐振频率相同的交流电信号，并将调整后谐振频率相同的交流电信号传输至LC谐振回路；
LC谐振回路，所述LC逆变回路接收所述高频逆变电路输出的大电流信号及调整后谐振频率相同的交流电信号，保持大电流信号谐振频率相同并将大电流信号传输至电流检测回路，保持调整后谐振频率相同的交流电信号谐振频率相同；
电流检测回路，所述电流检测回路接收LC谐振回路传输的大电流信号，并将大电流信号转换为小电流信号传输至信号调理回路；
信号调理回路，所述信号调理回路接收电流检测回路传输的小电流信号，并对小电流信号进行放大、滤波和整形处理转化为方波信号，并将方波信号传输至数字信号处理器；
数字信号处理器，所述数字信号处理器接收所述信号调理电路输出的方波信号，对方波信号进行预处理，输出PWM驱动信号传输至PWM驱动电路；
PWM驱动电路，所述PWM驱动电路接收数字信号处理器传输的PWM驱动信号并传输至所述高频逆变电路，驱动所述高频逆变电路调整采集的交流电的谐振频率。
2.根据权利要求1所述的装置，所述的信号调理电路，包括：放大电路、滤波电路和整形电路；
所述放大电路对小电流信号进行放大，所述滤波电路对小电流信号进行滤波，所述整形电路对小电流信号进行整形。
3.根据权利要求1所述的装置，所述的数字信号处理器，包括：周期寄存器、比较寄存器和时基计数器。
4.根据权利要求1所述的装置，所述的对方波信号进行预处理，包括：
将信号调理回路输出的方波信号视为时钟信号，并在所述时钟信号的上升沿或下降沿时刻触发数字信号处理器的捕获中断，并在捕获中断时读取片内时基计数器的数值；
获取片内时基计数器与***频率目标值的残差，根据所述残差生成控制信号；
根据所述控制信号获取待调整频率信号；
获取周期寄存器和比较寄存器的值，并写入数字信号处理器；
根据所述待调整频率信号和所述周期寄存器和比较寄存器的值生成PWM驱动信号。
5.根据权利要求1所述的装置，所述的方波信号与小电流信号成预设相位关系。
6.一种用于无线能量传输***频率跟踪的方法，所述方法包括：
高频逆变电路采集交流电并对所述交流电进行逆变处理，输出谐振频率相同的交流电的大电流信号，并输入至LC谐振回路；
LC逆变回路接收所述高频逆变电路输出的大电流信号，保持大电流信号谐振频率相同并将大电流信号传输至电流检测回路；
电流检测回路接收LC谐振回路传输的大电流信号，并将大电流信号转换为小电流信号传输至信号调理回路；
信号调理回路接收电流检测回路传输的小电流信号，并对小电流信号进行放大、滤波和整形处理转化为方波信号，并将方波信号传输至数字信号处理器；
数字信号处理器接收所述信号调理电路输出的方波信号，对方波信号进行预处理，输出PWM驱动信号传输至PWM驱动电路；
PWM驱动电路接收数字信号处理器传输的PWM驱动信号并传输至所述高频逆变电路，驱动所述高频逆变电路调整采集的交流电的谐振频率；
高频逆变电路接收PWM驱动电路输出的PWM驱动信号，根据所述PWM驱动信号调整采集的交流电的谐振频率并输出调整后谐振频率相同的交流电信号，并将调整后谐振频率相同的交流电信号传输至LC谐振回路；
LC逆变回路接收所述高频逆变电路输出的调整后谐振频率相同的交流电信号，保持调整后谐振频率相同的交流电信号谐振频率相同。
7.根据权利要求6所述的方法，所述的信号调理电路，包括：放大电路、滤波电路和整形电路；
所述放大电路对小电流信号进行放大，所述滤波电路对小电流信号进行滤波，所述整形电路对小电流信号进行整形。
8.根据权利要求6所述的方法，所述的数字信号处理器，包括：周期寄存器、比较寄存器和时基计数器。
9.根据权利要求6所述的方法，所述的对方波信号进行预处理，包括：
将信号调理回路输出的方波信号视为时钟信号，并在所述时钟信号的上升沿或下降沿时刻触发数字信号处理器的捕获中断，并在捕获中断时读取片内时基计数器的数值；
获取片内时基计数器与***频率目标值的残差，根据所述残差生成控制信号；
根据所述控制信号获取待调整频率信号；
获取周期寄存器和比较寄存器的值，并写入数字信号处理器；
根据所述待调整频率信号和所述周期寄存器和比较寄存器的值生成PWM驱动信号。
10.根据权利要求6所述的方法，所述的方波信号与小电流信号成预设相位关系。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| CB02 | Change of applicant information | ||
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Address after: 100192 Beijing city Haidian District Qinghe small Camp Road No. 15 Applicant after: CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE Co.,Ltd. Applicant after: National Network Intelligent Technology Co.,Ltd. Address before: 100192 Beijing city Haidian District Qinghe small Camp Road No. 15 Applicant before: CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE Co.,Ltd. Applicant before: SHANDONG LUNENG INTELLIGENCE TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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Effective date of registration: 20210330 Address after: 100192 Beijing city Haidian District Qinghe small Camp Road No. 15 Applicant after: CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE Co.,Ltd. Applicant after: Shandong Luneng Software Technology Co.,Ltd. intelligent electrical branch Address before: 100192 Beijing city Haidian District Qinghe small Camp Road No. 15 Applicant before: CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE Co.,Ltd. Applicant before: National Network Intelligent Technology Co.,Ltd. |
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| GR01 | Patent grant | ||
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