CN111953089B - 一种基于互感扰动的无线充电***接收线圈定位方法 - Google Patents

一种基于互感扰动的无线充电***接收线圈定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于互感扰动的无线充电***接收线圈定位方法，首先搭建含有中继线圈的三线圈无线充电***等效电路模型，计算出各回路电流的表达式；之后建立在任意空间位置下平面螺旋线圈之间的互感关系式；然后改变中继线圈的位置并测量对应位置下发射和中继线圈的电流值，重复三次；最后根据发射和中继线圈的电流值，计算出接收线圈和中继线圈之间的距离，根据三点定位的原理确定接收线圈的位置。本发明无需对接收线圈的电参数进行测量(减小了接收线圈的体积)，仅需要测量发射和中继线圈的电流，就可以实现接收线圈的二维定位，同时可以进行电能的无线传输。

Description

一种基于互感扰动的无线充电***接收线圈定位方法
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术，特别涉及一种基于互感扰动的无线充电***接收线圈定位方法。
背景技术
近年来，随着微机电***技术、微电子技术和新材料技术的发展，出现了各类胶囊式无创诊查***,如胶囊内窥镜、胃肠压力、pH值检测胶囊、胃肠温度记录胶囊等。为植入式电子设备提供安全便捷、高效可靠的电能供给以及植入设备的定位与追踪是目前植入式医疗***急需解决的关键问题。受人体组织的影响，传统的定位技术如射频定位技术定位精度比较低，而诸如X射线之类的基于图像的定位技术不能够进行实时的定位且价格昂贵，长期使用会对人体造成伤害。由于人体是非导磁体，人体组织的磁导率和真空磁导率非常接近，因此基于磁偶极子模型的磁定位技术比较适合植入设备的定位。但是磁偶极子模型要求线圈之间的距离远大于线圈半径，因此在定位的同时无法进行电能的传输，而且需要在植入设备中加入额外的电压检测装置，这无疑增大了其体积。
在这种情况下，本发明公开了一种基于互感扰动的无线充电***接收线圈定位方法，其无需测量体内接收线圈的电参数，仅需要测量体外的发射和中继线圈的电流，就可以实现接收线圈的二维定位，同时进行电能的无线传输。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于互感扰动的无线充电***接收线圈定位方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于互感扰动的无线充电***接收线圈定位方法，在发射线圈和接收线圈之间加入中继线圈，构成三线圈***，通过改变中继线圈的位置，测量对应中继线圈位置下发射和中继线圈的电流值，实现接收线圈的二维定位。
进一步的，该方法包括如下步骤：
步骤1、搭建三线圈无线充电***等效电路模型，计算出各回路电流的表达式；
步骤2、建立任意空间位置下平面螺旋线圈之间的互感关系式；
步骤3、改变中继线圈的位置并测量对应位置下发射和中继线圈的电流值，重复三次；
步骤4、根据发射和中继线圈的电流值，计算出接收线圈与中继线圈之间的水平距离，根据三点定位的原理确定接收线圈的位置。
进一步的，步骤1中，搭建三线圈无线充电***等效电路模型，计算出各回路电流表达式，具体为：
根据三线圈无线充电***等效电路模型，对发射、中继和接收回路分别列写 KVL方程：
Figure RE-GDA0002699980540000021
当***处于谐振状态时，根据式(1)可以解得发射、中继和接收回路的电流，如式(2)所示：
Figure RE-GDA0002699980540000022
式中，
Figure RE-GDA0002699980540000023
表示发射线圈的输入电压，ω表示***工作角频率，M12、M23和M13分别表示发射线圈和中继线圈、中继线圈和接收线圈、发射线圈和接收线圈之间的互感，
Figure RE-GDA0002699980540000024
和
Figure RE-GDA0002699980540000025
分别表示发射、中继和接收回路的电流，Z1、Z2和Z3分别表示发射回路、中继回路和接收回路的等效阻抗，R1、R2和R3分别表示发射线圈、中继线圈和接收线圈的等效内阻，RL表示负载；
平面螺旋线圈的等效欧姆电阻Ro由式(3)计算得到：
Figure RE-GDA0002699980540000026
式中，μ0为真空磁导率，ω为角频率，l为线圈的长度，σ为导体电导率，a为导体半径，根据式(3)和发射、中继以及接收线圈的参数即可计算出R1、R2和 R3的值。
进一步的，步骤2中，建立任意空间位置下平面螺旋线圈之间的互感关系式，具体为：
针对处于不同空间位置下的两个单匝圆形细导线，假设线圈1位置不变，仅改变线圈2的相对空间位置，则根据聂以曼公式，两个线圈之间的互感系数M 为：
Figure RE-GDA0002699980540000031
以线圈1的圆心为原点，以线圈1和线圈2圆心的连线在线圈1上的投影为 x轴，建立空间直角坐标系，则式(4)转化为式(5)：
Figure RE-GDA0002699980540000032
其中，
Figure RE-GDA0002699980540000033
对于多匝平面螺旋线圈，它们之间的互感为：
Figure RE-GDA0002699980540000034
式中，μ0为真空磁导率，h为两个线圈圆心之间的垂直距离，d为沿x轴水平偏移的距离，α为沿y轴偏移的角度，dl1为线圈1的微元，dl2为线圈2的微元， r12为dl1和dl2之间的距离，r1为线圈1的半径，r2为线圈2的半径，n1为线圈 1的匝数，n2为线圈2的匝数。
进一步的，步骤4中，根据发射线圈和中继线圈的电流值，计算出接收线圈与中继线圈之间的距离，根据三点定位的原理确定接收线圈的位置，具体为：
根据三个不同位置下中继线圈和发射线圈电流值，解得对应位置下中继线圈和接收线圈之间的水平距离d；根据中继线圈圆心坐标点以及中继线圈和接收线圈之间的水平距离d确定三个圆，最终求得三个圆的交点，即为接收线圈的圆心，根据圆心位置即可确定接收线圈的位置。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明无需对接收线圈的电参数进行测量(减小了接收线圈的体积)，仅需要测量发射和中继线圈的电流，就可以实现接收线圈的二维定位，同时可以进行电能的无线传输。
附图说明
图1是本发明无线充电***接收线圈定位的方法的流程图。
图2是本发明三线圈无线充电***等效电路图。
图3是本发明平面螺旋线圈在任意空间位置下的互感关系示意图。
图4是使用本发明定位方法的实施例的仿真验证图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施案例，进一步说明本发明方案。
本发明基于互感扰动对无线充电***接收线圈进行定位的方法，适用于平面螺旋线圈，其无需对接收线圈的电参数进行测量(减小了接收线圈的体积)，在发射线圈和接收线圈之间加入中继线圈，构成三线圈***，通过改变中继线圈的位置，并测量对应位置下发射和中继线圈的电流值，就可以实现接收线圈的二维定位，同时可以进行电能的无线传输。
为了便于对本发明方案的理解，下面介绍无线充电***接收线圈定位方法的相关理论。
步骤1，搭建三线圈无线充电***等效电路模型，计算出各回路电流表达式；
根据图2三线圈无线充电***等效电路模型，对发射、中继和接收回路分别列写KVL方程：
Figure RE-GDA0002699980540000041
当***处于谐振状态时，根据式(1)可以解得发射、中继和接收回路的电流，如式(2)所示：
Figure RE-GDA0002699980540000042
式中，
Figure RE-GDA0002699980540000043
表示发射线圈的输入电压，ω表示***工作角频率，M12、M23和M13分别表示发射线圈和中继线圈、中继线圈和接收线圈、发射线圈和接收线圈之间的互感，
Figure RE-GDA0002699980540000044
和
Figure RE-GDA0002699980540000045
分别表示发射、中继和接收回路的电流，Z1、Z2和Z3分别表示发射回路、中继回路和接收回路的等效阻抗，R1、R2和R3分别表示发射线圈、中继线圈和接收线圈的等效内阻，RL表示负载。
平面螺旋线圈的等效欧姆电阻Ro可由式(3)计算得到：
Figure RE-GDA0002699980540000051
式中，μ0为真空磁导率，ω为角频率，l为线圈的长度，σ为导体电导率，a为导体半径。根据式(3)和发射、中继以及接收线圈的参数可以计算出R1、R2和 R3的值。
步骤2，建立任意空间位置下平面螺旋线圈之间的互感关系式；
以图3所示的处于不同空间位置下的两个单匝圆形细导线为例，假设线圈1 位置不变，仅改变线圈2的相对空间位置，则根据聂以曼公式，两个线圈之间的互感系数M为：
Figure RE-GDA0002699980540000052
在图3中，以线圈1的圆心为原点，以线圈1和线圈2圆心的连线在线圈1 上的投影为x轴，建立空间直角坐标系，将式(4)转化为式(5)：
Figure RE-GDA0002699980540000053
其中，
Figure RE-GDA0002699980540000054
对于多匝平面螺旋线圈，它们之间的互感为：
Figure RE-GDA0002699980540000055
式中，μ0为真空磁导率，h为两个线圈圆心之间的垂直距离，d为沿x轴水平偏移的距离，α为沿y轴偏移的角度，dl1为线圈1的微元，dl2为线圈2的微元， r12为dl1和dl2之间的距离，r1为线圈1的半径，r2为线圈2的半径，n1为线圈 1的匝数，n2为线圈2的匝数。
步骤3，改变中继线圈的位置并测量对应位置下中继线圈和发射线圈的电流值；
重复三次，改变三次中继线圈的位置并记录三个不同位置下的中继线圈圆心坐标点，测量并记录三个不同位置下中继线圈和发射线圈的电流值。
步骤4，根据发射线圈和中继线圈的电流值，计算出接收线圈与中继线圈之间的距离，根据三点定位的原理确定接收线圈的位置；
对于一个接收线圈位置不确定的三线圈无线电能传输***，在式(2)中，只有M13、M23和I3是未知的，因此可以通过测量I1和I2的值来获得M13和M23的值。根据式(4)-(7)，在传输距离h一定的情况下，根据互感值可以解得接收线圈相对于中继线圈的水平偏移量d。根据步骤3记录的三个不同位置下中继线圈和发射线圈电流值，可以解得对应位置下中继线圈和接收线圈之间的水平距离d。此外，由于接收线圈的圆心位于以中继线圈的圆心为圆心，以d为半径的圆环上，因此根据中继线圈圆心坐标点以及中继线圈和接收线圈之间的水平距离d(半径)，确定三个圆，最终求得三个圆的交点，即为接收线圈的圆心，如图4所示。
当无线充电***接收线圈的位置不确定时，使用本发明对无线充电***中接收线圈进行定位的方法，无需对接收线圈的电参数进行测量(减小了接收线圈的体积)，仅需要测量发射和中继线圈的电流，就可以实现接收线圈的二维定位，同时可以进行电能的无线传输。由于植入式医疗设备如胶囊内窥镜在人体内的位置具有不确定性，因此本发明可以应用到植入式医疗设备无线充电***，具有很高的实用价值。
实施例
为了验证本发明方案的有效性，取谐振频率f＝200kHz，绕线方式为密绕，匝间距d＝2a，a为导线半径，在ANSYS仿真软件中进行如下仿真，如图4所示。
首先要确定三线圈的参数，如表1所示：
表1线圈参数表
Figure RE-GDA0002699980540000061
设置发射线圈的坐标为(0，0，0)，中继线圈依次设置在三个位置(5，0， 8)，(-5，0，8)和(0，5，8)，然后将接收线圈分别设置在(0，0，10)和 (10，10，10)两个位置下进行仿真。坐标单位均为厘米。仿真结果如表2所示。
表2仿真结果
Figure RE-GDA0002699980540000071
从表2可以看出，当接收线圈位于(0，0，10)位置时，根据本发明方案所述的定位方法，得到的接收线圈位置为(-0.5，0.68，10)，误差为0.844cm；当接收线圈位于(10，10，10)位置时，根据本发明方案所述的定位方法，得到的接收线圈位置为(11，9.4，10)，误差为1.166cm。综合误差大约在1cm左右，与接收线圈9cm的直径相比较小，可以满足要求。

Claims (2)

1.一种基于互感扰动的无线充电***接收线圈定位方法，其特征在于，在发射线圈和接收线圈之间加入中继线圈，构成三线圈***，通过改变中继线圈的位置，测量对应中继线圈位置下发射和中继线圈的电流值，实现接收线圈的二维定位，包括如下步骤：
步骤1、搭建三线圈无线充电***等效电路模型，计算出各回路电流的表达式；
步骤2、建立任意空间位置下平面螺旋线圈之间的互感关系式；
步骤3、改变中继线圈的位置并测量对应位置下发射和中继线圈的电流值，重复三次；
步骤4、根据发射和中继线圈的电流值，计算出接收线圈与中继线圈之间的水平距离，根据三点定位的原理确定接收线圈的位置；
步骤1中，搭建三线圈无线充电***等效电路模型，计算出各回路电流表达式，具体为：
根据三线圈无线充电***等效电路模型，对发射、中继和接收回路分别列写KVL方程：
Figure FDA0003744923740000011
当***处于谐振状态时，根据式(1)可以解得发射、中继和接收回路的电流，如式(2)所示：
Figure FDA0003744923740000012
式中，
Figure FDA0003744923740000013
表示发射线圈的输入电压，ω表示***工作角频率，M12、M23和M13分别表示发射线圈和中继线圈、中继线圈和接收线圈、发射线圈和接收线圈之间的互感，
Figure FDA0003744923740000014
和
Figure FDA0003744923740000015
分别表示发射、中继和接收回路的电流，Z1、Z2和Z3分别表示发射回路、中继回路和接收回路的等效阻抗，R1、R2和R3分别表示发射线圈、中继线圈和接收线圈的等效内阻，RL表示负载；
平面螺旋线圈的等效欧姆电阻Ro由式(3)计算得到：
Figure FDA0003744923740000021
式中，μ0为真空磁导率，ω为角频率，l为线圈的长度，σ为导体电导率，a为导体半径，根据式(3)和发射、中继以及接收线圈的参数即可计算出R1、R2和R3的值；
步骤4中，根据发射和中继线圈的电流值，计算出接收线圈与中继线圈之间的水平距离，根据三点定位的原理确定接收线圈的位置，具体为：
对于一个接收线圈位置不确定的三线圈***，在式(2)中，只有M13、M23和
Figure FDA0003744923740000025
是未知的，通过测量
Figure FDA0003744923740000026
和
Figure FDA0003744923740000027
的值来获得M13和M23的值，在垂直距离h一定的情况下，根据互感值可以解得接收线圈相对于中继线圈的水平距离d；根据三个不同位置下中继线圈和发射线圈电流值，解得对应位置下中继线圈和接收线圈之间的水平距离d；根据中继线圈圆心坐标点以及中继线圈和接收线圈之间的水平距离d确定三个圆，最终求得三个圆的交点，即为接收线圈的圆心，根据圆心位置即可确定接收线圈的位置。
2.根据权利要求1所述的无线充电***接收线圈定位方法，其特征在于，步骤2中，建立任意空间位置下平面螺旋线圈之间的互感关系式，具体为：
针对处于不同空间位置下的两个单匝圆形细导线，假设线圈1位置不变，仅改变线圈2的相对空间位置，则根据聂以曼公式，两个线圈之间的互感系数M为：
Figure FDA0003744923740000022
以线圈1的圆心为原点，以线圈1和线圈2圆心的连线在线圈1上的投影为x轴，建立空间直角坐标系，则式(4)转化为式(5)：
Figure FDA0003744923740000023
其中，
Figure FDA0003744923740000024
对于多匝平面螺旋线圈，它们之间的互感为：
Figure FDA0003744923740000031
式中，μ0为真空磁导率，h为两个线圈圆心之间的垂直距离，d为沿x轴水平偏移的距离，α为沿y轴偏移的角度，dl1为线圈1的微元，dl2为线圈2的微元，r12为dl1和dl2之间的距离，r1为线圈1的半径，r2为线圈2的半径，n1为线圈1的匝数，n2为线圈2的匝数，θ为线圈1微元dl1与其所在坐标系x轴的夹角，ψ为线圈2微元dl2与其所在坐标系x'轴的夹角，Mij为线圈i和线圈j之间的互感系数，x1为线圈1微元dl1的x轴坐标，y1为线圈1微元dl1的y轴坐标，z1为线圈1微元dl1的z轴坐标，x2为线圈2微元dl2的x轴坐标，y2为线圈2微元dl2的y轴坐标，z2为线圈2微元dl2的z轴坐标。
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