CN112928827A - 非接触供电装置谐振频率自动锁定的控制电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非接触供电装置谐振频率自动锁定的控制电路及控制方法，控制电路包括主电路、谐振腔、电流传感器、过零比较器、与非门电路、差分电路和数字信号处理器；所述差分电路的输出端分别与所述与非门电路的第二输入端和所述数字信号处理器的第二输入口连接；所述与非门电路的输出端与所述数字信号处理器的捕捉口连接。本发明提供的非接触供电装置谐振频率自动锁定的控制方法基于初级发射线圈电流周期的实时检测，控制逆变器输出电压周期，通过实时计算初级发射线圈电流和逆变器输出电压的相位差，利用数字锁相环算法实时调整开关频率实现精准锁相，实现逆变器软开关，减小逆变器开关损耗和逆变器端口电流，提高传输效率。

Description

非接触供电装置谐振频率自动锁定的控制电路及控制方法

技术领域

本发明涉及无线供电设备技术领域，特别是涉及一种非接触供电装置谐振频率自动锁定的控制电路及控制方法。

背景技术

非接触供电的特点是电源和负载之间无需接触，通过松耦合进行供电，具有无接触、无磨损、无火花、防水和防尘等特性，在个人消费电子产品无线充电、电动汽车无线充电、以自动引导小车为主的物流***等领域，逐渐得到广泛应用。

现有的非接触供电一般利用电磁感应原理，初级侧电源在初级发射线圈上施加激励电压，在空间产生交变磁场。次级接收线圈耦合感应出的电能经过调节后给设备供电。根据不同的应用场景初级发射结构有线圈和电缆两种方式，前者适合于取电器为非运行型固定结构，后者适用于取电器为沿固定路线运行的运动型结构。

理论分析与实验结果表明，电缆式发射结构需要配合谐振腔电路，所输入的方波电压转换成同频率的正弦电流，发射部分的功率与电缆电流成正比。仅当开关频率等于初级侧谐振腔谐振频率时，即谐振频率锁定时，逆变端口的电流才会最小，***才能获得最高的功率因数与传输效率。为达到这一目的，传统的处理办法是采用模拟电路CD4046实现锁相，需要设计电路对初级侧逆变侧的输出电压和轨道侧的输出电流进行采样和波形整形，从而调节压控震荡器的输出频率，使得输出频率逐步逼近实际的谐振频率。但是，这种处理办法采用模拟锁相方式，电路比较复杂，不便于进行数字化控制。

发明内容

基于此，有必要针对上述提到的至少一个问题，提供一种非接触供电装置谐振频率自动锁定的控制电路及控制方法。

第一个方面，本申请提供了一种非接触供电装置谐振频率自动锁定的控制电路，包括主电路、谐振腔、电流传感器、过零比较器、与非门电路、差分电路和数字信号处理器；

所述主电路包括相互电连接的三相不控整流桥和逆变桥，所述谐振腔与所述逆变桥通过变压器和电流传感器电连接，所述谐振腔的两个电容通过原边轨道电缆连接；

所述过零比较器的正输入端与所述电流传感器电连接，所述过零比较器的输出端分别与所述与非门电路的第一输入端和所述数字信号处理器的第一输入口连接；

所述差分电路的输出端分别与所述与非门电路的第二输入端和所述数字信号处理器的第二输入口连接；所述与非门电路的输出端与所述数字信号处理器的捕捉口连接。

在第一个方面的某些实现方式中，所述三相不控整流桥包括电容组、第一电阻和三组相互并联的二极管组，每组所述二极管组包括两个串联的二极管，两个所述二极管之间与三相电源的一相连接；所述二极管组的第二端与第一电阻的第一端连接，所述第一电阻与第一开关并联；所述二极管组的第一端与所述第一电阻的第二端之间连接有电容组。

结合第一个方面和上述实现方式，在第一个方面的某些实现方式中，所述电容组包括串联的第一电容和第二电容，所述第一电容和所述第二电容为有极电容；所述三相不控整流桥还包括第二电阻、第二开关和第三电容；所述第二电阻的第二端与所述第一电阻的第二端连接，所述第二电阻的第一端与所述二极管组的第一端连接，所述第二电阻与所述第二开关串联；所述第三电容的第一端分别与所述二极管组的第一端和所述逆变桥的第一端连接，所述第三电容的第二端分别与所述第一电阻的第二端和所述逆变桥的第二端连接。

结合第一个方面和上述实现方式，在第一个方面的某些实现方式中，所述逆变桥包括第四电容和第一变压器，所述逆变桥的第二输出端与第四电容的第一端连接，所述电流传感器分别与所述第四电容的第二端和所述第一变压器的左第一端连接，所述逆变桥的第一输出端与所述第一变压器的左第二端连接。

结合第一个方面和上述实现方式，在第一个方面的某些实现方式中，所述谐振腔包括第一电感、第二电感、第五电容和第六电容，所述第一电感的第一端与所述第一变压器的右第一端连接，所述第一电感的第二端与所述第二电感的第一端连接，所述第二电感的第二端与所述第六电容的第一端连接，所述第五电容的第一端与所述第一电感的第二端连接，所述第五电容的第二端与所述变压器的右第二端连接；所述第六电容的第二端通过所述原边轨道电缆与所述第五电容的第二端连接。

结合第一个方面和上述实现方式，在第一个方面的某些实现方式中，所述数字信号处理器还包括处理器和驱动单元，所述第一输入口、所述第二输入口和所述捕捉口均连接在所述处理器上，所述驱动单元与所述处理器连接。

第二个方面，一种非接触供电装置谐振频率自动锁定的控制方法，采用如本发明申请第一个方面描述的非接触供电装置谐振频率自动锁定的控制电路，包括如下步骤：

确定所述数字信号处理器中定时器的时间基准，通过所述电流传感器采集初级发射线圈的电流信号，由所述过零比较电路根据所述电流信号脉冲式生成若干个电流过零点信息，输出到所述数字信号处理器的第一输入端口，获取原边电流对应的方波下降沿过零点时刻的第一计数器数据；

基于所述时间基准，获取所述差分电路的逆变端口电压信号，并输送到所述数字信号处理器的第二输入端口，获取逆变端口电压对应的方波下降沿过零点时刻的第二计数器数据；

根据所述第一计数器数据和所述第二计数器数据，确定相位差；

根据所述相位差，确定满足谐振所需的实际开关周期值。

本发明的实施例中提供的技术方案带来如下有益技术效果：

本发明提供的非接触供电装置谐振频率自动锁定的控制方法基于初级发射线圈电流周期的实时检测，控制逆变器输出电压周期，通过实时计算初级发射线圈电流和逆变器输出电压的相位差，利用数字锁相环算法实时调整开关频率实现精准锁相，实现逆变器软开关，减小逆变器开关损耗和逆变器端口电流，提高传输效率。

本申请附加的方面和优点将在后续部分中给出，并将从后续的描述中详细得到理解，或通过对本发明的具体实施了解到。

附图说明

图1为本发明申请一实施例中非接触供电装置谐振频率自动锁定的控制的电路结构示意图；

图2为本发明申请一实施例中非接触供电装置谐振频率自动锁定的控制方法的流程示意图；

图3为本发明申请一实施例中非接触供电装置谐振频率自动锁定的控制方法的具体流程示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的可能的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文已经通过附图描述的实施例。通过参考附图描述的实施例是示例性的，用于使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面，而不能解释为对本发明的限制。此外，如果已知技术的详细描述对于示出的本发明的特征是非必要技术的，则可能将这些技术细节予以省略。

相关领域的技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

下面以具体地实施例对本发明的技术方案以及该技术方案如何解决上述的技术问题进行详细说明。

本发明申请第一个方面提供了一种非接触供电装置谐振频率自动锁定的控制电路，如图1所示，包括主电路10、谐振腔20、电流传感器30、过零比较器40、与非门电路50、差分电路60和数字信号处理器70。

主电路10包括相互电连接的三相不控整流桥11和逆变桥12，谐振腔20与逆变桥12通过变压器和电流传感器30电连接，谐振腔20的两个电容通过原边轨道电缆连接。

过零比较器40的正输入端与电流传感器30电连接，过零比较器40的输出端分别与与非门电路50的第一输入端和数字信号处理器70的第一输入口连接。差分电路60的输出端分别与与非门电路50的第二输入端和数字信号处理器70的第二输入口连接；与非门电路50的输出端与数字信号处理器70的捕捉端口连接。

可选的，在第一个方面实施例的一种实现方式中，如图1所示，三相不控整流桥11包括电容组、第一电阻R1和三组相互并联的二极管组，每组二极管组包括两个串联的二极管，两个二极管之间与三相电源的一相连接；二极管组的第二端与第一电阻R1的第一端连接，第一电阻R1与第一开关并联；二极管组的第一端与第一电阻R1的第二端之间连接有电容组。二极管组可选为三组，如图1中的D1和D2，D3和D4，以及D5和D6。

可选的，结合第一个方面实施例和上述的实现方式，在第一个方面实施例的另一些实现方式中，电容组包括串联的第一电容C1和第二电容C2，第一电容C1和第二电容C2为有极电容；三相不控整流桥11还包括第二电阻R2、第二开关和第三电容R3；第二电阻R2的第二端与第一电阻R1的第二端连接，第二电阻R2的第一端与二极管组的第一端连接，第二电阻R2与第二开关串联；第三电容C3的第一端分别与二极管组的第一端和逆变桥12的第一端连接，第三电容C3的第二端分别与第一电阻R1的第二端和逆变桥12的第二端连接。

可选的，结合第一个方面实施例和上述的实现方式，在第一个方面实施例的又一些实现方式中，逆变桥12包括第四电容C4和第一变压器T1，逆变桥12的第二输出端与第四电容C4的第一端连接，电流传感器30分别与第四电容C4的第二端和第一变压器T1的左第一端连接，逆变桥12的第一输出端与第一变压器T1的左第二端连接。

可选的，结合第一个方面实施例和上述的实现方式，在第一个方面实施例的再一些实现方式中，谐振腔20包括第一电感L1、第二电感L2、第五电容C5和第六电容C6，第一电感L1的第一端与第一变压器T1的右第一端连接，第一电感L1的第二端与第二电感L2的第一端连接，第二电感L2的第二端与第六电容C6的第一端连接，第五电容C5的第一端与第一电感L1的第二端连接，第五电容C5的第二端与第一变压器T1的右第二端连接；第六电容C6的第二端通过原边轨道电缆与第五电容的第二端连接。

可选的，在第一个方面实施例的某些实现方式中，数字信号处理器70还包括处理器和驱动单元，第一输入口、第二输入口和捕捉端口均连接在处理器上，驱动单元与处理器连接。

从硬件角度，处理器1001可以是CPU(Central Processing Unit，中央处理器)，通用处理器，DSP(Digital Signal Processor，数据信号处理器)，ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit，专用集成电路)，FPGA(Field－Programmable GateArray，现场可编程门阵列)或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件、硬件部件或者其任意组合。其可以实现或执行结合本发明公开内容所描述的各种示例性的逻辑方框，模块和电路。处理器1001也可以是实现计算功能的组合，例如包含一个或多个微处理器组合，DSP和微处理器的组合等。

基于同一技术构思，本发明申请第二个方面的实施例提供了一种非接触供电装置谐振频率自动锁定的控制方法，采用如本发明申请第一个方面描述的非接触供电装置谐振频率自动锁定的控制电路，如图2所示，包括如下步骤：

S100：确定数字信号处理器70中定时器的时间基准，通过电流传感器30采集初级发射线圈的电流信号，由过零比较电路根据电流信号脉冲式生成若干个电流过零点信息，输出到数字信号处理器70的第一输入端口，获取原边电流对应的方波下降沿过零点时刻的第一计数器数据。

S200：基于时间基准，获取差分电路60的逆变端口电压信号，并输送到数字信号处理器70的第二输入端口，获取逆变端口电压对应的方波下降沿过零点时刻的第二计数器数据。

S300：根据第一计数器数据和第二计数器数据，确定相位差。

S400：根据相位差，确定满足谐振所需的实际开关周期值。

本发明提供的非接触供电装置谐振频率自动锁定的控制方法基于初级发射线圈电流周期的实时检测，控制逆变器输出电压周期，通过实时计算初级发射线圈电流和逆变器输出电压的相位差，利用数字锁相环算法实时调整开关频率实现精准锁相，实现逆变器软开关，减小逆变器开关损耗和逆变器端口电流，提高传输效率。

如图3所示，对设备进行初始化，尤其是将数字信号处理器70设置初始化，设置其中的定时器T为计时时基，并且将第一输入口和第二输入口设置为下降沿捕捉方式，将捕捉端口设置为上升与下降捕捉方式。之后，启动定时器T。

电流传感器30采集初级发射线圈的电流信号，并将电流采样信号输出到过零比较电路，过零比较电路以脉冲的方式产生电流过零点信息，送到数字信号处理器70的第一输入端口。

差分电路60采集IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)组成的全桥逆变电路的端口电压信号，经调整电路处理后送到数字信号处理器70的第二输入端口。

启动数字信号处理器70的内部定时器T作为时间基准，捕获原边电流对应的方波下降沿过0点时刻的T计数器的第一计数器数据Ti_f(n)。数字信号处理器70捕获逆变端口电压对应的方波下降沿过0点时刻的T计数器的第二计数器数据Tv_f(n)。定义符号函数Sign(dT)，定义电压与电流相位关系变量：

dT＝Ti_f(n)-Tv_f(n)…………公式(1)

当Sign(dT)>0时，相位上电流超前电压；当Sign(dT)<0时相位上电流滞后电压。如果|dT|<1us，则认为处于锁相状态，无需调整开关频率。

原边电流对应的方波下降与原边电压对应的方波经与门电路后得到一波形，该波形的高电平宽度表示相位差大小。该波形经调理电路处理后送入数字信号处理器70的第一捕获口，设置捕获方式为该方波信号的上升沿与下降沿，定义相位差为dP(n)，相位差大小为PW，则存在如下公式(3)：

dP(n)＝Sign(dT)*PW…………公式(3)

数字锁相环控制器利用程序来实现，为提高锁相精度，控制器可具体采用离散化的比例积分(PI)控制器。该控制器给定值为0，反馈值为带方向的相位差，其输出作为开关管驱动信号的开关周期修正值，该开关周期修正值被定义为dTP(n)，且存在如下关系式组(4)：

dTP(n)＝dTP(n-1)+(Kp+Ki)*dP(n)-Kp*dP(n-1)

dTP(n-1)＝dTP(n)

dP(n-1)＝dP(n)………关系式组(4)

其中dTP(n)为数字锁相环控制器当前脉冲节拍的输出；dTP(n-1)为数字锁相环控制器上一脉冲节拍的输出；dP(n)为数字锁相环当前脉冲节拍相位差；dP(n-1)为数字锁相环上一脉冲节拍的相位差。Kp为数字比例积分控制器的比例系数，Ki为数字比例积分控制器的积分系数。

定义开关周期的初始设置值为TP0。则经过数字锁相控制器处理后得到的开关周期为：

TP＝TP0+dTP(n)………公式(5)

组成逆变桥的开关管按照以上自动调节后的开关周期，通过T1A/B，T2A/B按更新后的频率发出驱动信号，发出高频信号就可以确保逆变端口的电压与电压同相，从而实现谐振，端口电流最小功率因数与效率最高。

本技术领域技术人员可以理解，本申请中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本申请中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本申请中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，附图的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种非接触供电装置谐振频率自动锁定的控制电路，其特征在于，包括主电路、谐振腔、电流传感器、过零比较器、与非门电路、差分电路和数字信号处理器；

所述主电路包括相互电连接的三相不控整流桥和逆变桥，所述谐振腔与所述逆变桥通过变压器和电流传感器电连接，所述谐振腔的两个电容通过原边轨道电缆连接；

所述过零比较器的正输入端与所述电流传感器电连接，所述过零比较器的输出端分别与所述与非门电路的第一输入端和所述数字信号处理器的第一输入口连接；

所述差分电路的输出端分别与所述与非门电路的第二输入端和所述数字信号处理器的第二输入口连接；所述与非门电路的输出端与所述数字信号处理器的捕捉口连接。

2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述三相不控整流桥包括电容组、第一电阻和三组相互并联的二极管组，每组所述二极管组包括两个串联的二极管，两个所述二极管之间与三相电源的一相连接；所述二极管组的第二端与第一电阻的第一端连接，所述第一电阻与第一开关并联；所述二极管组的第一端与所述第一电阻的第二端之间连接有电容组。

3.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述电容组包括串联的第一电容和第二电容，所述第一电容和所述第二电容为有极电容；所述三相不控整流桥还包括第二电阻、第二开关和第三电容；所述第二电阻的第二端与所述第一电阻的第二端连接，所述第二电阻的第一端与所述二极管组的第一端连接，所述第二电阻与所述第二开关串联；所述第三电容的第一端分别与所述二极管组的第一端和所述逆变桥的第一端连接，所述第三电容的第二端分别与所述第一电阻的第二端和所述逆变桥的第二端连接。

4.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述逆变桥包括第四电容和第一变压器，所述逆变桥的第二输出端与第四电容的第一端连接，所述电流传感器分别与所述第四电容的第二端和所述第一变压器的左第一端连接，所述逆变桥的第一输出端与所述第一变压器的左第二端连接。

5.根据权利要求4所述的控制电路，其特征在于，所述谐振腔包括第一电感、第二电感、第五电容和第六电容，所述第一电感的第一端与所述第一变压器的右第一端连接，所述第一电感的第二端与所述第二电感的第一端连接，所述第二电感的第二端与所述第六电容的第一端连接，所述第五电容的第一端与所述第一电感的第二端连接，所述第五电容的第二端与所述变压器的右第二端连接；所述第六电容的第二端通过所述原边轨道电缆与所述第五电容的第二端连接。

6.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述数字信号处理器还包括处理器和驱动单元，所述第一输入口、所述第二输入口和所述捕捉口均连接在所述处理器上，所述驱动单元与所述处理器连接。

7.一种非接触供电装置谐振频率自动锁定的控制方法，其特征在于，采用如权利要求1～6中任一项所述的非接触供电装置谐振频率自动锁定的控制电路，包括如下步骤：

确定所述数字信号处理器中定时器的时间基准，通过所述电流传感器采集初级发射线圈的电流信号，由所述过零比较电路根据所述电流信号脉冲式生成若干个电流过零点信息，输出到所述数字信号处理器的第一输入端口，获取原边电流对应的方波下降沿过零点时刻的第一计数器数据；

基于所述时间基准，获取所述差分电路的逆变端口电压信号，并输送到所述数字信号处理器的第二输入端口，获取逆变端口电压对应的方波下降沿过零点时刻的第二计数器数据；

根据所述第一计数器数据和所述第二计数器数据，确定相位差；

根据所述相位差，确定满足谐振所需的实际开关周期值。

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