CN204068439U - 双轴跟踪式无线电能连接器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双轴跟踪式无线电能连接器，包括MCR-WPT传输***和步进电机实时跟踪***；其中MCR-WPT传输***采用四线圈结构：高频逆变模块将高频信号进行功率放大，激励发射线圈与谐振线圈感应，同时收发两端的谐振线圈之间产生磁耦合谐振，发生能量交换，最后接收线圈与谐振线圈感应完电能的无线传输；步进电机实时跟踪***采用闭环结构，由主要控制模块、信息采集模块、步进电机与旋转机构、显示器构成，旋转机构包含有一个水平轴和一个竖直轴，本实用新型通过调节发射线圈的位置，可保持收发线圈中心轴平行，并通过显示器将***的工作状态实时显示，有效提高电能的传输效率。

Description

双轴跟踪式无线电能连接器

技术领域

    本发明涉及到一种应用于无线电能传输的电能连接器，具体涉及一种双轴跟踪式无线电能连接器。

背景技术

磁耦合谐振式无线电能传输(magnetically-coupled resonant wireless power transfer，MCR-WPT)，是一种适用于中等距离(传输距离一般为传输线圈直径的几倍)的电能传输方式，一般包含了：直流电压源、高频逆变电路、发射与接收线圈、负载，它不受空间非磁性障碍物的影响，相比于感应式无线电能传输方式，它具有更远的传输距离；相比于辐射式无线电能传输方式，它对电磁环境的影响较小，且功率更大，在现有的传输***中，收发线圈都处于同轴的状态，适用于静态或者收发线圈可保持同轴的环境，实际使用已用于电动汽车充电、大型家用电器充电等，本专利在收发线圈角度不固定的情况，通过控制电机传动双轴，调整发射线圈的角度，提高电能的传输效率，使谐振式无线电能传输技术应用于更复杂的场景，而双轴跟踪的装置，多应用于太阳能发电技术，比如：“一种利用单电机实现太阳能双轴跟踪的装置（CN202694157U）”，它包括固定底座、旋转云台、电池板、滑轨、电机、控制电路、锥齿轮和凸轮；所述固定底座上还包括锥齿；所述步进电机还包括电机轴；所述转动云台还包括支架；所述控制电路包括电源模块、单片机、计时模块和电机驱动模块，虽然很相似，但它是用于发电的，其双轴***本身的能耗也影响了发电的性能。

步进电机是将输入的电脉冲(数字控制信号)转换成角位移或直线位移的机电执行元件，由于步进电机的位移输出没有累积误差，其输出转角、转速与输入脉冲的个数、频率呈线性关系，被广泛应用于各种开环控制，如仪器仪表、机器人、数控机床等，一般可将步进电机的控制***分为：开环、半闭环和闭环控制***，虽然步进电机的开环控制能满足精确定位，但在有些场合，仍需要步进电机的闭环控制，如本专利的连续控制情况，PLC 和单片机都可用作步进电机的控制器：PLC 功能强大，成本较高，如果仅用于控制一个步进电机有点大材小用；而单片机功能足够时，成本很低。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了双轴跟踪式无线电能连接器，通过对步进电机的实时跟踪控制，传动双轴，使得收发两端线圈中轴线保持平行，从而达到在接收端不固定也能以可用的效率传输电能的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

双轴跟踪式无线电能连接器，其特征在于：包括MCR-WPT传输***和步进电机实时跟踪***， 

其中MCR-WPT传输***采用四线圈结构：高频逆变模块将高频信号进行功率放大，激励发射线圈与谐振线圈感应，同时收发两端的谐振线圈之间产生磁耦合谐振，发生能量交换，最后接收线圈与谐振线圈感应完电能的无线传输；

步进电机实时跟踪***采用闭环结构，由主要控制模块、信息采集模块、步进电机与旋转机构、显示器构成，主要控制模块负责信号处理与步进电机控制，芯片方案为主控芯片MSP430F123和驱动芯片UC3717AQ，它通过输出控制脉冲至驱动芯片，调整步进电机的启停和正反转，达到控制发射线圈面向的目的，信息采集模块的主要由陀螺仪L3G4200D和罗氏线圈LEM Flex RR30-24组成，它们分别安装在发射线圈和接收线圈上，采集来自发射线圈的位置信息和来自负载的功率信息，并发送至主要控制模块，所述的步进电机与旋转机构包括一个支架和两个步进电机，发射线圈安装在支架上，支架由中间有一个两自由度的旋转机构带动，旋转机构包含有一个水平轴和一个竖直轴，步进电机负责传动，显示器通过串行接口与控制器相连，可以将***信息实时显示。

本发明的有益效果是：

本发明通过调节发射线圈的位置，可保持收发线圈中心轴平行，并通过显示器将***的工作状态实时显示，有效提高电能的传输效率。

附图说明

图1为本发明的整体示意图。

图2 为本发明所述的MCR-WPT传输***线圈能量随错角变化图。

图3 为本发明所述的高频逆变电路。

图4 为本发明所述的主要控制模块控制电路芯片连接图。

图5为本发明所述的步进电机与旋转机构示意图。

具体实施方式

如图所示，本发明所述的双轴跟踪式无线电能连接器主要由MCR-WPT传输***与步进电机实时跟踪***构成，其中：

MCR-WPT传输***最基本的实现方式是采用两线圈结构，这种结构随着两线圈距离的微小增加，容易导致阻抗失配，使传输效率急剧下降，此外，由于收发线圈的谐振频率容易受到电源和负载的影响，导致失谐，使传输效率下降，为了解决这些问题，本发明使用4线圈结构，高频逆变模块将高频信号进行功率放大，电路图如图3所示，通过控制四个开关管的通断，就可以在输出侧产生幅值等于输入电压的交流方波电压，如果输出侧构成LC并联谐振电路，就可以产生有效值等于输入电压的正弦电压；激励发射线圈与谐振线圈感应使得收发谐振线圈之间产生磁耦合谐振，发生能量交换，最后接收端的谐振线圈与接收线圈感应完电能无线传输，谐振线圈采用2mm漆包线绕制而成，功率放大使用场效应管；

步进电机实时跟踪***采用闭环式电机控制***，包含有主要控制模块、信息采集模块、步进电机与旋转机构、显示器构成；

主要控制模块包含了主控芯片和步进两个驱动芯片，主控芯片选择了16位超低功耗、并具有精简指令集（RISC）的混合信号处理芯片MSP430F123，称之为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路模块、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案，MSP430F123有8个 AD 采集通道，4个分配给陀螺仪，3个分配给罗氏线圈。MAX3232电平转换芯片将接口电压进行转换已满足主要控制模块与PC通信的需要，步进电机驱动芯片采用UC3717AQ，整个控制电路芯片连接图如图4所示；

信息采集模块主要由罗氏线圈LEM Flex RR30-24和陀螺仪L3G4200D组成，分别用于测量接收线圈的功率和发射线圈的位置信息，其中陀螺仪通过测量出角速度推算转动的角度，而罗氏线圈通过对感应到的电压信号进行微分处理，可精确测量接收线圈的电流信息，步进电机与旋转机构示意图如图5所示，包括一个支架和两个步进电机，发射线圈安装在支架上，支架由中间有一个两自由度的旋转机构带动，旋转机构包含有一个水平轴和一个竖直轴，控制***控制旋转机构的两个步进电机，就可以控制发射线圈的转向，两个轴的机械装置都能进行360°旋转，而水平轴只需要不到180°的旋转，满足全方位调节发射线圈面向的需求，显示器采用常用型号LCD1602，具有体积比较小，显示比较自由丰富，控制比较简单的特点，它有两种工作模式，一种要占用8跟数据线，一种只占用4跟数据线但要分时传输两次数据，本发明使用的是8线工作模式，加上3根控制线，因此它需要占用控制器的11个IO口，显示器通过串行接口与控制器相连，可以将***信息实时显示。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (1)

1.双轴跟踪式无线电能连接器，其特征在于：包括MCR-WPT传输***和步进电机实时跟踪***； 

其中MCR-WPT传输***采用四线圈结构：高频逆变模块将高频信号进行功率放大，激励发射线圈与谐振线圈感应，同时收发两端的谐振线圈之间产生磁耦合谐振，发生能量交换，最后接收线圈与谐振线圈感应完电能的无线传输；

步进电机实时跟踪***采用闭环结构，由主要控制模块、信息采集模块、步进电机与旋转机构、显示器构成，主要控制模块负责信号处理与步进电机控制，芯片方案为主控芯片MSP430F123和驱动芯片UC3717AQ，它通过输出控制脉冲至驱动芯片，调整步进电机的启停和正反转，达到控制发射线圈面向的目的，信息采集模块的主要由陀螺仪L3G4200D和罗氏线圈LEM Flex RR30-24组成，它们分别安装在发射线圈和接收线圈上，采集来自发射线圈的位置信息和来自负载的功率信息，并发送至主要控制模块，所述的步进电机与旋转机构包括一个支架和两个步进电机，发射线圈安装在支架上，支架由中间有一个两自由度的旋转机构带动，旋转机构包含有一个水平轴和一个竖直轴，步进电机负责传动，显示器通过串行接口与控制器相连，可以将***信息实时显示。