一种适用于大功率无线滑环装置的WPDT系统

技术领域

本发明涉及无线电能传输领域，更具体地，涉及一种适用于大功率无线滑环装置的WPDT系统。

背景技术

无线滑环是一种利用磁感应耦合原理实现电能无线传输的装置，可以在原副边完全无接触的条件下实现电能与数据信号的传输，能够充分克服传统接触式滑环所存在的磨损严重、维护困难、发热损坏等问题。该装置在副边高速旋转、电能传输功率较大、空间利用要求较高的场合应用广泛，如：计算机断层成像(Computed Tomography,CT)设备。为实现无线滑环对传统接触式滑环功能的完全取代，必须设计合理的无线电能数据同步传输(Wireless Power and Data Transmission,WPDT)电路系统。

相比于分立通道传输、电能调制、分时传输等方式，高频载波注入式电能数据同步传输方案可以实现功率、数据共用同一无线滑环磁耦合通道传输，极大地缩小了系统尺寸、增强了系统空间利用能力，保证了系统的电能传输质量和数据传输能力。

目前已有学者提出了多种高频载波并联注入式无线能量与数据同步传输电路拓扑，通过在功率传输电路设置阶数更高的谐振补偿网络和高频阻波器、在数据传输电路设置高阶滤波电路以滤除高次谐波、降低能信串扰，实现电能与数据信号在原边输入前和副边输出后的完全解耦。然而，现有的无线能量与数据同步传输系统往往只能在不超过5kW的应用条件下保持较好工作性能。一旦提高系统传输功率将会引入很大的能信串扰，恶化数据传输的速率、延时和误码率，现有的滤波电路将不再满足工作需求；另一方面，高阶的阻波器将使得功率传输谐振点难以确定，数据传输回路处高阶的滤波电路也会导致系统动态响应时间过长，不利于数据传输速率的进一步提升。以上问题极大地限制了无线滑环装置在大功率条件下的应用前景。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种适用于大功率无线滑环装置的WPDT系统，其目的在于，通过合理的拓扑设计、参数设计和信号调制，提高大功率无线滑环装置的额定功率、带负载能力和可控能力，解决电能与数据传输间的串扰问题和在大功率场合中信号传输速率较低的问题，同时保证不低于80％的功率传输效率，实现无线滑环装置功率、数据共用同一磁耦合通道的同步传输。

为实现上述目的，本发明提供了一种适用于大功率无线滑环装置的WPDT系统，包括：功率传输电路、数据传输电路；

功率传输电路用于实现大功率电能的无线传输，高效、稳定地为负载提供可控功率；

数据传输电路用于实现功率控制和指令信号数据的高速率、低延时、低误码率无线传输；

所述功率传输电路，包括直流电源、原边逆变电路、双边补偿网络(原边补偿网络和副边补偿网络)、无线滑环磁耦合结构、副边整流电路、负载；

原边逆变电路用于将直流电源电压信号转换为交流电压信号，实现电能通过磁耦合结构的无线传输；

双边补偿网络用于补偿磁耦合结构原副边无功功率、降低线损、提高系统带负载能力、隔离功率传输回路和数据传输回路、滤除高次谐波分量，实现功率与数据信号的解耦；

无线滑环磁耦合结构用于实现电能与数据信号共用同一磁耦合通道同步无线传输；

副边整流电路用于将传输至副边的功率级交流电压信号转换为直流电压供负载使用；

所述数据传输电路包括数据调制电路、双边带通旁路电路(原边带通旁路电路和副边带通旁路电路)、双边数据增益调节电路(原边数据增益调节电路和副边数据增益调节电路)、双边隔离变压器(原边隔离变压器和副边隔离变压器)、双边谐振补偿电路(原边谐振补偿电路和副边谐振补偿电路)、与能量传输共用的同一磁耦合结构(无线滑环磁耦合结构)、数据解调电路；

数据调制电路用于将高频电压载波信号赋予待传输数据信号的特征，输出调制信号，使之得以通过磁耦合结构无线传输；

双边带通旁路电路在数据载波频率处发生谐振，用于滤除数据调制电路输出方波电压信号的高次谐波、功率传输电路传来的低频干扰；

双边数据增益调节电路用于调节数据增益大小、缓冲带通旁路电路造成的电压电流尖峰、防止数据调制电路输出的方波电压信号直接加在电容两端；

双边隔离变压器用于滤除功率传输对数据传输造成的大功率低频干扰；

双边谐振补偿电路电容与隔离变压器副边自感在数据载波频率处谐振，用于滤除功率传输对数据传输造成的大功率低频干扰，实现功率与数据信号的解耦；

数据解调电路用于对采样电阻接收到的信号进行解调，输出数据信号；

所述原边逆变电路为移相全桥逆变电路，包括功率MOS管Q

功率MOS管Q

功率MOS管Q

所述副边整流电路为全波不控整流电路，包括功率二极管D

功率二极管D

功率二极管D

所述原边补偿网络为LCCL电路，包括电感L

所述副边补偿网络为LCCL电路，包括电感L

所述数据调制电路为半桥逆变电路，包括功率MOS管Q

功率MOS管Q

电容C

所述数据传输电路中的原边谐振补偿电路包括电容C

所述数据传输电路中的副边谐振补偿电路包括电容C

所述原边数据增益调节电路包括电阻R

所述副边数据增益调节电路包括电阻R

所述原边带通旁路电路包括电容C

所述副边带通旁路电路包括电容C

本发明所述的适用于大功率无线滑环装置的无线电能数据同步传输系统工作原理为：将经过调制后的高频数据信号电压直接加在无线滑环磁耦合结构原边绕组两端，与频率相对较低的功率信号叠加并通过单一磁耦合通道同步传输；根据电磁感应原理，副边线圈感应出原边传来的交变信号，进一步经过滤波、阻波实现功率与数据信号间的解耦；功率部分经过谐振补偿电路和整流滤波等环节供给负载使用，数据信号经过滤波、解调后得到原始控制信号，实现对无线滑环的状态检测与进一步控制。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明能够取得以下有益效果：

(1)本发明功率传输回路使用双边LCCL补偿网络，其本身具有高阶带通滤波特性，对数据传输回路输出、逆变电路输出和整流电路输入处的高频噪声和高次谐波分量具有很好的滤波效果，无需额外增设滤波器；双边LCCL补偿网络自由度数量众多，能够通过调节补偿网络参数实现额定功率在相当宽范围内的设定；双边LCCL补偿网络既可实现恒流输出，亦可实现恒压输出，具备很强的带负载能力；与双边LCC补偿相比增加了一对串联电感L

(2)本发明数据传输回路设置了数据增益调节电路，可根据延时要求和电路硬件特性对数据增益进行调节；数据传输回路双边隔离变压器原边均设置了LC带通旁路电路，可以有效滤除数据调制电路输出方波电压信号的高次谐波、功率传输电路传来的低频干扰，在副边分离出高频数据信号，同时，尽可能降低了数据传输回路滤波电路的阶数，提高数据传输速率。

(3)本发明的电路拓扑在滑环原边静止、副边以5r/s转速稳定旋转工作的工况下，实现了40kW的稳定功率传输和90％的传输效率，同时可以实现延时2.5μs、速率200kbps的同步数据传输。

附图说明

图1为本发明实施例提供的适用于大功率无线滑环装置的WPDT系统拓扑图；

图2为本发明实施例提供的系统功率传输电路拓扑图；

图3为本发明实施例提供的系统数据传输电路拓扑图；

图4(a)为本发明实施例提供的副边LC带通旁路电路和数据增益调节等效电路原理图；

图4(b)为本发明实施例提供的原边LC带通旁路电路和数据增益调节等效电路原理图；

图5为本发明实施例提供的ASK解调模块工作原理框图；

图6为本发明实施例提供的在Simulink仿真中获得的数据信号解调过程波形图；

图7为本发明实施例提供的在Simulink仿真中获得的数据信号解调波形、接收波形与原始发送数据波形的对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为系统电路拓扑图。

电路系统由功率传输电路、数据传输电路两部分组成，电路工作原理为：将经过调制后的高频数据信号电压加在无线滑环磁耦合结构原边绕组两端，与频率相对较低的功率信号叠加并通过单一磁耦合通道同步传输；根据电磁感应原理，副边线圈感应出原边传来的交变信号，进一步经过滤波、阻波实现功率与数据信号间的解耦；功率部分经过谐振补偿电路和整流滤波等环节供给负载使用，数据信号经过滤波、解调后得到原始控制信号，实现对无线滑环的状态检测与进一步控制。

图2为功率传输电路拓扑图。

直流电源经过原边电压型逆变电路后输出频率为f

对于频率为f

为完全补偿原副边无功功率、降低线损、提高系统带负载能力，在谐振工况下图2电路参数应满足：

在理想情况下，不考虑任何功率损耗，系统效率为100％，输出功率为：

其中R

此外，双边LCCL补偿网络其身具有高阶带通滤波特性，对数据传输回路输出、逆变电路输出和整流电路输入处的高频噪声和高次谐波分量具有很好的滤波效果，无需再额外增设滤波器。

副边LCCL补偿网络输出频率为f

图3为数据传输电路拓扑图。

u

原边数据增益调节电路由R

信号经电磁感应传入无线滑环磁耦合结构副边，副边与原边的串联谐振补偿电路、LC旁路电路和隔离变压器的电路拓扑和参数设计完全对称，C

副边数据增益调节电路由R

图4(a)为副边LC带通旁路电路和数据增益调节等效电路。

副边隔离变压器输出电压为u

当且仅当

图4(b)为原边LC带通旁路电路和数据增益调节等效电路。

Z

当且仅当

图5为ASK解调模块工作原理框图。

采用的解调方式为非相干解调。发送的调制数据波形在数据接收端被采样电阻R

图6为在Simulink仿真中获得的数据信号解调过程波形图。

数据发送端发出“1010”的无限循环比特流。图中第一行是信号接收端取样电阻R

由图可知：数据接收端接收到的电压幅值最大达到6V，数据增益为0.507；数据传输速率为200kbps，解调输出方波信号占空比53.6％，实现了对高速率数据传输信号的还原。

图7为在Simulink仿真中获得的数据信号解调波形、接收波形与原始发送数据波形的对比图。

图中第一行是数据发送端发出的数据波形，第二行是数据接收端取样电阻R

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。