专利名称：可稳压调频的电磁耦合式电能传输装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可稳压调频的电磁耦合式电能传输装置，适用于小功率无线电能传输技术领域，它可实现对接收线圈输出侧电压的幅值调节与稳定，且实现频率可调的电路拓扑实现方案。
背景技术：
现有的无线电能传输与传统的通过插头或插座所构成的电连接供电形式相比，它具有非接触，无磨损、不存在接触火花等优点，且可靠性高。迄今，提出的许多无线电能传输装置主要是利用电磁耦合、射频、微波以及激光等方式来实现电能传输。特别是电磁耦合的应用甚广，但是基于电磁耦合原理实现非接触式的电能传输的方法大多只简单地实现了 电能的发射和接收问题，并没有着力解决接收端输出电压幅值的调节稳定和频率可调的问题，容易使一些恒压性负载发生变化时出现过压而烧毁，或欠压而不能稳定工作。因而，实现无线电能传输系统中接收线圈输出侧电压的幅值调节与稳定和频率可调，对实际应用具有很重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够调节输出电压幅值的大小并使其稳定，同时实现频率可调的可稳压调频的电磁耦合式电能传输装置，以解决现有接收线圈输出侧电压不能调节稳压和频率无法调节的问题，克服已有技术的不足。为了达到上述目的，本发明的技术方案是一种可稳压调频的电磁耦合式电能传输装置，包括电磁发射线圈Ml和电磁接收线圈M2，其创新点在于还包括PWM调压电路、调频谐振电路、调频调压驱动控制电路、接收补偿电路和输出电压检测电路；所述PWM调压电路、调频谐振电路和电磁发射线圈Ml依次电连接；所述电磁接收线圈M2、接收补偿电路和输出电压检测电路依次电连接；所述PWM调压电路、调频谐振电路和输出电压检测电路还分别与调频调压驱动控制电路相应的连接端电连接；所述PWM调压电路具有直流电源连接端A、B，接收补偿电路具有负载连接端E、F。在上述技术方案中，所述PWM调压电路包括滤波电感LI、功率开关管Ql、二极管Dl和滤波电容C，所述功率开关管Ql的漏极同时与滤波电感LI的一端和二极管Dl的阳极电连接，滤波电容C的一端与二极管Dl的阴极电连接，且滤波电容C的另一端与功率开关管Ql的源极电连接；所述PWM调压电路的功率开关管Ql通过调频调压驱动控制电路调节其占空比；滤波电感LI的另一端以及功率开关管Ql的源极分别接PWM调压电路的直流电源连接端A、B，滤波电容C的两端是PWM调压电路的输出端。在上述技术方案中，所述调频谐振电路包括扼流滤波电感L2、功率开关管Q2、以及由谐振电容Cr和谐振电感Lr串联构成的谐振回路，所述扼流滤波电感L2的一端以及功率开关管Q2的源极分别与PWM调压电路的输出端电连接，且扼流滤波电感L2的另一端同时与功率开关管Q2的漏极以及谐振回路的一端电连接，功率开关管Q2的源极还与电磁发射线圈Ml的一端电连接；谐振回路的另一端与电磁发射线圈Ml的另一端电连接；所述调频谐振电路的功率开关管Q2通过调频调压驱动控制电路调节其开关频率。在上述技术方案中，所述接收补偿电路包括电容Ctl和电阻Rtl，所述电容Ctl和电阻R0并联后，与电磁接收线圈M2并联；所述电阻Rtl的两端还分别为接收补偿电路的负载连接端 E、F。在上述技术方案中，所述调频调压驱动控制电路是数字驱动控制电路；所述调频调压驱动控制电路包括数字处理器微控制芯片U7、三态缓冲驱动芯 片U8、第一光耦隔离集成芯片U9和第二光耦隔离集成芯片U10，所述输出电压检测电路通过数字处理器微控制芯片U7与三态缓冲驱动芯片U8相应的连接端电连接，三态缓冲驱动芯片U8还同时与第一光耦隔离集成芯片U9以及第二光耦隔离集成芯片UlO电连接；所述第一光耦隔离集成芯片U9的输出端与PWM调压电路的输入端电连接，第二光耦隔离集成芯片UlO的输出端与调频谐振电路的输入端电连接。在上述技术方案中，所述调频调压驱动控制电路是模拟驱动控制电路；所述调频调压驱动控制电路包括PWM调压驱动控制电路和调频驱动控制电路，所述PWM调压驱动控制电路与P丽调压电路电连接，调频驱动控制电路与调频谐振电路电连接，所述PWM调压驱动控制电路还与输出电压检测电路电连接。在上述技术方案中，所述PWM调压驱动控制电路包括PWM控制电路和第一光耦隔离驱动电路，所述输出电压检测电路的输出端与PWM控制电路的输入端电连接，PWM控制电路还通过第一光耦隔离驱动电路与PWM调压电路电连接。 在上述技术方案中，所述调频驱动控制电路包括频率控制电路和第二光耦隔离驱动电路，所述频率控制电路通过第二光耦隔离驱动电路与调频谐振电路电连接。在上述技术方案中，所述输出电压检测电路包括电压互感器U6和运算放大器Ul，所述电压互感器U6的输入端串接有电阻Rt，电压互感器U6的输出端串接电阻Rm并接地，且输出端还与二极管d0相连；二极管d0的阴极经电容Cl与电阻Rl的并联电路接地，同时二极管d0的阴极还经电阻R2与运算放大器Ul的同相输入端连接；运算放大器Ul的反向输入端连接有电阻R3的一端，电阻R3的另一端接地，运算放大器Ul的反相输入端和输出端之间还连接有电阻R4 ;所述电压互感器U6的输入端还与接收补偿电路的输出端电连接，运算放大器Ul的输出端还与调频调压驱动控制电路的输入端电连接。本发明所具有的积极效果是本发明既能调节稳定接收线圈输出侧电压的幅值大小，(即使随着电磁发射线圈和电磁接收线圈由于距离的改变或负载发生变化，接收线圈的输出电压也能保持稳定)，又能调节电磁接收线圈的电压频率。本发明的电磁发射线圈的输入端级联有PWM调压电路和调频谐振电路，所述PWM调压电路和调频谐振电路是通过调频调压驱动控制电路进行PWM控制和调频控制实现对接收线圈输出侧电压的幅值调节与稳定，且实现频率可调频率，频率的可调解决了不同频率交流负载的供电问题，拓宽了该电路的应用领域。
图I为本发明第一种具体实施的电路原理方框示意图，其中，Uin是直流输入电源，E、F是输出电压负载连接端;U0 + ,Ua-是输出电压两端的端电位；flrl +、Drl-是功率开关管Ql的栅级与源极电位；/>2+、Dr 2-是功率开关管Q2的栅级与源极电位；M1为电磁发射线圈、M2为电磁接收线圈；
图2为本发明第二种具体实施的电路原理方框示意图，其中，Kn是直流输入电源，E、F是输出电压负载连接端'U0+JJ0 -是输出电压两端的端电位；￡>1+、￡H-是功率开关管Ql的栅级与源极电位；斤2+、￡>2-是功率开关管Q2的栅级与源极电位；M1为电磁发射线圈、M2为电磁接收线圈；
图3为本发明的PWM调压电路、调频谐振电路、电磁发射线圈Ml、电磁接收线圈M2和接收补偿电路的电路原理 图4为图2中输出电压检测电路和PWM调压驱动控制电路(模拟驱动控制)的电路原理
图5为图2中调频驱动控制电路(模拟驱动控制)的电路原理 图6为图I中输出电压检测电路和调频调压驱动控制电路(数字驱动控制)的电路原理
图7为图4中模拟驱动控制的PWM产生的波形示意 图8a为图6中数字驱动控制的软件控制主程序流程 图Sb为图8a中数字驱动控制的AD中断子程序流程 图Sc为图8a中数字驱动控制的PID调节子程序流程 图9为图6中数字驱动控制的PWM产生的波形示意图。
具体实施例方式以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。实施例I
如图l、3、6、8a、8b、8c、9所不,一种可稳压调频的电磁稱合式电能传输装置，包括电磁发射线圈Ml和电磁接收线圈M2，还包括PWM调压电路I、调频谐振电路3、调频调压驱动控制电路7、接收补偿电路5和输出电压检测电路6 ;所述PWM调压电路I、调频谐振电路3和电磁发射线圈Ml依次电连接；所述电磁接收线圈M2、接收补偿电路5和输出电压检测电路6依次电连接；所述PWM调压电路I、调频谐振电路3和输出电压检测电路6还分别与调频 调压驱动控制电路7相应的连接端电连接；所述PWM调压电路I具有直流电源连接端A、B，接收补偿电路5具有负载连接端E、F。如图3所示，所述PWM调压电路I的输出端与调频谐振电路3的输入端相连，调频谐振电路3的输出端与电磁发射线圈Ml并联；所述PWM调压电路I包括滤波电感LI、功率开关管Q1、二极管Dl和滤波电容C，所述功率开关管Ql的漏极同时与滤波电感LI的一端和二极管Dl的阳极电连接，滤波电容C的一端与二极管Dl的阴极电连接，且滤波电容C的另一端与功率开关管Ql的源极电连接；所述PWM调压电路I的功率开关管Ql通过调频调压驱动控制电路7调节其占空比；滤波电感LI的另一端以及功率开关管Ql的源极分别接PWM调压电路I的直流电源连接端A、B，滤波电容C的两端是PWM调压电路I的输出端。其中，PWM调压电路I的直流电源连接端A、B分别与输入直流电源的正极和负极电连接，PWM调压电路I的输出端与调频谐振电路3相应的连接端电连接。
如图3所示，所述调频谐振电路3包括扼流滤波电感L2、功率开关管Q2、以及由谐振电容Cr和谐振电感Lr串联构成的谐振回路3-1，所述扼流滤波电感L2的一端以及功率开关管Q2的源极分别与PWM调压电路I的输出端电连接，且扼流滤波电感L2的另一端同时与功率开关管Q2的漏极以及谐振回路3-1的一端电连接，功率开关管Q2的源极还与电磁发射线圈Ml的一端电连接；谐振回路3-1的另一端与电磁发射线圈Ml的另一端电连接；所述调频谐振电路3的功率开关管Q2通过调频调压驱动控制电路7调节其开关频率。如图3所示，所述接收补偿电路5包括电容Ctl和电阻Rtl,所述电容Ctl和电阻Rtl并联后，与电磁接收线圈M2并联；所述电阻Rtl的两端还分别为接收补偿电路5的负载连接端E、F。如图6所示，所述调频调压驱动控制电路7是数字驱动控制电路；所述调频调压驱动控制电路7包括数字处理器微控制芯片U7、三态缓冲驱动芯片U8、第一光耦隔离集成芯片U9和第二光耦隔离集成芯片U10，所述输出电压检测电路6通过数字处理器微控制芯片U7与三态缓冲驱动芯片U8相应的连接端电连接，三态缓冲驱动芯片U8还同时与第一光耦 隔离集成芯片U9以及第二光耦隔离集成芯片UlO电连接；所述第一光耦隔离集成芯片U9的输出端与PWM调压电路I的输入端电连接，(即所述第一光耦隔离集成芯片U9的输出端的相应连接端分别与PWM调压电路I的功率开关管Ql的栅级与源极电连接)，第二光耦隔离集成芯片UlO的输出端与调频谐振电路3的输入端电连接(第二光耦隔离集成芯片UlO的输出端的相应连接端分别与调频谐振电路3的功率开关管Q2的栅级与源极电连接)。如图6所示，所述输出电压检测电路6包括电压互感器U6和运算放大器U1，所述电压互感器U6的输入端串接有电阻Rt，电压互感器U6的输出端串接电阻Rm并接地，且输出端还与二极管d0相连；二极管d0的阴极经电容Cl与电阻Rl的并联电路接地，同时二极管d0的阴极还经电阻R2与运算放大器Ul的同相输入端连接；运算放大器Ul的反向输入端连接有电阻R3的一端，电阻R3的另一端接地，运算放大器Ul的反相输入端和输出端之间还连接有电阻R4 ;所述电压互感器U6的输入端还与接收补偿电路5的输出端电连接，运算放大器Ul的输出端还与调频调压驱动控制电路7的输入端电连接。如图6、8a、8b、8c、9所示，实施例I的调节稳压和调频是按照软件控制进行实现，由输出电压反馈、输出电压参考信号以及频率控制参考电压信号的A/D转换、而功率开关管Ql的占空比更新调节和功率开关管Q2的频率更新调节由ADC中断进行完成。如图8a、8b、8c所示，软件控制分为主程序、AD中断程序，PID调节子程序。所述PWM调压电路I的功率开关管Ql每一个PWM周期(比如50us)都进行一次电压采样，使得电压采样周期与PWM周期相同，以实现实时控制。调频谐振电路3的功率开关管Q2的PWM周期定为200kHz (即5us)，功率开关管Q2的PWM由专用PWM 口输出(PWM7)，其定时器为T3 ；同时，采用定时器I周期中断标志来启动A/D转换，转换结束后申请ADC中断。ADC中断处理子程序的主要功能是更新占空比(CMPR1比较值)和功率开关管Q2的开关频率(T3PR和CMPR4 的值)。实施例I的具体程序执行步骤如下
1、程序开始时，先对Tl和T3定时器的相关寄存器、AD口、I/O 口以及变量进行定义并初始化；
2、开中断，循环等待中断；3、中断响应，进入ADC中断入口后，进行现场保护(保存累加器与相关寄存器当前值)；
4、读取ADC转换结果，将RESULTO与RESULT1寄存器中的值传送给变量^与&，将RESULT2寄存器中的值赋给T3周期寄存器T3PR，并将RESULT2寄存器中的值右移I位(除以2)后赋给比较寄存器CMPR4，更新功率开关管Q2的频率；
5、调用PID控制子程序，更新变量1)、e{k-2)、e{k-X)中的值，并返回后将 中的值赋给比较寄存器CMPR1，更新功率开关管Ql的占空比；
其中调节的过程为当输出电压反馈信号 相比给定参考电压信号 增大时，误差信号6(幻增加，若2) =e(k-Y} =0，则PID调节器输出增加，比较寄存器CMPRl的值增加，则由于PWM 口初始化设置的为高有效，则数字信号处理器DSP输出的PWMl信号占空
比减小(见图9)，从而由输出电压 与输入电压 的关系
权利要求
1.一种可稳压调频的电磁耦合式电能传输装置，包括电磁发射线圈Ml和电磁接收线圈M2，其特征在于还包括PWM调压电路(I )、调频谐振电路(3)、调频调压驱动控制电路(7)、接收补偿电路(5)和输出电压检测电路(6);所述PWM调压电路(I)、调频谐振电路(3)和电磁发射线圈Ml依次电连接；所述电磁接收线圈M2、接收补偿电路(5)和输出电压检测电路(6 )依次电连接；所述PWM调压电路(I)、调频谐振电路(3 )和输出电压检测电路(6 )还分别与调频调压驱动控制电路(7)相应的连接端电连接；所述PWM调压电路(I)具有直流电源连接端A、B，接收补偿电路(5)具有负载连接端E、F。
2.根据权利要求I所述的可稳压调频的电磁耦合式电能传输装置，其特征在于所述PWM调压电路(I)包括滤波电感LI、功率开关管Q1、二极管Dl和滤波电容C，所述功率开关管Ql的漏极同时与滤波电感LI的一端和二极管Dl的阳极电连接，滤波电容C的一端与二极管Dl的阴极电连接，且滤波电容C的另一端与功率开关管Ql的源极电连接；所述PWM调压电路(I)的功率开关管Ql通过调频调压驱动控制电路(7)调节其占空比；滤波电感LI的另一端以及功率开关管Ql的源极分别接PWM调压电路(I)的直流电源连接端A、B，滤波电 容C的两端是PWM调压电路(I)的输出端。
3.根据权利要求I所述的可稳压调频的电磁耦合式电能传输装置，其特征在于所述调频谐振电路(3)包括扼流滤波电感L2、功率开关管Q2、以及由谐振电容Cr和谐振电感Lr串联构成的谐振回路(3-1)，所述扼流滤波电感L2的一端以及功率开关管Q2的源极分别与PWM调压电路(I)的输出端电连接，且扼流滤波电感L2的另一端同时与功率开关管Q2的漏极以及谐振回路(3-1)的一端电连接，功率开关管Q2的源极还与电磁发射线圈Ml的一端电连接；谐振回路(3-1)的另一端与电磁发射线圈Ml的另一端电连接；所述调频谐振电路(3)的功率开关管Q2通过调频调压驱动控制电路(7)调节其开关频率。
4.根据权利要求I所述的可稳压调频的电磁耦合式电能传输装置，其特征在于所述接收补偿电路(5)包括电容Ctl和电阻Rtl，所述电容Ctl和电阻Rtl并联后，与电磁接收线圈M2并联；所述电阻Rtl的两端还分别为接收补偿电路(5)的负载连接端E、F。
5.根据权利要求I所述的可稳压调频的电磁耦合式电能传输装置，其特征在于所述调频调压驱动控制电路(7)是数字驱动控制电路；所述调频调压驱动控制电路(7)包括数字处理器微控制芯片U7、三态缓冲驱动芯片U8、第一光耦隔离集成芯片U9和第二光耦隔离集成芯片U10，所述输出电压检测电路(6)通过数字处理器微控制芯片U7与三态缓冲驱动芯片U8相应的连接端电连接，三态缓冲驱动芯片U8还同时与第一光耦隔离集成芯片U9以及第二光耦隔离集成芯片UlO相应的输入端电连接；所述第一光耦隔离集成芯片U9的输出端与PWM调压电路(I)的输入端电连接，第二光耦隔离集成芯片UlO的输出端与调频谐振电路(3)的输入端电连接。
6.根据权利要求I所述的可稳压调频的电磁耦合式电能传输装置，其特征在于所述调频调压驱动控制电路(7)是模拟驱动控制电路；所述调频调压驱动控制电路(7)包括PWM调压驱动控制电路(2 )和调频驱动控制电路(4)，所述PWM调压驱动控制电路(2 )与PWM调压电路(I)电连接，调频驱动控制电路(4)与调频谐振电路(3)电连接，所述PWM调压驱动控制电路(2)还与输出电压检测电路(6)电连接。
7.根据权利要求6所述的可稳压调频的电磁耦合式电能传输装置，其特征在于所述PWM调压驱动控制电路(2)包括PWM控制电路(2-1)和第一光耦隔离驱动电路(2-2)，所述输出电压检测电路(6)的输出端与PWM控制电路(2-1)的输入端电连接，PWM控制电路(2-1)还通过第一光耦隔离驱动电路(2-2)与PWM调压电路(I)电连接。
8.根据权利要求6所述的可稳压调频的电磁耦合式电能传输装置，其特征在于所述调频驱动控制电路(4)包括频率控制电路(4-1)和第二光耦隔离驱动电路(4-2)，所述频率控制电路(4-1)通过第二光耦隔离驱动电路(4-2)与调频谐振电路(3)电连接。
9.根据权利要求I所述的可稳压调频的电磁耦合式电能传输装置，其特征在于所述输出电压检测电路(6 )包括电压互感器U6和运算放大器Ul，所述电压互感器U6的输入端串接有电阻Rt，电压互感器U6的输出端串接电阻Rm并接地，且输出端还与二极管dO相连；二极管dO的阴极经电容Cl与电阻Rl的并联电路接地，同时二极管dO的阴极还经电阻R2与运算放大器Ul的同相输入端连接；运算放大器Ul的反向输入端连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端接地，运算放大器Ul的反相输入端和输出端之间还连接有电阻R4 ;所述电压互感器U6的输入端还与接收补偿电路(5)的输出端电连接，运算放大器Ul的输出端还与调频调压驱动控制电路(7)的输入端电连接。
全文摘要
本发明公开一种可稳压调频的电磁耦合式电能传输装置，包括电磁发射线圈M1和电磁接收线圈M2，还包括PWM调压电路、调频谐振电路、调频调压驱动控制电路、接收补偿电路和输出电压检测电路；所述PWM调压电路、调频谐振电路和电磁发射线圈M1依次电连接；所述电磁接收线圈M2、接收补偿电路和输出电压检测电路依次电连接；所述PWM调压电路、调频谐振电路和输出电压检测电路还分别与调频调压驱动控制电路相应的连接端电连接；所述PWM调压电路具有直流电源连接端A、B，接收补偿电路具有负载连接端E、F。本发明能调节输出电压幅值的大小并使其稳定，同时实现频率可调，解决现有接收线圈输出侧电压的幅值大小和频率无法调节的问题。
文档编号H02J17/00GK102969803SQ20121043285
公开日2013年3月13日 申请日期2012年11月3日 优先权日2012年11月3日
发明者戴卫力, 唐伟, 薛伟民, 费峻涛 申请人:河海大学常州校区