用于高速列车无线供电技术的高频信号采集系统的制作方法
【技术领域】
[0001]无线传能技术目前仍处在起步阶段。传输效率与很多因素有关，例如发送线圈与接收线圈的尺寸、发送端的频率与接收端是否达到谐振乃至整个系统是否具有一样的谐振频率和发送的距离长短等等。由于传能过能中高频的电压、电流信号难以检测，接收端与发送端是否达到谐振又与传能效率息息相关。
[0002]电力列车在低速运行状态下，受电弓滑板与接触网导线之间的接触相对平稳，通常能够正常受流。然而在高速运行状态下，弓网关系将受到摩擦、离线、振动、电弧和环境等多方面挑战，持续稳定的高速受流问题亟待解决。因此，研究高速列车无线供电技术具有十分重要的意义。近年来高速列车拓展了一种新的供电方式，能量的发送线圈沿轨道悬空架设于车身之上，接收线圈在车身顶部，能量从上往下传递。这种供电方式代替了受电弓与接触网滑动取电的传统方式，允许存在数十厘米的工作间隙，提高了绝缘强度，避免了弓网电弧频繁出现及高速移动时材料磨损等诸多问题，从而显著提高受流质量。
[0003]本发明是一种高频信号采集系统，其采用高速AD控制器嵌入FPGA架构，FPGA实现对外接AD控制器的FIFO管理控制和数据缓存。本发明满足了对MHz数量级高频信号的采集，对传能过程的电压、电流以及功率进行实时观测，可将采样到的信号特性发送到上位机，便于远程实时观察与分析，本发明是高速列车无线供电技术发展过程中必不可少的应用平台。
【背景技术】
[0004]随着第二次工业革命的到来我们进入了电气化的时代。全球各地的用电设备、高压线、电网、电线等电能的传送主要通过金属的导线直接接触式的传输。这种接触式的传输方式逐渐有很多问题暴露出来，老化、摩擦、能量在传输的过程中经常出现火花，存在用电安全隐患以及影响用电设备的寿命。另外，传统的有线供电方式已经不能满足时代的发展，不再满足一些特殊应用场合的需求，如水中、矿井和深海等。除此之外，植入人体内的医疗产品等的供电也越来越显现出缺陷。这些问题和不足，预示着一个无金属线的无线供电模式的兴起，即无线供电技术。无线供电的成功实现将使人类的生活发生历史性的变化。早在19世纪中后期，无线电能传输的概念就被著名的特斯拉提出，并获得了专利，为后来无线电能传输技术的发展绘制了美好的蓝图和奠定了一定的研究基础。
[0005]国内以及国外的尚速铁路在建设中和运营中的经验表明了尚速铁路具有五大特点:高稳定性、高可靠性、高安全性、高平顺性、高精确度等。处理好受电弓与接触网之间的关系，解决高速下列车稳定受流，是保证“五高特点”能够实现的必要途径。高铁列车在高速运行状态下，摩擦、离线、振动、打弧和自然环境等等都会给弓网关系带来问题。这些问题的存在，显而易见是制约高铁列车迅速发展的瓶颈。为解决这些问题，可以利用无线电能传输技术向尚铁列车提供稳定、可靠的电能。
【发明内容】
[0006]本发明是应用于高速列车无线供电模型中的高频信号采集系统，其采用高速AD控制器嵌入FPGA架构，FPGA实现对外接AD控制器的FIFO管理控制和数据缓存。本发明体积小，性能好，对传能过程的电压、电流以及功率进行实时观测，可将采样到的信号特性发送到上位机，便于远程实时观察与分析，同时更有利于对动态传能系统进行检测与分析。在高速列车负载波动的情况下对功率进行补偿控制，使无线供电型高速列车运行更加稳定、可靠。
[0007]本发明所采用的技术方案是:用于高速列车无线供电技术的高频信号采集系统设置有高频逆变电源(I)，能量发送线圈(2)，能量接收线圈(3)，整流滤波部分(4)，列车模型
(5)，ARM和FPGA采集部分(6)，无线信号通信装置蓝牙模块(7)，DSP控制器部分(8)。
[0008]所述的高频逆变电源(I)先是整流部分用二极管将交流电变为直流电，同时滤波电路串联在整流电路用以消除高次谐波，输出恒定电压的直流电；再将直流电转换为适应负载功率要求的交变电流，输出电压的大小取决于控制器的PWM输出。
[0009]所述的能量发送线圈(2)由外加绝缘层的金属导体组成，悬空架设于机车的顶部，其谐振频率与电源频率保持一致，以保证较低的反射系数，用于发射斩波功率振荡电路产生的交变电磁场。
[0010]所述的能量接收线圈(3)由多匝金属导体绕制成的线圈组成，安装在机车的正上方，接收线圈在制作时就考虑了电源的频率，制作出的接收线圈与电源频率保持一致，以保证接收线圈在运行中保持谐振状态，以通过谐振耦合的方式实现能量的高效传递。
[0011]所述的整流滤波部分(4)由桥式整流电路、滤波电路、斩波电路组成，其中桥式整流电路将线圈获得的交流电整流成直流电，滤波电路消除电路中的高次谐波，随后斩波电路将滤波后的直流电转变成恒定输出电压的直流电，进而也可将直流电调制能所需频率的交流电。
[0012]所述的列车模型(5)是2*5m的沙盘，列车长度约70cm，能量的发送线圈沿轨道悬空架设于车身之上，接收线圈在车身顶部，能量从上往下传递。
[0013]所述的ARM和FPGA采集部分(6)将被测模拟量信号转化为数字量，在对数字量数据进行处理、分析，最后完成按键处理、液晶屏上的波形与数据显示、数据的无线通信等。
[0014]所述的无线信号通信装置蓝牙模块(7)，其适用于10米内的无线数据传输中，采用RS232/UART接口，串口波特率，可以实现I对I或者I对多的数据传输。本发明中此蓝牙用于示波器与上位机之间的数据传输。
[0015]所述的DSP控制器(8)模块作为最终的中央处理器，控制着高频逆变电源的输出，直接决定了高速列车的运行速度。
[0016]应用本发明使无线供电型高速列车运行平稳，受流质量得到很大提升，为无线供电型高速列车的发展奠定了技术保障，本发明应用前景广阔，意义非凡。
【附图说明】
[0017]图1是本发明的整体功能框图；
[0018]图2是本发明中高频逆变电源部分工作过程图；
[0019]图3是本发明中无线供电型高速列车供电端与机车接收端位置图；
[0020]图4是本发明未应用高频信号采集系统实现的结果图；
[0021]图5是本发明应用高频信号采集系统实现的恒功控制结果图；
【具体实施方式】
[0022]下面结合图2、图3、图4说明本发明的实施例。
[0023]如图2所示为高频逆变电源⑴的工作过程。高频逆变电源⑴采用数字化高频电源，控制器(9)应用DSP和FPGA配套使用，DSP选用的是TI公司的TMS320LF2407A，FPGA选用的是ALTERA公司的EPM570F100C5N。控制器(9)主要用于采集斩波调功(11)后的直流电压值(14)和高频逆变(12)后的高频电流值(15)。高频逆变电源(I)设置有触摸屏，可对电源进行参数的选定，主要用于设定电源的输出功率和实现最大效率的电源输出谐振频率。其中通过PWM(16)控制斩波调功的功率值，即为电源的输出功率值；通过PWM(17)控制高频逆变部分的全桥逆变电路，使电源输出达到谐振状态，以致效率最高。触摸屏还可以实时显示直流电压值(14)和高频电流值(15)，触摸屏与控制器(13)之间应用的是485通信。这样，实时采集到直流电压值(14)和高频电流值(15)与触摸屏上输出的设定值进行比较，用控制器(9)输出PffM(16)、PffM(17)对系统进行误差调节，使系统达到平衡。
[0024]如图3所示为本发明的供受电结构位置图。高频逆变电源(I)的输出直接连接到悬空架设在列车(5)之上的发送线圈(2)，发送线圈(2)布满整个列车轨道(18)。接收线圈
(3)设置在列车(5)顶部，随列车(5) —直处在运动状态。发送线圈(2)与接收线圈(3)之间有大约ICm的距离。在发送线圈(2)上方以及接收线圈(3)下方设置有屏蔽层(19)，首先能减少磁场的丢失提高了传能效率，其次能保证列车(9)内乘客不被高频磁场的干扰。本发明采用发送线圈(2)特定距离内的分时供电，这样列车达到哪段线圈立即开启此段线圈的输出同时将关断前一段线圈的输出，起到提高传能效率的作用。
[0025]如图4所示为本发明未应用高频信号采集系统结果图，如图5所示为本发明应用高频信号采集系统实现的恒功控制结果图。波形显示清晰，稳定，参数测量精度高，完全达到采集高频信号的设计要求。应用此方案对无线供电高速列车的一次侧、二次侧高频信号进行测试，其中平路、上坡、下坡三个位置的信号波形如图4，应用了功率补偿闭环控制方案后的信号波形如图5。结果表明，在高速列车无线供电系统中应用ARM+FPGA架构的高频信号采集方案，一次侧随二次侧负载变化进行了良好的功率补偿。将此ARM+FPGA架构的方案应用到数字化频率追踪中相比于硬件的频率追踪方案将具有良好实时性与稳定性，所采用的资源少，减少了成本和体积，跟踪速度快，跟踪频率准确，抗干扰能力强，此方案为频率追踪软件实现提供了基础保障。设计应用前景广阔，意义非凡。
【主权项】
1.本发明是应用于高速列车无线供电模型中的高频信号采集系统。2.根据权利要求1所述应用于高速列车无线供电模型中的高频信号采集系统，其特征还在于供电端沿轨道悬空架设于列车之上，受电端安装于列车顶部，能量通过空间磁场传递。3.根据权利要求1所述应用于高速列车无线供电模型中的高频信号采集系统，其特征还在于代替了受电弓与接触网滑动取电的传统方式，允许存在几厘米的工作间隙，提高了绝缘强度，避免了弓网电弧频繁出现及高速移动时材料磨损等诸多问题。4.根据权利要求1所述应用于高速列车无线供电模型中的高频信号采集系统，其特征还在于在高速列车负载波动的情况下对功率进行补偿控制，使无线供电型高速列车运行更加稳定、可靠。
【专利摘要】本发明是应用于高速列车无线供电模型中的高频信号采集系统，其采用高速AD控制器嵌入FPGA架构，FPGA实现对外接AD控制器的FIFO管理控制和数据缓存。本发明体积小，性能好，对传能过程的电压、电流以及功率进行实时观测，可将采样到的信号特性发送到上位机，便于远程实时观察与分析，同时更有利于对动态传能系统进行检测与分析。在高速列车负载波动的情况下对功率进行补偿控制，使无线供电型高速列车运行更加稳定、可靠。
【IPC分类】H02J17/00, H02J13/00, G05B19/05
【公开号】CN105141040
【申请号】CN201510653962
【发明人】李连鹤, 张欣, 苏杭, 祝丽花, 杨洋, 张献, 吴晓康
【申请人】天津工业大学
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年10月9日