br>[0035] 其中，s = jc〇，ω = 23if，f为信号的载波频率。
[0036] 在该实施例中，信号接收装置包括阻波电路、信号放大模块以及信号解调模块， 且阻波电路是由阻波电容Cf和阻波电感Lf并联而成的带通滤波电路，在电路参数变化 时，系统的固有谐振频率会有偏移，所以将该阻波电路的带通频率设计为信号载波频率的 ±10%，使得对能量工作频率附近的干扰滤除效果比较好。具体见图5,其中Uin为等效电 压输入，Uciut为输出电压，R。为输出电阻，Lf和Cf为阻波电路的电感和电容，它们的谐振频 率和能量的工作频率一致，对于工作频率一定的电感电容并联构成的阻波电路，从图6可 以看出，L越大，通带越宽，稳定性越好。
[0037] 阻波电路的传递函数G2(S)可以用下式表示：
[0039] 其中，s = j ω，ω = 2 π f，f为信号的载波频率。
[0040] 构建实验电路拓扑，具体如图7所示，在实验过程中，能量传输采用WPT系统的原 边并联，副边串联结构。其中E为输入直流电压，L为直流大电感，S1, S2, S3, S4构成全桥逆 变电路，Lp和Cp构成原边并联谐振电路，逆变电路控制频率需与该谐振网络的固有频率一 致，以使得逆变环节开关管工作于近似软开关状态。匕和C 3构成了副边的串联谐振网络， D1, D2, D3, D4构成桥式整流电路，R为负载。
[0041] 在本实施例中，信号发射装置包括信号调制模块，并将数字信号调制为FSK模式 输出。优选地，信号调制模块和信号解调模块均采用集成芯片LM1893,数字信号输入后，经 过LM1893调制成频率为285KHz和295KHz的FSK信号。能量的工作频率选为40KHz，能量 的地端和信号的地端隔离。实验时为了滤除能量的谐波干扰，又加入了带通滤波电路，带通 滤波后的信号经放大后送至LM1893进行解调。
[0042] 实验时测得的电路参数如下表1所示，其中为能量的工作频率，f为信号的工 作频率。
[0043] 将表1参数带入公式⑵和（3)用MATLAB软件得到阻波电路的输出G (s)= G1 (s) *G2 (s)的波特图8所示，从该图可以看出，信号接收回路对角频率为251000rad/s (也 即40KHz)附近的干扰衰减最大，也即能量在信号回路产生的干扰比较小。
[0044] 表1实验参数
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[0046] 由表1的电路参数搭建实验平台，分析能量传输对信号传输的干扰、输出功率对 信号传输的影响及原副边机构水平位置偏移对信号传输的影响。
[0047] 能量传输对信号传输的的干扰测试具体见图9和图10,其中图9为能量通路不工 作时的传输情况，图10可以看到能量通路工作时的传输干扰，其中CHl测试负载电阻R两 端的电压，CH2测试数字信号的输入，输入的数字信号为十六进制"55"，CH3测试数字信号 的解调输出，CH4测试取样电阻Rslg上的电压。从图9和图10的CH4对比可以看出，能量回 路工作时，信号回路会接收到能量带来的干扰。经过阻波电路和滤波环节后，能量带来的干 扰会被削弱，数据的传输正常。
[0048] 输出功率对信号传输的影响如下表2所不，其中Pciut表不输出功率，误码率以每 一万个数据中的误码个数来表示。
[0049] 表2输出功率对信号传输的影响
[0051] 从表2可以看出，在输出功率5W时系统可以实现最大9600bps的信号传输速率， 在输出功率9. 21W时，系统可以实现4800bps的信号传输速率。随功率的增加，能量通道耦 合到信号通道的干扰信号也会增加，当滤波处理后的干扰信号幅值接近传输信号时，误码 率开始加大，且随波特率的增大而快速增大。
[0052] 原副边机构水平位置偏移对信号传输的影响如表3所示，其中水平偏移表示的相 对于线圈直径偏移的百分比，误码率以每一万个数据中的误码个数来表示，无水平偏移下， 能量的输出功率是9. 21W。
[0053] 表3水平偏移对信号传输的影响
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[0055] 从表3可以看出，随着水平偏移的增大，信号传输的误码率越来越低。这是因为水 平偏移增大后，能量的传输功率会降低，所以对信号的干扰比较小。而另一方面，耦合电容 随水平偏移的增大变化并不显著，从而使得信号传输的误码率随水平偏移的增大而减小。 因此，采用本文所提的方案可以实现在较大范围内的信号稳定传输，与传统基于电磁线圈 耦合信号的方法有较明显的优势。
[0056] 通过上述设计，利用原边金属板、原边线圈、副边线圈和副边金属板两两之间产 生的寄生电容构成信号传输通道，从而可以在不影响电能传输的前提下实现高速可靠的信 号传输，实现"以磁场传输能量，以电场传输信号"的效果。
[0057] 同时该设计以WPT系统原边并联副边串联结构搭建了能量电路，经实验及相应的 数据验证，在能量与信号同步传输时，实现了在较大功率范围内的信号稳定传输，并且相较 于传统的能量和信号同步传输方法，该装置还实现了更好的灵活度和空间位置偏移冗余 度。
【主权项】
1. 一种基于寄生参数的WPT系统信号传输装置，包括用于实现能量传输的原边线圈和 副边线圈，以及用于实现信号传输的信号发生装置和信号接收装置，其特征在于：在所述原 边线圈和副边线圈的两侧分别对应设置有原边金属板和副边金属板，所述原边线圈和副边 线圈采用平面线圈，且与所述原边金属板和副边金属板相对设置，使得所述原边金属板、原 边线圈、副边线圈和副边金属板两两之间产生寄生电容，所述信号发生装置和信号接收装 置利用所述原边金属板、原边线圈、副边线圈和副边金属板两两之间产生的寄生电容作为 信号传输通道实现信号无线传输。2. 根据权利要求1所述的基于寄生参数的WPT系统信号传输装置，其特征在于：所述 原边金属板和原边线圈分别连接在信号发生装置的输出端上，所述副边金属板和副边线圈 分别连接在信号接收装置的输入端上。3. 根据权利要求2所述的基于寄生参数的WPT系统信号传输装置，其特征在于：所述 信号发射装置的两个输出端通过双绞线连接到所述原边金属板和所述原边线圈，所述副边 金属板和所述副边线圈也通过双绞线与所述信号接收装置的两个输入端连接。4. 根据权利要求1至3任一所述的基于寄生参数的WPT系统信号传输装置，其特征在 于：所述信号发射装置包括信号调制模块，并将数字信号调制为FSK或ASK模式输出。5. 根据权利要求4所述的基于寄生参数的WPT系统信号传输装置，其特征在于：所述 信号接收装置包括阻波电路、信号放大模块以及信号解调模块，且所述阻波电路是由阻波 电容C f和阻波电感Lf并联而成的带通滤波电路，该阻波电路的带通频率为信号载波频率的 ±10%〇6. 根据权利要求4所述的基于寄生参数的WPT系统信号传输装置，其特征在于：所述 信号调制模块和信号解调模块均采用集成芯片LM1893。7. 根据权利要求1所述的基于寄生参数的WPT系统信号传输装置，其特征在于：所述 原边金属板、原边线圈、副边线圈和副边金属板四者同轴设置。8. 根据权利要求1所述的基于寄生参数的WPT系统信号传输装置，其特征在于：所述 原边线圈和副边线圈之间的寄生电容采用异名端的寄生电容。
【专利摘要】本发明公开了一种基于寄生参数的WPT系统信号传输装置，包括用于实现能量传输的原边线圈和副边线圈，以及用于实现信号传输的信号发生装置和信号接收装置，在原边线圈和副边线圈的两侧分别对应设置有原边金属板和副边金属板，原边线圈和副边线圈采用平面线圈，且与原边金属板和副边金属板相对设置，使得原边金属板、原边线圈、副边线圈和副边金属板两两之间产生寄生电容，信号发生装置和信号接收装置利用寄生电容实现信号无线传输。有益效果：成本低、易于实现且传输速率高、可靠性好等优点，可以实现较好的灵活度和空间位置偏移冗余度。
【IPC分类】G08C17/04
【公开号】CN105118279
【申请号】CN201510546147
【发明人】唐春森, 苏玉刚, 孙跃, 王智慧, 叶兆虹, 戴欣
【申请人】重庆大学
【公开日】2015年12月2日
【申请日】2015年8月31日