专利名称：无线电能传输阻抗自动匹配装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种无线电能传输阻抗自动匹配装置。特别是涉及一种具有宽频带、智能化、高可靠性的一种无线电能传输阻抗自动匹配装置。
背景技术：
自从1840年发现利用电磁感应现象及导线可以传输电能至今，电能的传输主要是由导线直接接触进行传输的。电工设备的充电一般是通过插头和插座来进行，但是在进行大功率充电时，这种充电方式存在高压触电的危险。且由于存在摩擦和磨损，系统的安全性、可靠性及使用寿命较低，特别是在化工、采矿等一些易燃、易爆领域，极易引发大的事故。新型无接触电能传输系统采用电磁感应原理、电力电子技术以及控制理论相结合，实现了电能的无线传输，完全克服了以上限制。根据电能传输原理，无线电能传输大致上可以分为三类:第一类是变压器原理的直接耦合式，这种方式功率虽然较大，但是仅适于近距离；第二类电波无线能量传输技术，直接利用电磁波能量可以通过天线发射和接收的原理，这种方式虽然实现了长距离和大功率能量的传输，但是能量传输受方向限制，也不能绕过障碍物，并且损耗较大，对人体和其它生物都有严重伤害；第三类是非辐射耦合谐振方式，该技术可以在有障碍物的情况下传输，传输距离也比较远，传输功率也较大，而且对人体没有伤害。综上所述，第三种电能传输方式有着很大的开发潜力，它的出现进一步扩大了无线电能传输技术的应用目标和领域。毫无疑问，这种传能模式必将成为无线电能传输一个新的发展方向。目前磁耦合谐振式电能传输技术的研究尚处于起步阶段，主要集中在系统性能的提高和特殊场合应用研究。根据射频最大功率传输定理可知:当负载阻抗等于源阻抗的复共轭时，传输到负载的功率最大，因此负载阻抗对射频功率输出影响很大。当负载不匹配时，会产生功率反射，不但增大功率损耗，而且有可能烧毁射频源或使传输线产生介质击穿，因此在大功率无线电能传输系统中阻抗匹配至关重要，即在高频电源和电磁发射系统之间加一阻抗自动匹配装置(无源网络)实现负载阻抗自动变化，以达到最佳的传输功率和效率。本发明旨在克服阻抗不同对电能无线传输功率和效率的影响，提高电能传输性能，设计了一种具有宽频带、智能化、高可靠性的一种无线电能传输阻抗自动匹配装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提出了一种无线电能传输阻抗自动匹配装置，该装置具有宽频带、智能化、高可靠性的特点。本发明所采用的技术方案是:一种无线电能传输阻抗自动匹配装置，包括DSP控制系统，是本发明装置的核心控制单元，其特征在于，还设置有:接触器阵列控制器用于根据DSP控制系统发出信号控制接触器的开和状态，步进电机及其驱动系统用于调节可调电容的容值大小，阻抗调节系统是通过改变电感、电容大小完成阻抗调节的部分，反射系数检测系统根据检测正向电压和发射电压大小从而计算出反射系数，电容位置检测系统用于检测可变电容片的位置。所述的DSP控制系统是无线电能传输阻抗自动匹配装置的核心部分之一，包括输入电路、DSP最小系统和输出电路等。从反射系数检测系统检测到的正向电压和反向电压以及由电容位置检测系统检测到的电容片位置信号均由输入电路送至DSP芯片，DSP芯片根据这些信息计算出电容位置和接触器阵列控制器的控制状态并发出相应的命令调节电感、电容通断状态和可调电容、电感的数值大小。所述的接触器阵列控制器可接收DSP控制系统发出的命令，并根据该信号改变电容、电感的通断状态。所述的步进电机及其驱动系统中步进电机驱动系统接收DSP控制系统命令并将该命令转换成控制步进电机绕组通断的电脉冲信号。所述的阻抗调节系统由2组电容值和I组电感值构成。每组电容由I个可调电容和3个通断可控的并连固定电容组成，步进电机转动可改变可调电容的数值大小，通过接触器通断增减并连电容可改变整组电容数值。整组电感由2个电感并联，其中一个通断可控，通过改变可控的电感改变整组电感数值大小。所述的反射系数检测系统由定向耦合器、模拟滤波器、隔离放大器以及AD转换和数字滤波器组成。定向耦合器分别对传输线上正反向传输的电压进行取样，得到分离的入射信号和反射信号；然后通过模拟滤波器滤掉高频信号；接着通过隔离放大器将信号分别隔离和放大；最后进行AD转换和数字滤波并将最终结果输送到DSP控制系统。所述的电容位置检测系统由电位器和模拟跟随器组成。根据电容的容值和位置之间呈线性关系，将电容的动片通过齿轮与旋转电位器连接。电容位置改变信号反映在电位器上，通过采集电位器上的电压即可得到电容的转动位置。本发明的一种无线电能传输阻抗自动匹配装置，该装置具有高鲁棒性、高可靠性、智能化的特点。当系统通电工作后，无线电能传输阻抗自动匹配装置实时采集反射系数，当反射系数高于设定值时进行阻抗的自控调节、匹配，如此反复进行，直至反射系数小于规定值。在无线电能传输系统中加入阻抗自动匹配装置可保证负载达到实时匹配避免反射功率过大影响传输功率和效率，甚至烧毁射频功放。
图1是设计系统的整体框图；图2是阻抗调节系统原理图；图3是反射系数检测系统框图。
具体实施例方式本发明提供一种具有宽频带、智能化、高可靠性的一种无线电能传输阻抗自动匹配装置。下面结合实施例和附图对本发明的一种无线电能传输阻抗自动匹配装置做出详细说明。阻抗调节系统反射系数检测系统如图1所示，本发明的一种无线电能传输阻抗自动匹配装置，包括有DSP控制系统I可接收反射系数检测系统5信号得到射频电压的反射情况，然后根据电容位置检测系统6的电容位置信号驱动步进电机及其驱动系统3调节电容位置，同时计算出接触器阵列控制器的控制状态，其特征在于，还设置有:接触器阵列控制器2根据DSP控制系统I的控制信号调节阻抗调节系统4中的电容开关状态，步进电机及其驱动系统3用于控制步进电机转动以调节阻抗调节系统4中的可变电容的位置，阻抗调节系统4可通过电容电感的并联个数或可调电容的调节负载阻抗值，反射系数检测系统5接收射频正向电压和反射电压并由此计算反射系数，电容位置检测系统6可检测阻抗调节系统4中可调电容的位置。如图2所示，所述的阻抗调节系统4由两组电容值和一组电感值构成。可变电容Cl和C5分别与两个步进电机相连，步进电机转动可以带动电容片相对位置变化从而使电容值改变。电容C2、C3、C4、C6、C7、C8和电感L2分别由Kl、K2、K3、K4、K5、K6、K7接触器控制其通断。当负载电阻Rl发生变化时，首先接触器状态改变使电容和电感由于并联关系其值发生变化，然后微调可变电容进一步细调电容与电感数值，最终达到阻抗的匹配。如图3所示，所述的反射系数检测系统5由定向耦合器51、模拟滤波器52、隔离放大器53以及AD转换和数字滤波器54组成。定向耦合器51分别对传输线上正反向传输的电压进行取样，得到分离的入射信号和反射信号；然后通过模拟滤波器52滤掉高频信号；接着通过隔离放大器53将信号分别隔离和放大；最后进行AD转换和数字滤波并将最终结果输送到DSP控制系统。以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有局限性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一。所以如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它形式的同类部件或其它形式的各部件布局方式，不经创造性的设计出与该技术方案相似的技术方案与实施例，均应属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种无线电能传输阻抗自动匹配装置，包括DSP控制系统(1)，其特征在于，还设置有:接触器阵列控制器(2)与DSP控制系统(I)和阻抗调节系统(4)相连，步进电机及其驱动系统(3)与DSP控制系统(I)和阻抗调节系统(4)相连，用于调节电感、电容大小完成阻抗调节，反射系数检测系统(5)与DSP控制系统(I)和阻抗调节系统(4)相连，检测正向电压和发射电压大小，电容位置检测系统(6)与DSP控制系统(I)和阻抗调节系统(4)相连，用于检测可变电容片的位置。
2.根据权利要求1所述的一种无线电能传输阻抗自动匹配装置，其特征在于，所述的阻抗调节系统⑷包括由电容(Cl)、电容(C2)、电容(C3)和电容(C4)组成的电容组I和由电容(C5)、电容(C6)、电容(C7)和电容(C8)组成的电容组2以及电感(LI)和电感(LI)组成的电感组；电容(C2)、电容(C3)和电容(C4)分别由接触器(Kl)、接触器(K2)、接触器(K3)控制其通断，电容组I并联电容多少和可调电容(Cl)共同调节电容组I的容值；电容(C6)、电容(C7)和电容(C8)分别由接触器(K4)、接触器(K5)、接触器(K6)控制其通断，电容组2并联电容多少和可调电容(C5)共同调节电容组2的容值；电感(L2)与电感(LI)和接触器(K7)连接，接触器(K7)控制电感(L2)通断决定电感(L2)与电感(LI)是否并联。
3.根据权利要求1所述的一种无线电能传输阻抗自动匹配装置，其特征在于，所述的反射系数检测系统(5)由定向耦合器(51)、模拟滤波器(52)、隔离放大器(53)以及AD转换和数字滤波器(54)组成；定向耦合器(51)与阻抗调节系统(4)相连，可对传输线上正反向传输的电压进行取样；模拟滤波器(52)与由定向I禹合器(51)和隔离放大器(53)相连，用于滤掉高频信号；隔离放大器(53)与模拟滤波器(52)和AD转换和数字滤波器(54)相连，将模拟滤波器(52)的输出信号分别隔离和放大后送至AD转换和数字滤波器(54) ；AD转换和数字滤波器(54)与隔离放大器(53)相连。
全文摘要
本发明是一种无线电能传输阻抗自动匹配装置的设计，主要包括DSP控制系统、接触器阵列控制器、步进电机及其驱动系统、阻抗调节系统、反射系数检测系统和电容位置检测系统等部分。该系统属于高频电磁理论及其控制工程应用前沿领域，克服阻抗不同对电能无线传输功率和效率的影响，提高电能传输整体性能。本发明不仅提供一种具有宽频带、智能化、高可靠性的阻抗匹配装置，提高目前现有匹配的智能化水平，而且首次针对无线电能传输特点设计了适合电能传输的阻抗调节系统。
文档编号H02J17/00GK103151853SQ20131011344
公开日2013年6月12日 申请日期2013年4月3日 优先权日2013年4月3日
发明者李阳, 杨庆新, 李劲松, 薛明, 张献, 金亮 申请人:天津工业大学