无线电能传输通道上的载波通信实验系统及实验方法与流程

本发明涉及一种载波通信实验系统及实验方法，特别是涉及一种无线电能传输通道上的载波通信实验系统及实验方法。

背景技术：

矿山行业内以深度超过1000m的矿井属于超深矿井，深度少于1000m的属于浅井。矿井提升装备是矿物资源开采中的重大关键装备，是连接地面与地下的“咽喉设备”，矿物、人员、设备在地面与地下间的运输都是通过矿井提升装备实现，一旦出事故都是机毁人亡的大事故，所以矿山对提升装备的安全性要求极高。为了保证极端条件下高服役性能装备的安全，罐笼内安装了姿态检测、位置检测等装置，那么，这些装置所采集的信息应需通过通信的方式实时传输到地面控制室，由于井筒为筒状空间，且井内布设有电力、通信电缆，用于其固定的支架等，此外，井筒环境潮湿、甚至有流水或喷水、内部温度变化大、空气具有腐蚀性等。因此，在这么复杂恶劣的环境下，通常适用于开阔地带的通信系统往往在井筒内由于电磁波衰减、多径效应严重而变得无法正常应用或不可用。目前，罐笼仍处于“信息孤岛”状态。因此，急需研究井筒状狭长空间内的可靠高速移动通信理论与技术，并发展用于该理论与技术研究的实验系统与实验方法。

技术实现要素：

本发明所采取的技术方案是：无线电能传输通道上的载波通信实验系统及实验方法，其特征在于该实验系统包括机械系统、控制系统、无线电能传输与载波通信系统和外部环境工况模拟系统四大部分。

所述实验系统的机械系统由驱动装置、运动小车平台、导向装置组成，驱动装置包括驱动电机、卷筒、牵引钢丝绳和钢丝绳预紧力调节装置组成，给运动小车平台提供动力支持；运动小车平台包括小车平台本身、屏蔽金属板和调节车上电能拾取线圈的调节装置组成，提供运载平台及车上电能拾取线圈姿态调节功能；导向装置由钢丝绳导向装置、导向钢丝绳和导向钢丝绳支架组成，实现小车的运动导向。

所述实验系统的控制系统采用三级分布式结构，由工控机、plc、变频器等组成，其中工控机为上位机，plc为下位机，采用通信电缆进行连接。变频器控制驱动电机，可由上位机和plc程序控制变频器实现驱动电机调速控制。

所述实验系统的无线电能传输与载波通信系统由地面载波通信系统、地面电能发射系统、地面轨道式电能发射线圈，安装于运动小车平台上的车上电能拾取线圈、车上电能接收系统与车上载波通信系统组成，实现无线电能传输通道上的载波通信实验研究和理论验证。

所述实验系统的外部环境工况模拟系统由喷水、喷雾装置和制造电磁干扰的装置组成，实现并模拟外部环境恶劣工况和电磁环境，研究外部环境对无线电能传输与载波通信系统的影响。

所述的实验系统，可进行如下主要实验：

(a)运动小车静止状态下，可调节小车平台上的调节装置实现高度、侧向偏移和倾斜情况下对无线电能传输与载波通信影响的实验。

(b)运动小车在运动过程中，通过设置障碍造成小车与轨道式电能发射线圈相对位置的高度变化、侧向偏移和倾斜工况对无线电能传输与载波通信影响的实验。

(c)由外部环境工况模拟系统制造喷水、喷雾与电磁干扰等的外部环境对无线电能传输与载波通信影响的实验。

(d)耦合机构的结构参数调节对无线电能传输与载波通信机理的影响及变化规律的验证试验。

综上所述，本发明提供了无线电能传输通道上的载波通信实验系统及实验方法，具有如下特点：

(1)运动小车平台，搭载了车上电能拾取线圈、车上电能接收系统与车上载波通信系统。为了研究车上电能拾取线圈与地面轨道式电能发射线圈之间的磁耦合谐振机理，小车平台安装了调节车上电能拾取线圈高度、侧向偏移与倾斜的机构，可实现多工况下的载波通信模拟。

(2)运动小车通过卷筒由电机拖动，小车由钢丝绳导向，可实现快速前进或后退运动，可模拟运动中有侧向偏移等工况下的无线电能传输与载波通信，实现动态无线电能传输与载波通信模拟。

(3)本发明使用喷水、喷雾装置施加于实验系统，模拟外部工作环境，研究外部恶劣工况下的无线电能传输与载波通信性能；其次，人为制造电磁干扰，研究无线电能传输与载波通信系统的抗干扰性能。

附图说明

图1是本发明的实验系统结构示意图

图2是本发明的无线电能与载波通信系统等效电路模型

图3是本发明的无线电能与载波通信系统原理示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

结合附图1到附图3，无线电能传输通道上的载波通信实验系统及实验方法，它按如下方式实施：

如图1所示，本发明的无线电能传输通道上的载波通信实验系统及实验方法，它包括机械系统、控制系统(117)、无线电能传输与载波通信系统和外部环境工况模拟系统(119)四大部分。

如图1所示，所述实验系统的机械系统由驱动装置、运动小车平台、导向装置组成，驱动装置包括驱动电机(114)、卷筒(113)、牵引钢丝绳(101)和钢丝绳预紧力调节装置(107)组成，给运动小车平台提供动力支持；运动小车平台包括小车平台本身(106)、屏蔽金属板(104)和调节调节车上电能拾取线圈的调节装置(102)组成，提供运载平台及车上电能拾取线圈姿态调节功能；导向装置由钢丝导向装置(110)、导向钢丝绳(111)和导向钢丝绳支架(112)组成，实现小车的运动导向。

如图1所示，所述实验系统的控制系统(117)采用三级分布式结构，由工控机、plc、变频器等组成，连同地面载波通信系统、地面电能发射系统一起安装于控制柜(115)中，其中工控机为上位机，plc为下位机，采用通信电缆进行连接。变频器控制驱动电机(114)，可由上位机和plc程序控制变频器实现驱动电机调速控制，从而控制运动小车按要求运行，提供无线电能传输与载波通信系统的车-地模拟环境。

如图1所示，所述实验系统的无线电能传输与载波通信系统由地面电能发射系统(116)、轨道式电能发射线圈(108)、阻抗匹配器(120)、安装于运动小车平台上的车上载波通信系统(105)和车上电能拾取通信线圈与电能接收系统(103)构成，车上载波通信系统与车上电能拾取线圈使用通信电缆(109)连接。提供基于磁耦合谐振式无线电能传输通道上的载波通信实验研究和理论验证的实验条件。

如图1所示，所述实验系统的外部环境工况模拟系统(119)由喷水、喷雾装置(118)和电磁干扰制造装置组成，实现并模拟外部环境恶劣工况和电磁环境，研究外部环境对无线电能传输与载波通信系统的影响

如图1、2所示，所述实验系统的无线电能传输与载波通信系统可分成地面部分和车上部分，地面部分由轨道式电能发射线圈两端分别连接地面电能发射系统与阻抗匹配器，构成地面电能通道和通信信道；车上部分由车上载波通信系统与车上电能拾取线圈构成车上电能通道与通信信道。地面轨道式电能发射线圈与车电能拾取线圈通过近场(作用距离0～50cm)磁耦合谐振式实现电能的单向传输和基于电能通道上的载波通信的双向传输。

如图2、3所示，所述实验系统的无线电能与载波通信系统等效电路模型为图3，它包括无线电能传输系统与基于电能通道上载波通信系统两部分：

其中，无线电能传输系统中us为高频电压源，ul为负载电压，i1和i2分别为发射线圈、接收线圈回路的高频电流，l1和l2分别为发射线圈(地面轨道式电能发射线圈)、接收线圈(车上电能拾取线圈)的电感，c1和c2分别为发射线圈、接收线圈的等效电容(包括外加电容和分布电容)，rs为高频电压源内阻，r1、r2分别为发射线圈与接收线圈的损耗电阻和辐射电阻之和；rl为负载电阻，m为发射线圈(初级线圈)与接收线圈(次级线圈)之间的互感系数，ls1、ls2分别为地面载波通信系统、车上通信系统的信号耦合电感。以上部分由l1(包括ls1)、c1构成原边谐振电路，l2(包括ls2)、c2构成副边谐振电路，通过电感l1、l2的线圈实现无接触磁耦合谐振式电能传输。

其中，基于无线电能传输通道上的载波通信系统，包括地面载波通信系统、车上载波通信系统、地面信号接口、车上信号接口以及地面载波信号耦合电感ls1、车上载波信号耦合电感ls2，以上部分构成了载波通信系统，采用如ofdm等技术实现基于电能传输通道上的载波双向通信。

构建如图1、2、3所述的实验系统，可开展如下主要实验：

(a)运动小车静止状态下，可调节小车平台上的调节装置实现高度、侧向偏移和倾斜情况下对无线电能传输与载波通信影响的实验。

(b)运动小车在运动过程中，通过设置障碍造成小车与轨道式电能发射线圈相对位置的高度变化、侧向偏移和倾斜工况对无线电能传输与载波通信影响的实验。

(c)由外部环境工况模拟系统制造喷水、喷雾与电磁干扰等的外部环境对无线电能传输与载波通信影响的实验。

(d)耦合机构的结构参数调节对无线电能传输与载波通信机理的影响及变化规律的验证试验。

综上所述，本发明提供了无线电能传输通道上的载波通信实验系统及实验方法，具有如下特点：

(1)运动小车平台，搭载了车载电能拾取线圈、电能接收系统与载波通信系统。为了研究车载电能拾取线圈与地面轨道式电能发射线圈之间的磁耦合谐振机理，小车平台安装了调节天线高度、侧向偏移与倾斜的机构，可实现多工况下的载波通信模拟。

(2)运动小车通过卷筒由电机拖动，小车由钢丝绳导向，可实现快速前进或后退运动，可模拟运动中有侧向偏移等工况下的载波通信，实现动态载波通信模拟。

(3)本发明使用喷水、喷雾装置施加于实验系统，模拟外部工作环境，研究外部恶劣工况下的无线电能传输与载波通信性能；其次，人为制造电磁干扰，研究无线电能传输与载波通信系统的抗干扰性能。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之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，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。