專利名稱：可穩壓調頻的電磁耦合式電能傳輸裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種可穩壓調頻的電磁耦合式電能傳輸裝置，適用于小功率無線電能傳輸技術領域，它可實現對接收線圈輸出側電壓的幅值調節與穩定，且實現頻率可調的電路拓撲實現方案。
背景技術：
現有的無線電能傳輸與傳統的通過插頭或插座所構成的電連接供電形式相比，它具有非接觸，無磨損、不存在接觸火花等優點，且可靠性高。迄今，提出的許多無線電能傳輸裝置主要是利用電磁耦合、射頻、微波以及激光等方式來實現電能傳輸。特別是電磁耦合的應用甚廣，但是基于電磁耦合原理實現非接觸式的電能傳輸的方法大多只簡單地實現了 電能的發射和接收問題，并沒有著力解決接收端輸出電壓幅值的調節穩定和頻率可調的問題，容易使一些恒壓性負載發生變化時出現過壓而燒毀，或欠壓而不能穩定工作。因而，實現無線電能傳輸系統中接收線圈輸出側電壓的幅值調節與穩定和頻率可調，對實際應用具有很重要的意義。

發明內容
本發明的目的是提供一種能夠調節輸出電壓幅值的大小并使其穩定，同時實現頻率可調的可穩壓調頻的電磁耦合式電能傳輸裝置，以解決現有接收線圈輸出側電壓不能調節穩壓和頻率無法調節的問題，克服已有技術的不足。為了達到上述目的，本發明的技術方案是一種可穩壓調頻的電磁耦合式電能傳輸裝置，包括電磁發射線圈Ml和電磁接收線圈M2，其創新點在于還包括PWM調壓電路、調頻諧振電路、調頻調壓驅動控制電路、接收補償電路和輸出電壓檢測電路；所述PWM調壓電路、調頻諧振電路和電磁發射線圈Ml依次電連接；所述電磁接收線圈M2、接收補償電路和輸出電壓檢測電路依次電連接；所述PWM調壓電路、調頻諧振電路和輸出電壓檢測電路還分別與調頻調壓驅動控制電路相應的連接端電連接；所述PWM調壓電路具有直流電源連接端A、B，接收補償電路具有負載連接端E、F。在上述技術方案中，所述PWM調壓電路包括濾波電感LI、功率開關管Ql、二極管Dl和濾波電容C，所述功率開關管Ql的漏極同時與濾波電感LI的一端和二極管Dl的陽極電連接，濾波電容C的一端與二極管Dl的陰極電連接，且濾波電容C的另一端與功率開關管Ql的源極電連接；所述PWM調壓電路的功率開關管Ql通過調頻調壓驅動控制電路調節其占空比；濾波電感LI的另一端以及功率開關管Ql的源極分別接PWM調壓電路的直流電源連接端A、B，濾波電容C的兩端是PWM調壓電路的輸出端。在上述技術方案中，所述調頻諧振電路包括扼流濾波電感L2、功率開關管Q2、以及由諧振電容Cr和諧振電感Lr串聯構成的諧振回路，所述扼流濾波電感L2的一端以及功率開關管Q2的源極分別與PWM調壓電路的輸出端電連接，且扼流濾波電感L2的另一端同時與功率開關管Q2的漏極以及諧振回路的一端電連接，功率開關管Q2的源極還與電磁發射線圈Ml的一端電連接；諧振回路的另一端與電磁發射線圈Ml的另一端電連接；所述調頻諧振電路的功率開關管Q2通過調頻調壓驅動控制電路調節其開關頻率。在上述技術方案中，所述接收補償電路包括電容Ctl和電阻Rtl，所述電容Ctl和電阻R0并聯后，與電磁接收線圈M2并聯；所述電阻Rtl的兩端還分別為接收補償電路的負載連接端 E、F。在上述技術方案中，所述調頻調壓驅動控制電路是數字驅動控制電路；所述調頻調壓驅動控制電路包括數字處理器微控制芯片U7、三態緩沖驅動芯 片U8、第一光耦隔離集成芯片U9和第二光耦隔離集成芯片U10，所述輸出電壓檢測電路通過數字處理器微控制芯片U7與三態緩沖驅動芯片U8相應的連接端電連接，三態緩沖驅動芯片U8還同時與第一光耦隔離集成芯片U9以及第二光耦隔離集成芯片UlO電連接；所述第一光耦隔離集成芯片U9的輸出端與PWM調壓電路的輸入端電連接，第二光耦隔離集成芯片UlO的輸出端與調頻諧振電路的輸入端電連接。在上述技術方案中，所述調頻調壓驅動控制電路是模擬驅動控制電路；所述調頻調壓驅動控制電路包括PWM調壓驅動控制電路和調頻驅動控制電路，所述PWM調壓驅動控制電路與P麗調壓電路電連接，調頻驅動控制電路與調頻諧振電路電連接，所述PWM調壓驅動控制電路還與輸出電壓檢測電路電連接。在上述技術方案中，所述PWM調壓驅動控制電路包括PWM控制電路和第一光耦隔離驅動電路，所述輸出電壓檢測電路的輸出端與PWM控制電路的輸入端電連接，PWM控制電路還通過第一光耦隔離驅動電路與PWM調壓電路電連接。 在上述技術方案中，所述調頻驅動控制電路包括頻率控制電路和第二光耦隔離驅動電路，所述頻率控制電路通過第二光耦隔離驅動電路與調頻諧振電路電連接。在上述技術方案中，所述輸出電壓檢測電路包括電壓互感器U6和運算放大器Ul，所述電壓互感器U6的輸入端串接有電阻Rt，電壓互感器U6的輸出端串接電阻Rm并接地，且輸出端還與二極管d0相連；二極管d0的陰極經電容Cl與電阻Rl的并聯電路接地，同時二極管d0的陰極還經電阻R2與運算放大器Ul的同相輸入端連接；運算放大器Ul的反向輸入端連接有電阻R3的一端，電阻R3的另一端接地，運算放大器Ul的反相輸入端和輸出端之間還連接有電阻R4 ;所述電壓互感器U6的輸入端還與接收補償電路的輸出端電連接，運算放大器Ul的輸出端還與調頻調壓驅動控制電路的輸入端電連接。本發明所具有的積極效果是本發明既能調節穩定接收線圈輸出側電壓的幅值大小，(即使隨著電磁發射線圈和電磁接收線圈由于距離的改變或負載發生變化，接收線圈的輸出電壓也能保持穩定)，又能調節電磁接收線圈的電壓頻率。本發明的電磁發射線圈的輸入端級聯有PWM調壓電路和調頻諧振電路，所述PWM調壓電路和調頻諧振電路是通過調頻調壓驅動控制電路進行PWM控制和調頻控制實現對接收線圈輸出側電壓的幅值調節與穩定，且實現頻率可調頻率，頻率的可調解決了不同頻率交流負載的供電問題，拓寬了該電路的應用領域。


圖I為本發明第一種具體實施的電路原理方框示意圖，其中，Uin是直流輸入電源，E、F是輸出電壓負載連接端;U0 + ,Ua-是輸出電壓兩端的端電位；flrl +、Drl-是功率開關管Ql的柵級與源極電位；/>2+、Dr 2-是功率開關管Q2的柵級與源極電位；M1為電磁發射線圈、M2為電磁接收線圈；
圖2為本發明第二種具體實施的電路原理方框示意圖，其中，Kn是直流輸入電源，E、F是輸出電壓負載連接端'U0+JJ0 -是輸出電壓兩端的端電位；￡>1+、￡H-是功率開關管Ql的柵級與源極電位；斤2+、￡>2-是功率開關管Q2的柵級與源極電位；M1為電磁發射線圈、M2為電磁接收線圈；
圖3為本發明的PWM調壓電路、調頻諧振電路、電磁發射線圈Ml、電磁接收線圈M2和接收補償電路的電路原理 圖4為圖2中輸出電壓檢測電路和PWM調壓驅動控制電路(模擬驅動控制)的電路原理
圖5為圖2中調頻驅動控制電路(模擬驅動控制)的電路原理 圖6為圖I中輸出電壓檢測電路和調頻調壓驅動控制電路(數字驅動控制)的電路原理
圖7為圖4中模擬驅動控制的PWM產生的波形示意 圖8a為圖6中數字驅動控制的軟件控制主程序流程 圖Sb為圖8a中數字驅動控制的AD中斷子程序流程 圖Sc為圖8a中數字驅動控制的PID調節子程序流程 圖9為圖6中數字驅動控制的PWM產生的波形示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖及實施例對本發明作進一步的詳細說明。實施例I
如圖l、3、6、8a、8b、8c、9所不,一種可穩壓調頻的電磁稱合式電能傳輸裝置，包括電磁發射線圈Ml和電磁接收線圈M2，還包括PWM調壓電路I、調頻諧振電路3、調頻調壓驅動控制電路7、接收補償電路5和輸出電壓檢測電路6 ;所述PWM調壓電路I、調頻諧振電路3和電磁發射線圈Ml依次電連接；所述電磁接收線圈M2、接收補償電路5和輸出電壓檢測電路6依次電連接；所述PWM調壓電路I、調頻諧振電路3和輸出電壓檢測電路6還分別與調頻 調壓驅動控制電路7相應的連接端電連接；所述PWM調壓電路I具有直流電源連接端A、B，接收補償電路5具有負載連接端E、F。如圖3所示，所述PWM調壓電路I的輸出端與調頻諧振電路3的輸入端相連，調頻諧振電路3的輸出端與電磁發射線圈Ml并聯；所述PWM調壓電路I包括濾波電感LI、功率開關管Q1、二極管Dl和濾波電容C，所述功率開關管Ql的漏極同時與濾波電感LI的一端和二極管Dl的陽極電連接，濾波電容C的一端與二極管Dl的陰極電連接，且濾波電容C的另一端與功率開關管Ql的源極電連接；所述PWM調壓電路I的功率開關管Ql通過調頻調壓驅動控制電路7調節其占空比；濾波電感LI的另一端以及功率開關管Ql的源極分別接PWM調壓電路I的直流電源連接端A、B，濾波電容C的兩端是PWM調壓電路I的輸出端。其中，PWM調壓電路I的直流電源連接端A、B分別與輸入直流電源的正極和負極電連接，PWM調壓電路I的輸出端與調頻諧振電路3相應的連接端電連接。
如圖3所示，所述調頻諧振電路3包括扼流濾波電感L2、功率開關管Q2、以及由諧振電容Cr和諧振電感Lr串聯構成的諧振回路3-1，所述扼流濾波電感L2的一端以及功率開關管Q2的源極分別與PWM調壓電路I的輸出端電連接，且扼流濾波電感L2的另一端同時與功率開關管Q2的漏極以及諧振回路3-1的一端電連接，功率開關管Q2的源極還與電磁發射線圈Ml的一端電連接；諧振回路3-1的另一端與電磁發射線圈Ml的另一端電連接；所述調頻諧振電路3的功率開關管Q2通過調頻調壓驅動控制電路7調節其開關頻率。如圖3所示，所述接收補償電路5包括電容Ctl和電阻Rtl,所述電容Ctl和電阻Rtl并聯后，與電磁接收線圈M2并聯；所述電阻Rtl的兩端還分別為接收補償電路5的負載連接端E、F。如圖6所示，所述調頻調壓驅動控制電路7是數字驅動控制電路；所述調頻調壓驅動控制電路7包括數字處理器微控制芯片U7、三態緩沖驅動芯片U8、第一光耦隔離集成芯片U9和第二光耦隔離集成芯片U10，所述輸出電壓檢測電路6通過數字處理器微控制芯片U7與三態緩沖驅動芯片U8相應的連接端電連接，三態緩沖驅動芯片U8還同時與第一光耦 隔離集成芯片U9以及第二光耦隔離集成芯片UlO電連接；所述第一光耦隔離集成芯片U9的輸出端與PWM調壓電路I的輸入端電連接，(即所述第一光耦隔離集成芯片U9的輸出端的相應連接端分別與PWM調壓電路I的功率開關管Ql的柵級與源極電連接)，第二光耦隔離集成芯片UlO的輸出端與調頻諧振電路3的輸入端電連接(第二光耦隔離集成芯片UlO的輸出端的相應連接端分別與調頻諧振電路3的功率開關管Q2的柵級與源極電連接)。如圖6所示，所述輸出電壓檢測電路6包括電壓互感器U6和運算放大器U1，所述電壓互感器U6的輸入端串接有電阻Rt，電壓互感器U6的輸出端串接電阻Rm并接地，且輸出端還與二極管d0相連；二極管d0的陰極經電容Cl與電阻Rl的并聯電路接地，同時二極管d0的陰極還經電阻R2與運算放大器Ul的同相輸入端連接；運算放大器Ul的反向輸入端連接有電阻R3的一端，電阻R3的另一端接地，運算放大器Ul的反相輸入端和輸出端之間還連接有電阻R4 ;所述電壓互感器U6的輸入端還與接收補償電路5的輸出端電連接，運算放大器Ul的輸出端還與調頻調壓驅動控制電路7的輸入端電連接。如圖6、8a、8b、8c、9所示，實施例I的調節穩壓和調頻是按照軟件控制進行實現，由輸出電壓反饋、輸出電壓參考信號以及頻率控制參考電壓信號的A/D轉換、而功率開關管Ql的占空比更新調節和功率開關管Q2的頻率更新調節由ADC中斷進行完成。如圖8a、8b、8c所示，軟件控制分為主程序、AD中斷程序，PID調節子程序。所述PWM調壓電路I的功率開關管Ql每一個PWM周期(比如50us)都進行一次電壓采樣，使得電壓采樣周期與PWM周期相同，以實現實時控制。調頻諧振電路3的功率開關管Q2的PWM周期定為200kHz (即5us)，功率開關管Q2的PWM由專用PWM 口輸出(PWM7)，其定時器為T3 ；同時，采用定時器I周期中斷標志來啟動A/D轉換，轉換結束后申請ADC中斷。ADC中斷處理子程序的主要功能是更新占空比(CMPR1比較值)和功率開關管Q2的開關頻率(T3PR和CMPR4 的值)。實施例I的具體程序執行步驟如下
1、程序開始時，先對Tl和T3定時器的相關寄存器、AD口、I/O 口以及變量進行定義并初始化；
2、開中斷，循環等待中斷；3、中斷響應，進入ADC中斷入口后，進行現場保護(保存累加器與相關寄存器當前值)；
4、讀取ADC轉換結果，將RESULTO與RESULT1寄存器中的值傳送給變量^與&，將RESULT2寄存器中的值賦給T3周期寄存器T3PR，并將RESULT2寄存器中的值右移I位(除以2)后賦給比較寄存器CMPR4，更新功率開關管Q2的頻率；
5、調用PID控制子程序，更新變量1)、e{k-2)、e{k-X)中的值，并返回后將 中的值賦給比較寄存器CMPR1，更新功率開關管Ql的占空比；
其中調節的過程為當輸出電壓反饋信號 相比給定參考電壓信號 增大時，誤差信號6(幻增加，若2) =e(k-Y} =0，則PID調節器輸出增加，比較寄存器CMPRl的值增加，則由于PWM 口初始化設置的為高有效，則數字信號處理器DSP輸出的PWMl信號占空
比減小(見圖9)，從而由輸出電壓 與輸入電壓 的關系
權利要求
1.一種可穩壓調頻的電磁耦合式電能傳輸裝置，包括電磁發射線圈Ml和電磁接收線圈M2，其特征在于還包括PWM調壓電路(I )、調頻諧振電路(3)、調頻調壓驅動控制電路(7)、接收補償電路(5)和輸出電壓檢測電路(6);所述PWM調壓電路(I)、調頻諧振電路(3)和電磁發射線圈Ml依次電連接；所述電磁接收線圈M2、接收補償電路(5)和輸出電壓檢測電路(6 )依次電連接；所述PWM調壓電路(I)、調頻諧振電路(3 )和輸出電壓檢測電路(6 )還分別與調頻調壓驅動控制電路(7)相應的連接端電連接；所述PWM調壓電路(I)具有直流電源連接端A、B，接收補償電路(5)具有負載連接端E、F。
2.根據權利要求I所述的可穩壓調頻的電磁耦合式電能傳輸裝置，其特征在于所述PWM調壓電路(I)包括濾波電感LI、功率開關管Q1、二極管Dl和濾波電容C，所述功率開關管Ql的漏極同時與濾波電感LI的一端和二極管Dl的陽極電連接，濾波電容C的一端與二極管Dl的陰極電連接，且濾波電容C的另一端與功率開關管Ql的源極電連接；所述PWM調壓電路(I)的功率開關管Ql通過調頻調壓驅動控制電路(7)調節其占空比；濾波電感LI的另一端以及功率開關管Ql的源極分別接PWM調壓電路(I)的直流電源連接端A、B，濾波電 容C的兩端是PWM調壓電路(I)的輸出端。
3.根據權利要求I所述的可穩壓調頻的電磁耦合式電能傳輸裝置，其特征在于所述調頻諧振電路(3)包括扼流濾波電感L2、功率開關管Q2、以及由諧振電容Cr和諧振電感Lr串聯構成的諧振回路(3-1)，所述扼流濾波電感L2的一端以及功率開關管Q2的源極分別與PWM調壓電路(I)的輸出端電連接，且扼流濾波電感L2的另一端同時與功率開關管Q2的漏極以及諧振回路(3-1)的一端電連接，功率開關管Q2的源極還與電磁發射線圈Ml的一端電連接；諧振回路(3-1)的另一端與電磁發射線圈Ml的另一端電連接；所述調頻諧振電路(3)的功率開關管Q2通過調頻調壓驅動控制電路(7)調節其開關頻率。
4.根據權利要求I所述的可穩壓調頻的電磁耦合式電能傳輸裝置，其特征在于所述接收補償電路(5)包括電容Ctl和電阻Rtl，所述電容Ctl和電阻Rtl并聯后，與電磁接收線圈M2并聯；所述電阻Rtl的兩端還分別為接收補償電路(5)的負載連接端E、F。
5.根據權利要求I所述的可穩壓調頻的電磁耦合式電能傳輸裝置，其特征在于所述調頻調壓驅動控制電路(7)是數字驅動控制電路；所述調頻調壓驅動控制電路(7)包括數字處理器微控制芯片U7、三態緩沖驅動芯片U8、第一光耦隔離集成芯片U9和第二光耦隔離集成芯片U10，所述輸出電壓檢測電路(6)通過數字處理器微控制芯片U7與三態緩沖驅動芯片U8相應的連接端電連接，三態緩沖驅動芯片U8還同時與第一光耦隔離集成芯片U9以及第二光耦隔離集成芯片UlO相應的輸入端電連接；所述第一光耦隔離集成芯片U9的輸出端與PWM調壓電路(I)的輸入端電連接，第二光耦隔離集成芯片UlO的輸出端與調頻諧振電路(3)的輸入端電連接。
6.根據權利要求I所述的可穩壓調頻的電磁耦合式電能傳輸裝置，其特征在于所述調頻調壓驅動控制電路(7)是模擬驅動控制電路；所述調頻調壓驅動控制電路(7)包括PWM調壓驅動控制電路(2 )和調頻驅動控制電路(4)，所述PWM調壓驅動控制電路(2 )與PWM調壓電路(I)電連接，調頻驅動控制電路(4)與調頻諧振電路(3)電連接，所述PWM調壓驅動控制電路(2)還與輸出電壓檢測電路(6)電連接。
7.根據權利要求6所述的可穩壓調頻的電磁耦合式電能傳輸裝置，其特征在于所述PWM調壓驅動控制電路(2)包括PWM控制電路(2-1)和第一光耦隔離驅動電路(2-2)，所述輸出電壓檢測電路(6)的輸出端與PWM控制電路(2-1)的輸入端電連接，PWM控制電路(2-1)還通過第一光耦隔離驅動電路(2-2)與PWM調壓電路(I)電連接。
8.根據權利要求6所述的可穩壓調頻的電磁耦合式電能傳輸裝置，其特征在于所述調頻驅動控制電路(4)包括頻率控制電路(4-1)和第二光耦隔離驅動電路(4-2)，所述頻率控制電路(4-1)通過第二光耦隔離驅動電路(4-2)與調頻諧振電路(3)電連接。
9.根據權利要求I所述的可穩壓調頻的電磁耦合式電能傳輸裝置，其特征在于所述輸出電壓檢測電路(6 )包括電壓互感器U6和運算放大器Ul，所述電壓互感器U6的輸入端串接有電阻Rt，電壓互感器U6的輸出端串接電阻Rm并接地，且輸出端還與二極管dO相連；二極管dO的陰極經電容Cl與電阻Rl的并聯電路接地，同時二極管dO的陰極還經電阻R2與運算放大器Ul的同相輸入端連接；運算放大器Ul的反向輸入端連接電阻R3的一端，電阻R3的另一端接地，運算放大器Ul的反相輸入端和輸出端之間還連接有電阻R4 ;所述電壓互感器U6的輸入端還與接收補償電路(5)的輸出端電連接，運算放大器Ul的輸出端還與調頻調壓驅動控制電路(7)的輸入端電連接。
全文摘要
本發明公開一種可穩壓調頻的電磁耦合式電能傳輸裝置，包括電磁發射線圈M1和電磁接收線圈M2，還包括PWM調壓電路、調頻諧振電路、調頻調壓驅動控制電路、接收補償電路和輸出電壓檢測電路；所述PWM調壓電路、調頻諧振電路和電磁發射線圈M1依次電連接；所述電磁接收線圈M2、接收補償電路和輸出電壓檢測電路依次電連接；所述PWM調壓電路、調頻諧振電路和輸出電壓檢測電路還分別與調頻調壓驅動控制電路相應的連接端電連接；所述PWM調壓電路具有直流電源連接端A、B，接收補償電路具有負載連接端E、F。本發明能調節輸出電壓幅值的大小并使其穩定，同時實現頻率可調，解決現有接收線圈輸出側電壓的幅值大小和頻率無法調節的問題。
文檔編號H02J17/00GK102969803SQ20121043285
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月3日 優先權日2012年11月3日
發明者戴衛力, 唐偉, 薛偉民, 費峻濤 申請人:河海大學常州校區