電場耦合式能量信號并行無線傳輸系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種電場耦合式能量信號并行無線傳輸系統(tǒng)，包括電源電路、高頻逆變電路、諧振變換電路、電場耦合機構(gòu)、電能變換電路和負載，其特征在于：還包括調(diào)制電路和信號恢復(fù)電路，調(diào)制電路的輸入端連接有第一微控制器，調(diào)制電路的輸出端連接有阻抗調(diào)制電路，該阻抗調(diào)制電路設(shè)置在諧振變換電路和電場耦合機構(gòu)之間，信號恢復(fù)電路的輸入端連接在電場耦合機構(gòu)上，信號恢復(fù)電路的輸出端連接有第二微控制器。其顯著效果是：在保證發(fā)射端給接收端負載正常供能的條件下，實現(xiàn)發(fā)射端向接收端進行能量信號并行無線傳輸，系統(tǒng)成本低廉，實現(xiàn)方法簡單易行，系統(tǒng)可靠性較高，傳輸速率較快。
【專利說明】電場耦合式能量信號并行無線傳輸系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】[0001]本發(fā)明涉及電場I禹合式無線電能傳輸(Electrical-field coupled power transfer)技術(shù)，簡稱ECPT技術(shù)，尤其涉及一種電場耦合式能量信號并行無線傳輸系統(tǒng)?！颈尘凹夹g(shù)】[0002]近年來，在無線電能傳輸【技術(shù)領(lǐng)域】，基于電場耦合技術(shù)的無線電能傳輸技術(shù)因其 獨特的優(yōu)勢得到了國內(nèi)外許多的研究者的重視。電場耦合電能傳輸技術(shù)綜合利用了現(xiàn)代電 力電子能量變換技術(shù)、電場耦合技術(shù)、大功率高頻變換技術(shù)，借助現(xiàn)代控制理論和方法，實 現(xiàn)了電能的無線傳輸。該技術(shù)為無線電能傳輸提供了一種新的途徑，推動了無線電能傳輸 技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，具有較高的實用價值。[0003]通常ECPT系統(tǒng)只解決無線電能傳輸?shù)膯栴}，但是在某些實際應(yīng)用中，比如鉆井設(shè) 備，人體內(nèi)置醫(yī)療設(shè)備等，往往需要檢測設(shè)備的運行狀態(tài)或傳輸控制指令，這就要求ECPT 系統(tǒng)具有能量信號并行無線傳輸?shù)哪芰?。其中電能傳輸通道給系統(tǒng)運行提供動力和能量， 信號傳輸通道用于傳輸狀態(tài)信息等數(shù)據(jù)。[0004]現(xiàn)有技術(shù)中，本 申請人:曾申請中國專利:一種基于電場耦合的無線電能傳輸系統(tǒng)， 專利申請?zhí)?01210358473.X，該專利中基于電場耦合并采用E類放大器，提高了系統(tǒng)的傳 輸能力和傳輸效率，通過設(shè)置耦合電容檢測模塊對系統(tǒng)的電場耦合極板進行實時檢測，可 以實現(xiàn)電容補償值的有效控制，從而保證系統(tǒng)維持在軟開關(guān)狀態(tài)，提高系統(tǒng)功率傳輸?shù)姆€(wěn) 定性和可靠性。[0005]該專利中雖然提高了電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸功率，但是要想實現(xiàn)發(fā) 射端與接收端的信號傳輸，還必須搭建其他的無線通信系統(tǒng)，成本相對較高。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]為了克服上述缺陷，本發(fā)明提供一種電場耦合式能量信號并行無線傳輸系統(tǒng)，在 現(xiàn)有ECPT系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過設(shè)置相應(yīng)的調(diào)制電路和信號恢復(fù)電路，實現(xiàn)發(fā)射端向接收端 的控制信號傳輸，使其具備能量信號并行無線傳輸?shù)墓δ?，相對于搭建獨立的無線通信系 統(tǒng)而言，減少了系統(tǒng)設(shè)計成本。[0007]為達到上述目的，本發(fā)明所采用的具體技術(shù)方案如下:[0008]包括電源電路、高頻逆變電路、諧振變換電路、電場耦合機構(gòu)、電能變換電路和負 載，其關(guān)鍵在于:還包括調(diào)制電路和信號恢復(fù)電路，所述調(diào)制電路的輸入端連接有第一微控 制器，調(diào)制電路的輸出端連接有阻抗調(diào)制電路，該阻抗調(diào)制電路設(shè)置在諧振變換電路和電 場耦合機構(gòu)之間，所述信號恢復(fù)電路的輸入端連接在電場耦合機構(gòu)上，信號恢復(fù)電路的輸 出端連接有第二微控制器，所述調(diào)制電路從第一微控制器中獲取數(shù)字信號并通過阻抗調(diào)制 電路將該數(shù)字信號調(diào)制到電場耦合機構(gòu)上，所述信號恢復(fù)電路從電場耦合機構(gòu)中拾取信號 并將其恢復(fù)成數(shù)字信號送入第二微控制器中。[0009]本發(fā)明通過在電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增設(shè)調(diào)制電路和信號恢復(fù)電路，從而將第一微控制器輸出的控制信號通過無線電能傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)降诙⒖刂破?中，在相對隔離的發(fā)射裝置與接收裝置中，不用增設(shè)其他獨立的無線通信模塊即可實現(xiàn)信 號的無線傳輸，為電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)提供了可靠的通信通道，實現(xiàn)ECPT系統(tǒng)能 量信號并行無線傳輸。[0010]作為進一步描述，所述諧振變換電路為電感L1和電容C1組成的串聯(lián)諧振電路，所 述阻抗調(diào)制電路包括開關(guān)元件和調(diào)諧電容，其中開關(guān)元件的一端與電容C1的一端相連，開 關(guān)元件另一端串接所述調(diào)諧電容后與電容C1的另一端相連，開關(guān)元件的控制端與所述調(diào)制 電路的輸出端連接。[0011]通過上面的描述可以看出，本發(fā)明將第一微控制器輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為開關(guān)元 件的通斷狀態(tài)，從而改變發(fā)射端諧振網(wǎng)絡(luò)中的電容參數(shù)，發(fā)射電極所產(chǎn)生交互電場的強度 反應(yīng)了這種變化，通過接收端獲取感應(yīng)電壓，從而將發(fā)射端的數(shù)字信號恢復(fù)出來，實現(xiàn)發(fā)射 端向接收端的信號傳輸。[0012]再進一步描述，所述開關(guān)元件由開關(guān)管Q1、開關(guān)管Q2以及二極管Dl和二極管D2 組成，開關(guān)管Ql與開關(guān)管Q2按照共源極反向串聯(lián)，開關(guān)管Ql和開關(guān)管Q2的柵極分別作為 開關(guān)元件的控制端，開關(guān)管Ql的漏極作為開關(guān)元件的一端，開關(guān)管Q2的漏極作為開關(guān)元件 的另一端，二極管Dl正向連接在開關(guān)管Ql的源極和漏極之間，二極管D2正向連接在開關(guān) 管Q2的源極和漏極之間。[0013]本發(fā)明通過采用兩個開關(guān)管共源極反向串聯(lián)作為開關(guān)元件Ml。當?shù)谝晃⒖刂破飨?接收端發(fā)送數(shù)字信號I時，調(diào)制電路將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為高電平驅(qū)動信號加載在兩個開關(guān)管 的柵極。開關(guān)元件端電壓呈上正下負狀態(tài)時，電流通路為Ql — D2，開關(guān)元件端電壓呈上負 下正狀態(tài)時，電流通路為Q2 — Dl,因為構(gòu)成雙向電流通路。[0014]為了保證電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率，同時便于接收端實現(xiàn)通信信 號的提取，所述電場稱合機構(gòu)包括一對發(fā)射電極和一對拾取電極，在所述拾取電極上還設(shè) 有信號拾取電極，該信號拾取電極與拾取電極之間相互絕緣隔離。[0015]作為優(yōu)選，所述發(fā)射電極和拾取電極的形狀和尺寸相同，但所述信號拾取電極的 尺寸比拾取電極小。[0016]發(fā)射電極和拾取電極中的電極片可以根據(jù)應(yīng)用需求設(shè)置為任意形狀，但相互耦合 的電極片之間的間隙應(yīng)處處相等，各種電極片的材質(zhì)可以相同。[0017]為了有效實現(xiàn)能量信號并行無線傳輸中信號的恢復(fù)，所述信號恢復(fù)電路中設(shè)置有 信號拾取電路、包絡(luò)檢波電路和電壓比較電路，所述信號拾取電路的輸入端連接在信號拾 取電極上，信號拾取電路輸出的信號通過包絡(luò)檢波電路和電壓比較電路后發(fā)送到第二微控 制器中。[0018]本發(fā)明的顯著效果是:在保證發(fā)射端給接收端負載正常供能的條件下，實現(xiàn)發(fā)射 端向接收端傳遞通信數(shù)據(jù)，系統(tǒng)成本低廉，實現(xiàn)方法簡單易行，系統(tǒng)可靠性較高，傳輸速率 較快?！緦＠綀D】

【附圖說明】[0019]圖1是本發(fā)明的電路原理框圖；[0020]圖2是圖1中阻抗調(diào)制電路的電路原理圖；[0021]圖3是圖2中開關(guān)元件的電路原理圖；[0022]圖4是圖1中電場耦合機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；[0023]圖5是圖1中信號恢復(fù)電路的電路原理圖；[0024]圖6是發(fā)射端數(shù)字信號和接收端拾取端檢測信號的對比關(guān)系圖?！揪唧w實施方式】[0025]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】以及工作原理作進一步詳細說明。[0026]如圖1所示，一種電場耦合式能量信號并行無線傳輸系統(tǒng)，包括電源電路1、高頻 逆變電路2、諧振變換電路3、阻抗調(diào)制電路4、電場耦合機構(gòu)5、電能變換電路6、負載7、第 一微控制器8、調(diào)制電路9、信號恢復(fù)電路10以及第二微控制器11，所述調(diào)制電路9的輸入 端連接第一微控制器8，調(diào)制電路9的輸出端連接阻抗調(diào)制電路4，阻抗調(diào)制電路4設(shè)置在 諧振變換電路3和電場稱合機構(gòu)5之間,信號恢復(fù)電路10的輸入端連接在電場稱合機構(gòu)5 上，信號恢復(fù)電路10的輸出端連接第二微控制器11，調(diào)制電路9從第一微控制器8中獲取 數(shù)字信號并通過阻抗調(diào)制電路4將該數(shù)字信號調(diào)制到電場耦合機構(gòu)5上，所述信號恢復(fù)電 路10從電場耦合機構(gòu)5中拾取信號并將其恢復(fù)成數(shù)字信號送入第二微控制器11中。[0027]如圖2所示，在具體實施過程中，所述諧振變換電路3為電感L1和電容C1組成的 串聯(lián)諧振電路，所述阻抗調(diào)制電路4包括開關(guān)元件M1和調(diào)諧電容Cm，其中開關(guān)元件M1的一 端與電容C1的一端相連，開關(guān)兀件M1另一端串接所述調(diào)諧電容Cm后與電容C1的另一端相 連，開關(guān)元件M1的控制端與所述調(diào)制電路9的輸出端連接。將開關(guān)元件M1和調(diào)諧電容Cm作 為阻抗調(diào)制電路4，調(diào)制電路9根據(jù)第一微控制器8輸出數(shù)字信號的高低電平控制開關(guān)元件 M1的通斷狀態(tài)，從而改變發(fā)射端諧振電容的連接關(guān)系，如果開關(guān)元件乂導(dǎo)通，則調(diào)諧電容Cm 并入電容C1中，從而影響發(fā)射端的等效阻抗，在接收端形成不同的感應(yīng)電能。[0028]如圖3所示，為了保證開關(guān)元件M1穩(wěn)定可靠，所述開關(guān)元件M1由開關(guān)管Q1、開關(guān) 管Q2以及二極管Dl和二極管D2組成，開關(guān)管Ql與開關(guān)管Q2按照共源極反向串聯(lián)，開關(guān) 管Ql和開關(guān)管Q2的柵極分別作為開關(guān)元件M1的控制端，開關(guān)管Ql的漏極作為開關(guān)元件 M1的一端，開關(guān)管Q2的漏極作為開關(guān)元件M1的另一端，二極管Dl正向連接在開關(guān)管Ql的 源極和漏極之間，二極管D2正向連接在開關(guān)管Q2的源極和漏極之間。[0029]如圖4所不,所述電場稱合機構(gòu)5包括一對發(fā)射電極51和一對拾取電極52,在所 述拾取電極52上還設(shè)有信號拾取電極53,該信號拾取電極53與拾取電極52之間相互絕緣 隔離，在具體實施過程中，信號拾取電極53貼附在拾取電極52上，二者通過涂覆絕緣漆實 現(xiàn)絕緣隔離。發(fā)射電極51和拾取電極52的形狀和尺寸相同，但信號拾取電極53的尺寸比 拾取電極52小。[0030]參見圖2和圖4還可以看出，本實施例中，發(fā)射電極51和拾取電極52均設(shè)置為圓 形，當然也可以設(shè)置為其它任意形狀。[0031]如圖5所示，為了在接收端準確實現(xiàn)通信信號的恢復(fù)，所述信號恢復(fù)電路10中設(shè) 置有信號拾取電路101、包絡(luò)檢波電路102和電壓比較電路103，所述信號拾取電路101的 輸入端連接在信號拾取電極53上，信號拾取電路101輸出的信號通過包絡(luò)檢波電路102和 電壓比較電路103后發(fā)送到第二微控制器11中。[0032]信號恢復(fù)電路10先將信號拾取電極53上拾取的高頻諧振信號進行包絡(luò)檢波，即可恢復(fù)出與發(fā)射端數(shù)字信號相關(guān)聯(lián)的包絡(luò)信號，然后再進行電壓比較即可恢復(fù)出數(shù)字信 號，最后上傳到第二微控制器11中，實現(xiàn)發(fā)射端向接收端傳遞能量的同時，還能實現(xiàn)各種 控制信號的并行傳輸。[0033]基于上述的電路結(jié)構(gòu)可以得到第一微控制器8輸出的數(shù)字信號和信號恢復(fù)電路 10拾取端檢測信號的關(guān)系。參見圖6可以得出，當?shù)谝晃⒖刂破?輸出高電平時，接收端拾 取到一個幅度偏高的高頻諧振信號，而當?shù)谝晃⒖刂破?輸出低電平時，接收端拾取到一 個幅度偏低的高頻諧振信號，通過信號恢復(fù)電路10中的包絡(luò)檢波電路102和電壓比較電路 103，最終將圖6所示的高頻諧振信號恢復(fù)成發(fā)射端數(shù)字信號，第二微控制器11接收該數(shù)字 信號即可識別第一微控制器8發(fā)出的一些控制指令，最終實現(xiàn)ECPT系統(tǒng)能量信號并行無線 傳輸。
【權(quán)利要求】
1.一種電場耦合式能量信號并行無線傳輸系統(tǒng)，包括電源電路(I)、高頻逆變電路(2)、諧振變換電路(3)、電場耦合機構(gòu)(5)、電能變換電路(6)和負載(7)，其特征在于:還 包括調(diào)制電路(9)和信號恢復(fù)電路(10)，所述調(diào)制電路(9)的輸入端連接有第一微控制器(8)，調(diào)制電路(9)的輸出端連接有阻抗調(diào)制電路(4)，該阻抗調(diào)制電路(4)設(shè)置在諧振變換 電路(3)和電場稱合機構(gòu)(5)之間,所述信號恢復(fù)電路(10)的輸入端連接在電場稱合機構(gòu) (5)上，信號恢復(fù)電路(10)的輸出端連接有第二微控制器(11)，所述調(diào)制電路(9)從第一 微控制器(8)中獲取數(shù)字信號并通過阻抗調(diào)制電路(4)將該數(shù)字信號調(diào)制到電場耦合機構(gòu)(5)上，所述信號恢復(fù)電路(10)從電場耦合機構(gòu)(5)中拾取信號并將其恢復(fù)成數(shù)字信號送 入第二微控制器(11)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場耦合式能量信號并行無線傳輸系統(tǒng)，其特征在于:所述 諧振變換電路(3 )為電感L1和電容C1組成的串聯(lián)諧振電路，所述阻抗調(diào)制電路(4 )包括開 關(guān)元件(M1)和調(diào)諧電容(Cm)，其中開關(guān)元件(M1)的一端與電容C1的一端相連，開關(guān)元件(M1) 另一端串接所述調(diào)諧電容(Cm)后與電容C1的另一端相連，開關(guān)元件(M1)的控制端與所述調(diào) 制電路(9)的輸出端連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電場耦合式能量信號并行無線傳輸系統(tǒng)，其特征在于:所述 開關(guān)元件(Ml)由開關(guān)管Q1、開關(guān)管Q2以及二極管Dl和二極管D2組成，其中開關(guān)管Ql與 開關(guān)管Q2按照共源極反向串聯(lián)，開關(guān)管Ql和開關(guān)管Q2的柵極分別作為開關(guān)元件(Ml)的 控制端，開關(guān)管Ql的漏極作為開關(guān)元件(Ml)的一端，開關(guān)管Q2的漏極作為開關(guān)元件(Ml) 的另一端，二極管Dl正向連接在開關(guān)管Ql的源極和漏極之間，二極管D2正向連接在開關(guān) 管Q2的源極和漏極之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任意一項所述的電場耦合式能量信號并行無線傳輸系統(tǒng)，其特 征在于:所述電場稱合機構(gòu)(5)包括一對發(fā)射電極(51)和一對拾取電極(52),在所述拾取 電極(52)上還設(shè)有信號拾取電極(53),該信號拾取電極(53)與拾取電極(52)之間相互絕 緣隔離。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電場耦合式能量信號并行無線傳輸系統(tǒng)，其特征在于:所述 發(fā)射電極(51)和拾取電極(52)的形狀和尺寸相同，但所述信號拾取電極(53)的尺寸比拾 取電極(52)小。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電場耦合式能量信號并行無線傳輸系統(tǒng)，其特征在于:所 述信號恢復(fù)電路(10)中設(shè)置有信號拾取電路(101)、包絡(luò)檢波電路(102)和電壓比較電 路(103)，所述信號拾取電路(101)的輸入端連接在信號拾取電極(53)上，信號拾取電路 (101)輸出的信號通過包絡(luò)檢波電路(102)和電壓比較電路(103)后發(fā)送到第二微控制器(11)中。
【文檔編號】G08C17/06GK103501059SQ201310449153
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月27日
【發(fā)明者】蘇玉剛, 唐春森, 孫躍, 謝詩云, 周瑋, 王智慧, 戴欣, 葉兆虹 申請人:重慶大學(xué)