劉 洋，王智慧，唐春森，孫 躍，伏思慶

(重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，重慶400040)

ICPT系統(tǒng)中信號(hào)反向傳輸技術(shù)機(jī)理研究

劉 洋，王智慧，唐春森，孫 躍，伏思慶

(重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，重慶400040)

針對(duì)感應(yīng)耦合式電能傳輸(ICPT)系統(tǒng)中的信號(hào)反向(即從系統(tǒng)的副邊向原邊傳輸信號(hào))傳輸問(wèn)題，提出一種基于反射阻抗調(diào)制的信號(hào)反向傳輸方法。該方法根據(jù)被傳輸信號(hào)調(diào)節(jié)副邊諧振補(bǔ)償電容的容值進(jìn)行信號(hào)調(diào)制，在原邊檢測(cè)電流包絡(luò)形狀特征，進(jìn)行信號(hào)復(fù)原。文章分析了副邊對(duì)原邊的反射阻抗對(duì)原邊電流的影響，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的可行性。

ICPT;反射阻抗;反向信號(hào)傳輸

1 引言

感應(yīng)耦合電能傳輸技術(shù)是一種基于電磁耦合的電能傳輸新技術(shù)。它解決了移動(dòng)設(shè)備的無(wú)線供電問(wèn)題，是一種安全、可靠、靈活的電能接入新技術(shù)，在醫(yī)學(xué)生物體供電、軌道交通、家庭和辦公桌面用電、移動(dòng)設(shè)備和旋轉(zhuǎn)設(shè)備供電等方面有廣泛的應(yīng)用［1］。

然而在實(shí)際中，不僅需要電能的傳輸，而且還要利用這種電能傳輸通道進(jìn)行通信，比如傳遞控制指令、狀態(tài)反饋信息等。在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中，主要提到了以下幾種ICPT系統(tǒng)中的信號(hào)傳輸方法:方法一［1］:在主電路上增設(shè)開(kāi)關(guān)器件，通過(guò)改變逆變器電能流的幅值傳輸數(shù)據(jù)，該方法中的逆變器只能工作在小功率的情況下，且實(shí)現(xiàn)的是信號(hào)從ICPT系統(tǒng)原邊向副邊的傳輸。方法二［2］:根據(jù)不同數(shù)字信號(hào)改變逆變器開(kāi)關(guān)管頻率，通過(guò)檢測(cè)副邊能量幅值特征解調(diào)信號(hào)。方法三在能量傳輸電磁耦合機(jī)構(gòu)中增設(shè)一對(duì)單獨(dú)的信號(hào)傳輸線圈，能量傳輸和信號(hào)傳輸不共用一個(gè)通道，該方法中需要額外增加一對(duì)信號(hào)傳輸線圈，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。同時(shí)，信號(hào)的傳輸容易受到能量通道的高頻電磁干擾，影響準(zhǔn)確性。

以往的研究主要集中在能量和信號(hào)分離傳輸或者是共用傳輸通道但信號(hào)只能從 ICPT系統(tǒng)原邊向副邊傳輸?shù)难芯?。本文針?duì)ICPT系統(tǒng)中的信號(hào)反向傳輸問(wèn)題，提出一種借用ICPT系統(tǒng)能量通道，基于副邊反射阻抗調(diào)制的信號(hào)反向傳輸方法，從機(jī)理上研究了信號(hào)的反向傳輸問(wèn)題。

2 傳輸原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 信號(hào)調(diào)制原理分析

如圖1所示，ICPT系統(tǒng)由原邊初級(jí)回路和副邊次級(jí)回路兩部分組成。初級(jí)回路通過(guò)逆變器產(chǎn)生高頻交變電流，并通過(guò)激勵(lì)線圈將電能以高頻磁場(chǎng)的形式發(fā)送出去。次級(jí)回路拾取線圈拾取電能，經(jīng)過(guò)諧振補(bǔ)償整流環(huán)節(jié)后給負(fù)載供電。系統(tǒng)利用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)了電能的無(wú)線傳輸。

圖1 ICPT系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖Fig．1 Diagram of inductively coupled power transmission system

可知，副邊線圈在拾取電能的同時(shí)，由于副邊回路電流的作用，也會(huì)以電磁感應(yīng)的形式在原邊線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，此感應(yīng)電壓與原副邊互感M、副邊電流I2相關(guān)，與原邊諧振網(wǎng)絡(luò)輸入電壓方向相反，如圖2所示。對(duì)原副邊回路列寫回路電壓方程:

圖2 ICPT系統(tǒng)原副邊等效電路圖Fig．2 Equivalent circuit of ICPT

其中，Z11為初級(jí)回路自阻抗，Z11=R11+jX11;Z22為次級(jí)回路自阻抗，Z22=R22+jX22

解得:

其中，定義Zr=(ωM)2/Z22，Zr為次級(jí)回路對(duì)初級(jí)回路的反射阻抗。

這說(shuō)明副邊電流對(duì)原邊電路的影響可以用一個(gè)等效電阻(副邊對(duì)原邊的感應(yīng)電壓與原邊電流的比值)來(lái)代替［3］，系統(tǒng)簡(jiǎn)化的等效電路如圖3所示。

圖3 ICPT系統(tǒng)原副邊等效電路圖Fig．3 Equivalent circuit of ICPT

如圖3所示，列出初級(jí)回路總阻抗為:

其中，ω是系統(tǒng)角頻率。這里，將次級(jí)線圈L2看作是一個(gè)與jωL2相關(guān)的受控電壓源V2，次級(jí)回路阻抗為Z2:

Zr是副邊拾取線圈到原邊的等效反射阻抗，它是原邊初級(jí)回路阻抗的一部分。

初級(jí)回路的總阻抗為:

則初級(jí)回路總電流

可以看出，在原副邊諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)一定的情況下，改變副邊補(bǔ)償電容C2的容值，副邊對(duì)原邊的反射阻抗將發(fā)生改變，進(jìn)而原邊電流幅值受到影響。

根據(jù)本文表1所列參數(shù)，在Matlab中繪制出副邊電容改變量對(duì)原邊電流的變化曲線如圖4所示。

圖4 副邊補(bǔ)償電容增量對(duì)原邊電流影響曲線Fig．4 Relationship between compensating capacitance increment and primary current

圖4所示橫坐標(biāo)表示副邊電容的增減量，其中橫坐標(biāo)為0處表示系統(tǒng)工作在最佳諧振狀態(tài)時(shí)的補(bǔ)償電容容值。在此容值基礎(chǔ)上，當(dāng)其增大或者減小時(shí)，副邊回路阻抗將發(fā)生變化，進(jìn)而副邊對(duì)原邊的反射阻抗將改變，從而原邊回路總阻抗發(fā)生改變，原邊電流幅值也將發(fā)生改變。

因此，可根據(jù)不同數(shù)字信號(hào)“1”或“0”來(lái)調(diào)節(jié)副邊諧振補(bǔ)償電容容值大小，再檢測(cè)原邊電流幅值的包絡(luò)特征解調(diào)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)從副邊向原邊傳輸。

2.2 信號(hào)調(diào)制結(jié)構(gòu)

依據(jù)上述原理，本文在傳統(tǒng)的ICPT系統(tǒng)的副邊和原邊分別增加了信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)機(jī)構(gòu)。

如圖5所示，副邊信號(hào)調(diào)制部分主要由雙向開(kāi)關(guān)和調(diào)制電容C3組成。雙向開(kāi)關(guān)與調(diào)制電容C3串聯(lián)后再并入副邊諧振補(bǔ)償環(huán)節(jié)。雙向開(kāi)關(guān)由兩個(gè)IGBT的E極反向串接組成，CE兩端并有續(xù)流二極管，以阻擋反向電壓，組成交流通路。G極連接在一起，由共同的數(shù)字信號(hào)加IGBT驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)。

圖5 信號(hào)反向傳輸系統(tǒng)原理框圖Fig．5 Diagram of signal reverse transmission system

兩個(gè)IGBT依據(jù)不同的數(shù)字信號(hào)同開(kāi)同關(guān)，組成交流通路。依據(jù)前述原理，在傳送數(shù)字信號(hào)“1”時(shí)，開(kāi)關(guān)管關(guān)閉，系統(tǒng)按照正常諧振狀態(tài)工作，原邊產(chǎn)生峰值為I1的電流;當(dāng)傳送數(shù)字信號(hào)“0”時(shí)，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，電容C3并入諧振補(bǔ)償環(huán)節(jié)，此時(shí)補(bǔ)償電容容值為C3+C2，雙向開(kāi)關(guān)兩端電流流向?yàn)閂1→D2或V2→D1，副邊對(duì)原邊的反射阻抗發(fā)生改變，原邊回路總阻抗發(fā)生改變，產(chǎn)生峰值為 I0的電流。合理調(diào)整電容C3的容值，可以改變I0與I1的比值，產(chǎn)生深淺不同的電流包絡(luò)，電流的包絡(luò)特征即為傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)。

2.3 信號(hào)特征提取與解調(diào)

數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，原邊電流會(huì)根據(jù)數(shù)字信號(hào)高低電平的不同產(chǎn)生深淺不同的包絡(luò)。因此，可以采用包絡(luò)檢測(cè)的方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解調(diào)［2］，如圖6所示。

包絡(luò)檢波是指從調(diào)幅波的包絡(luò)中提取基帶信號(hào)的過(guò)程，其作用是要取出調(diào)幅波的包絡(luò)線，以實(shí)現(xiàn)解調(diào)的目的。通常使用二極管檢波電路。圖7表示出了這種二極管包絡(luò)檢波的原理。

兩路包絡(luò)檢波電路均由二極管D、電容C和電阻R組成，利用二極管單向?qū)щ姾蚏C充放電而工作的。由于解調(diào)電路中是用二極管來(lái)檢波的，所以應(yīng)該考慮到其工作頻率是否可以承受所要檢波的載波頻率。由于硅管的最高工作頻率為3kHz左右，不適于檢波，多用在整流電路中，所以設(shè)計(jì)選用鍺二極管2AP1-7進(jìn)行檢波，主要用在150MHz以下的電子設(shè)備中進(jìn)行檢波和小電流整流［4］。

圖6 原邊信號(hào)特征提取電路Fig．6 Diagram of signal extraction and recovery

圖7 包絡(luò)檢波器Fig．7 Envelope detector

包絡(luò)檢波器的負(fù)載R越大，檢波效率就越高。但如果將R取得過(guò)大，接近于二極管的反向阻抗rb，則正向電流和反向電流的差變小，整流器的效率會(huì)降低。所以就要在滿足rbR的情況下，負(fù)載阻尼R越大越好。其中，rb為二極管的反向阻尼，其值一般為幾百千歐姆，最后確定R值約為10kΩ左右。

在圖7中，以其中一路包絡(luò)檢波器為例，二極管包絡(luò)檢波原理為:二極管的導(dǎo)通與否決定于輸入電壓Uin和輸出電壓Uo或Udc(即電容C1上的電壓)之差(Uin－Uo)。包絡(luò)檢測(cè)器1中，在輸入電壓正半周(Uin－Uo)＞0期間二極管導(dǎo)通，流過(guò)二極管的高頻電流對(duì)C1充電，充電時(shí)間常數(shù)為 RDC1(RD很小，為二極管導(dǎo)通時(shí)的內(nèi)阻)很小，Uo在很短時(shí)間內(nèi)就接近輸入電壓最大值;在(Uin－Uo)＜0期間，二極管截止，電容C1通過(guò) R1放電。為了不失真地從調(diào)諧電路輸出的調(diào)幅波中檢出所需頻率信號(hào)，必須妥善地選擇時(shí)間常數(shù)RC。在包絡(luò)檢波器1中，放電時(shí)間常數(shù)R1C1應(yīng)滿足:

其中，Tmax為調(diào)制信號(hào)的最高頻率周期;Tc為發(fā)送的載波頻率周期。此時(shí)，放電速度會(huì)很慢，這樣電容不斷地循環(huán)反復(fù)充放電，輸出電壓 Uo在幅值上與Uin接近，能反映Uin包絡(luò)的鋸齒波，如圖8(a)所示。

包絡(luò)檢測(cè)器2中，電路結(jié)構(gòu)與包絡(luò)檢測(cè)器1相同，只是參數(shù)不同，合理設(shè)計(jì) RC參數(shù)，使其滿足R3C3≥Tc，輸出電壓基本不變，可認(rèn)為是直流，如圖8(b)所示。再經(jīng)過(guò)電阻 R5、R6分壓，將分壓后的Udc作為判決電壓，二者接入比較器的同相和反相輸入端，比較器輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的提取與復(fù)原。圖7中的R2C2和 R4C4組成低通濾波器，濾除高頻電能。

圖8 兩路包絡(luò)檢波輸出示意圖Fig．8 Output of two envelope detectors

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證該方法的可行性，搭建了實(shí)驗(yàn)電路，電路參數(shù)如表1所示。

圖9為實(shí)測(cè)得到的波形圖，通道1為從副邊往原邊傳輸?shù)念l率為500Hz的方波信號(hào)波形，通道2為原邊電流經(jīng)電阻轉(zhuǎn)換后的電壓波形，數(shù)據(jù)“1”和“0”直接表現(xiàn)為電流包絡(luò)的深淺變化。

圖9 信號(hào)傳輸時(shí)，原邊電流波形及信號(hào)波形Fig．9 Primary current and signal waveforms

圖10為兩路包絡(luò)檢波器輸出的波形，其中通道3為檢波器1輸出的包絡(luò)特征，它反映了信號(hào)的特征，此為比較器的輸入電壓。通道4為檢波器4輸出的直流電壓，它能動(dòng)態(tài)地跟隨包絡(luò)特征電壓的大小，以此作為比較器的基準(zhǔn)電壓，能準(zhǔn)確解調(diào)信號(hào)。

圖10 包絡(luò)檢測(cè)器1、2輸出波形Fig．10 Output waveforms of two envelope detectors

包絡(luò)檢波器輸出經(jīng)過(guò)比較器以后，還原出信號(hào)，如圖11所示，通道1即為最終還原出的信號(hào)。

圖11 比較器輸出波形(即還原的信號(hào))Fig．11 Output waveforms of comparator

4 結(jié)論

本文中針對(duì)感應(yīng)耦合電能傳輸(ICPT)系統(tǒng)中的信號(hào)反向傳輸問(wèn)題，提出一種新穎的基于副邊反射阻抗調(diào)制的信號(hào)傳輸方法，通過(guò)調(diào)節(jié)副邊補(bǔ)償電容的容值，在原邊形成含有數(shù)據(jù)特征的電流包絡(luò)，檢測(cè)電流包絡(luò)狀特征并進(jìn)行信號(hào)復(fù)原。搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了本方法的可行性，為ICPT系統(tǒng)中信號(hào)反向傳輸提供了全新的思路，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

［1］周錦鋒，孫躍，蘇玉剛 (Zhou Jinfeng，Sun Yue，Su Yugang)．感應(yīng)耦合電能與信號(hào)同步傳輸技術(shù)研究(Synchronous transmission of inductively coupled power and signal)［J］．重慶工學(xué)院學(xué)報(bào) (J Chongqing Inst．Tech．)，2009，(4):12-17．

［2］孫躍，王琛琛，唐春森，等 (SunYue，Wang Chenchen，Tang Chunsen，et al．)．CPT系統(tǒng)能量和信號(hào)混合傳輸技術(shù) (Study on inductively coupled synchronous transmission of power and signal) ［J］．電工電能新技術(shù) (Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2010，29(4):10-13．

［3］張福玲 (Zhang Fuling)．耦合回路中的反射阻抗(Reflected impedance in coupled circuit) ［J］．曲阜師院學(xué)報(bào)自然科學(xué)版 (Natural Science Edition Journal of Qufu Teachers College)，1985，(3):78-81．

［4］郭穎娜 (Guo Yingna)．一種 FSK信號(hào)調(diào)制解調(diào)電路的設(shè)計(jì) (A method of design for FSK modem)［J］．現(xiàn)代電子技術(shù) (Modern Electronic Technology)，2006，(1):138-139．

Study on signal reverse transmission in ICPT system

LIU Yang，WANG Zhi-hui，TANG Chun-sen，SUN Yue，F(xiàn)U Si-qing
(College of Automation，Chongqing University，Chongqing 400040，China)

According to the problem of digital signal reverse transmission in the Inductively Coupled Power Transfer (ICPT)system，a new method for signal reverse transmission based on reflected impedance modulation is proposed．This method is implemented to regulate the capacity value of the secondary loop according to the signal transmitted，then monitor the current wave of the primary circuit to demodulate signal．In this paper，how the reflected impedance influence the current is analyzed and approved by the experimental verification．

ICPT;reflected impedance;signal reverse transmission

TM 133

A

1003-3076(2014)04-0006-05

2013-01-23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50777071)

劉 洋(1987-)，男，四川籍，碩士，研究方向?yàn)橹悄茈娏﹄娮友b置;孫 躍(1960-)，男，浙江籍，教授，博士，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c控制技術(shù)。．