張浚坤，馬學(xué)軍,,胡國(guó)珍,,陳旭武

(1.武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢430070；2.湖北理工學(xué)院電氣與電子信息工程學(xué)院，湖北黃石435003)

基于大功率ICPT系統(tǒng)的載波通信設(shè)計(jì)

張浚坤1，馬學(xué)軍1,2,胡國(guó)珍1,2,陳旭武2

(1.武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢430070；2.湖北理工學(xué)院電氣與電子信息工程學(xué)院，湖北黃石435003)

針對(duì)大功率ICPT系統(tǒng)進(jìn)行載波通信方案設(shè)計(jì)。在詳細(xì)分析比較調(diào)制方式的基礎(chǔ)上，提出了一種使用半橋諧振型逆變器產(chǎn)生載波信號(hào)的方案,并對(duì)傳統(tǒng)ASK方式解調(diào)電路進(jìn)行改進(jìn)，使其性能進(jìn)一步優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案簡(jiǎn)單可行、低功耗、低成本,具有良好的應(yīng)用前景。

ICPT；載波通信；解調(diào)；2ASK

隨著無(wú)線(xiàn)電能傳輸領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，大功率感應(yīng)式磁耦合電能傳輸(Inductive coupled power transfer，簡(jiǎn)稱(chēng)ICPT)系統(tǒng)中對(duì)信號(hào)傳輸?shù)囊笠沧兊萌找鎳?yán)苛。目前采用的載波通信方案功耗偏高、設(shè)計(jì)方案較復(fù)雜、成本較高。設(shè)計(jì)一種合理方式進(jìn)行載波通信，既具有載波通信信號(hào)傳輸實(shí)時(shí)性好、抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn),同時(shí)也可降低設(shè)計(jì)成本和功耗[1-2]。

1　載波通信方式設(shè)計(jì)

1.1傳輸方式原理

本文基于大功率ICPT系統(tǒng)載波通信方式設(shè)計(jì)原理如圖1所示。圖中主要由發(fā)送電路、軌道和接收電路構(gòu)成。發(fā)送電路從主控芯片中獲得基帶信號(hào)數(shù)據(jù)，通過(guò)調(diào)制電路調(diào)制成載波信號(hào)。再將載波信號(hào)經(jīng)由耦合電路加載至導(dǎo)軌上。由于導(dǎo)軌上的載波以行波方式進(jìn)行傳播，為了增加信號(hào)的傳輸距離，在導(dǎo)軌末端要加入阻抗匹配電路。接收電路將載波信號(hào)經(jīng)過(guò)解調(diào)復(fù)原出基帶信號(hào)后再根據(jù)數(shù)據(jù)的通信協(xié)議對(duì)終端進(jìn)行控制[2]。

圖1　ICPT系統(tǒng)載波通信結(jié)構(gòu)

1.2調(diào)制方式原理

由于一般數(shù)字基帶信號(hào)含有豐富的低頻成分，而導(dǎo)軌實(shí)際上是一個(gè)帶通信道。因此必須對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。通常情況下，載波以正弦波形為主。通過(guò)調(diào)整其相位、頻率和幅值傳遞信息。分別對(duì)應(yīng)為ASK(幅移鍵控)、FSK(頻移鍵控)和PSK (相移鍵控)。相較于FSK方式和PSK方式而言，ASK方式具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、功耗低、頻帶利用率高的特點(diǎn)[3]。在大功率ICPT系統(tǒng)中，鑒于能量傳輸過(guò)程產(chǎn)生的高頻噪聲和逆變?cè)肼暢蔀檩d波通信需要考慮到的主要因素。ASK調(diào)制是線(xiàn)性調(diào)制，在接收端濾波過(guò)程中較FSK和PSK方式更有利于提高信號(hào)的信噪比。雖然在電話(huà)有線(xiàn)通信中ASK方式速率最高才可達(dá)1 200 bps，但通過(guò)適當(dāng)提高發(fā)射功率可以彌補(bǔ)其傳輸速率低的缺點(diǎn)?；谝陨显颍疚牟捎肁SK方式中最常用的OOK (通-斷鍵控)方式進(jìn)行調(diào)制。

1.3載波頻率選擇

在大功率無(wú)線(xiàn)電能傳輸時(shí)，電能噪聲功率大、頻率高(本文開(kāi)關(guān)頻率為25 kHz、原邊導(dǎo)軌電流Irms=50 A)。設(shè)計(jì)中既要保證載波通信遠(yuǎn)離電源噪聲的干擾，也不應(yīng)干擾環(huán)境中其他通信頻段的工作。我國(guó)中波頻段范圍：526.5～1 606.5 kHz，載波通信頻段應(yīng)遠(yuǎn)離該頻段，但載波頻率過(guò)高也會(huì)造成設(shè)計(jì)成本能耗過(guò)高。故選取低于該頻段頻率進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文中主要噪聲為25 kHz頻率的逆變?cè)肼暎d波頻率越高，逆變?cè)肼晫?duì)通信的影響越小。綜上所述，選定載波頻率為400 kHz。

2　載波通信電路設(shè)計(jì)

2.1調(diào)制電路設(shè)計(jì)

ASK方式時(shí)域表達(dá)式為：

目前，MOSFET管在小功率應(yīng)用下可以達(dá)到1 MHz開(kāi)關(guān)頻率。如圖2所示，本文采用半橋諧振逆變器產(chǎn)生400 kHz正弦波。相較于傳統(tǒng)功率放大電路，該方案能耗更低。半橋電路用IR2302芯片驅(qū)動(dòng)，主控芯片將基帶信號(hào)調(diào)制成PWM波。此時(shí)，當(dāng)基帶信號(hào)發(fā)“1”時(shí)，半橋電路形成互補(bǔ)的方波。

圖2　調(diào)制電路結(jié)構(gòu)圖

電容Cp和電感Lp組成諧振濾波器，在400 kHz諧振頻率下由諧振公式取Lp=42 μH，Cp=3.8 nF。經(jīng)過(guò)諧振后使用隔離變壓器將發(fā)送端和導(dǎo)軌進(jìn)行隔離。

25 kHz能量信號(hào)經(jīng)過(guò)電容Cs產(chǎn)生阻抗Zs，經(jīng)過(guò)Cp、Lp產(chǎn)生阻抗Zp。取電容Cs=1 nF，則：

由公式(2)可知，經(jīng)過(guò)電感Lp和電容Cp、Cs之后對(duì)能量噪聲會(huì)產(chǎn)生很高的阻抗，即實(shí)現(xiàn)了信號(hào)發(fā)射端與能量傳輸端的電氣隔離。

2.2接收電路設(shè)計(jì)

如圖3所示，取接收端天線(xiàn)自感L1=600 μH，配諧振電容C1=264 pF，電阻R1=10 Ω。串聯(lián)諧振品質(zhì)因數(shù)Q=ωL1/R1=24。在此諧振回路中，400 kHz頻率對(duì)應(yīng)1.19 dB的增益，25 kHz頻率對(duì)應(yīng)－67.6 dB增益。由信噪比SNR=20Lg(VS/VN)知,信噪比增加了68.7 dB。

圖3　接收電路結(jié)構(gòu)圖

帶通濾波器設(shè)計(jì)既要能保證濾波器具有一定的通頻帶能力，同時(shí)也要保證能有效降低電能噪聲。帶通濾波器設(shè)計(jì)公式[4]，低通部分濾波器截止頻率fL和高通部分濾波器截止頻率fH分別為:

濾波器比例放大系數(shù)和帶通放大倍數(shù)：

這里將帶通濾波器分為高通部分和低通部分來(lái)進(jìn)行分析。高通部分主要用來(lái)濾除電能噪聲，反饋電阻R4用于增強(qiáng)輸出信號(hào)。如將fH定于載波頻率－3 dB增益時(shí)，載波信號(hào)經(jīng)運(yùn)放后不會(huì)大幅度增益。當(dāng)設(shè)計(jì)高通部分截止頻率在1.5 dB衰減時(shí)，可有效提高該增益。同時(shí)按此設(shè)計(jì)通信信號(hào)衰減不變。

濾波電容一般選取容值較低的電容，取C3=C2=1 nF。當(dāng)fH=284 kHz時(shí)，對(duì)應(yīng)400 kHz是衰減－1.5 dB。此時(shí)R3=560 Ω。設(shè)計(jì)Auf=2.5，此時(shí)通帶放大倍數(shù)Aup=5。在高通部分?jǐn)?shù)據(jù)確定時(shí)，低通部分截止頻率fL既要能濾除高頻噪聲，又要選取合適的通頻帶。經(jīng)過(guò)仿真和計(jì)算，當(dāng)R2=500 Ω時(shí)濾波效果最佳。由反饋特性可知，選取電阻R4同R2阻值相同。經(jīng)仿真，400 kHz頻率對(duì)應(yīng)27 dB的增益，25 kHz頻率對(duì)應(yīng)－16 dB增益。

信號(hào)經(jīng)過(guò)同向比例放大之后再由電壓跟隨器送入幅值檢測(cè)電路。幅值檢測(cè)電路利用電容充放電原理工作。根據(jù)充放電時(shí)間常數(shù)τ=RC，確定合理的充放電時(shí)間，取R4=1 kΩ，C4= 1 nF。幅值檢測(cè)電路將包絡(luò)信號(hào)檢出后再經(jīng)過(guò)電壓比較器即將基帶信號(hào)還原。

3　通信原理仿真

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性，現(xiàn)對(duì)該方案用MATLAB進(jìn)行仿真。

如圖4所示，4(a)圖為有效值為50 A的原邊導(dǎo)軌電流波形，其電能質(zhì)量不受400 kHz載波的影響，可進(jìn)行大功率電能傳輸。4(c)圖載波是接收端經(jīng)過(guò)RLC串聯(lián)諧振及帶通濾波之后產(chǎn)生的波形。與基帶信號(hào)4(b)圖對(duì)比，其包絡(luò)特性滿(mǎn)足解調(diào)的要求。4(d)圖為幅值檢測(cè)電路檢測(cè)出的包絡(luò)信號(hào)，雖然存在一定的低頻震蕩，但不影響信號(hào)的解調(diào)。圖4(e)是經(jīng)電壓比較器還原后的信號(hào)波形。與基帶信號(hào)對(duì)較后驗(yàn)證了該通信原理可行。

4　實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

根據(jù)以上分析設(shè)計(jì)出該方案載波通信完整電路圖如圖5所示，PWM端口輸入400 kHz互補(bǔ)的方波信號(hào)。SD端口接入數(shù)字信號(hào)，J2端口直接接至導(dǎo)軌兩端。接收端接入信號(hào)后通過(guò)處理后將數(shù)字信號(hào)檢出。圖5(b)完成載波信號(hào)的解調(diào)功能。

圖4　發(fā)送及接收電路主要波形

圖5　通信實(shí)驗(yàn)電路圖

圖6(a)通道一為50 A有效值的原邊電流波形，驗(yàn)證了該載波通信方案在大功率系統(tǒng)應(yīng)用中不會(huì)對(duì)電能傳輸產(chǎn)生影響。圖6(b)為發(fā)送端與接收接端“1”與“0”對(duì)應(yīng)的調(diào)制信號(hào)及解調(diào)信號(hào)圖。通道1為發(fā)送端9.6 kbps的TTL通信信號(hào)；通道2為發(fā)送端400 kHz的ASK調(diào)制信號(hào)；通道3接收端400 kHz的ASK調(diào)制信號(hào)；通道4接收端解調(diào)后的9.6 kbps TTL通信信號(hào)。由實(shí)驗(yàn)波形對(duì)比仿真波形可知，該設(shè)計(jì)在調(diào)制和解調(diào)過(guò)程滿(mǎn)足通信要求。圖6(c)為發(fā)送端與接收接端1個(gè)數(shù)據(jù)幀對(duì)應(yīng)的調(diào)制信號(hào)及解調(diào)信號(hào)圖。通道1為發(fā)收端9.6 kbps的TTL標(biāo)準(zhǔn)串行通信信號(hào)；通道2發(fā)送端400 kHz的ASK調(diào)制信號(hào)；通道3接收端400 kHz的ASK調(diào)制信號(hào)；通道4接收端解調(diào)后的9.6 kbps TTL通信信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中在發(fā)送端發(fā)送一個(gè)幀的數(shù)據(jù)后，接收端還原該信號(hào)，通信誤碼率極低可以忽略不計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明該方案具有良好的應(yīng)用效果。

圖6　通信實(shí)驗(yàn)波形

5　結(jié)論

本文提出了一種適用于大功率ICPT系統(tǒng)的載波通信方案。利用諧振變換原理實(shí)現(xiàn)載波調(diào)制，使其在功耗上比一般載波通信更低，在電路設(shè)計(jì)上可靠實(shí)用。通過(guò)加入諧振回路和帶通濾波器的設(shè)計(jì)，極大地提高了通信信號(hào)信噪比和傳輸速率，彌補(bǔ)了ASK方式在調(diào)制過(guò)程中抗干擾性弱的不足。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文方案進(jìn)行ICPT方式下的載波通信方式，其實(shí)時(shí)性好、能耗低、抗干擾性強(qiáng)、對(duì)能量傳輸無(wú)影響，在大功率ICPT系統(tǒng)中有良好的應(yīng)用。

[1]CHOI W P,HO W C,LIU X,et al.Bidirectional communication techniques for wireless battery charging systems&portable consumer electronics[C]//2010 Twenty-Fifth Annual IEEE.Palm Springs,CA:IEEE,2010:2251-2257.

[2]張亮,樓佩煌,隋大鵬,等.應(yīng)用于EMS的無(wú)接觸供電載波通信調(diào)制方式研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2011,24:37-40.

[3]王琪.通信原理[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012:195-227.

[4]SCHERZ P,MONK S.Practical Electronics for Inventors[M].US: McGraw-Hill Education TAB,2012:435-453.

Carrier communication design based on high-power ICPT system

ZHANG Jun-kun1，MA Xue-jun1,2，HU Guo-zhen1,2，CHEN Xu-wu2
(1.School of Automation,Wuhan University of Technology,Wuhan Hubei 430070,China;2.School of Electrical and Electronic Information Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003,China)

The carrier communication solutions were designed for high-power ICPT systems.On the basis of a detailed analysis and comparison of modulation schemes,a carrier signal generated program in the use of half-bridge resonant inverter was proposed.And the conventional ASK demodulation circuit was improved to further optimize the performance.The experimental results show that the scheme is simple and feasible with low power and low cost.It is feasible for application.

ICPT;carrier communication;demodulation;2ASK

TM 73

A

1002-087 X(2016)10-2058-03

2016-03-19

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(D20144404);湖北省中青年創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(T201223);湖北理工學(xué)院項(xiàng)目(801-9064)

張浚坤(1992—)，男，湖北省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)碾娏﹄娮蛹夹g(shù)。