LCL-S型注入信号式能量...号共享通道ICPT系统研究_周仁迪.pdf

书书书测控技术2023 年第 42 卷第 2 期数据采集与处理收稿日期:2022 01 04基金项目:国家自然科学基金(52075339)引用格式:周仁迪，徐科峰，齐红丽，等 LCL-S 型注入信号式能量与信号共享通道 ICPT 系统研究 J 测控技术，2023，42(2):68 73ZHOU D，XU K F，QI H L，et al ICPT System of LCL-S Injecting Signal Energy and Signal Sharing Channel J Measurement Control Technology，2023，42(2):68 73LCL-S 型注入信号式能量与信号共享通道 ICPT系统研究周仁迪1，徐科峰1，齐红丽2，李涛2，吉小军1，雷华明1*(1 上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海200240;2 中国船舶重工集团公司第 704 研究所，上海200310)摘要:针对感应耦合电能传输(Inductive Coupled Power Transfer，ICPT)系统应用场景中的信号反向传输需求，提出了一种基于 LCL-S 谐振拓扑的注入信号式 ICPT 电能信号共享通道系统。运用交流阻抗法对所提出的系统的电能通道与信号通道分别进行了理论分析，建立了数学模型。以负载得到的电压恒定为前提，兼顾信号调制解调结构的影响，分析计算了系统参数，并搭建了 MATLAB/Simulink 验证模型。仿真结果表明，信号传递电路引入后，负载可以实现恒压，系统能量传输正常，在保证能量传输的情况下，可以实现信号的反向传输。最后按照仿真模型搭建了实际电路，验证了所提出的系统的可行性。关键词:感应耦合电能传输;信号传输;共享通道;拓扑结构;参数设计中图分类号:TP212 9;TM564文献标志码:A文章编号:1000 8829(2023)02 0068 06doi:10 19708/j ckjs 2022 03 245ICPT System of LCL-S Injecting Signal Energy and Signal Sharing ChannelZHOU en-di1，XU Ke-feng1，QI Hong-li2，LI Tao2，JI Xiao-jun1，LEI Hua-ming1*(1 School of Electronic Information and Electrical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China;2 No 704 esearch Institute，China Shipbuilding Industry Group Co，Ltd，Shanghai 200310，China)Abstract:In order to meet the requirement of signal reverse transmission in the application scenario of induc-tive coupled power transfer(ICPT)system，a signal-injected ICPT power-signal sharing channel system basedon LCL-S resonance topology is proposed The power channel and signal channel of the proposed system aretheoretically analyzed by using AC impedance method，and the mathematical model is established The systemparameters are analyzed and calculated based on the premise that the voltage obtained at the load is constant，and the influence of the signal modulation and demodulation structure is taken into account A Simulink verifi-cation model is built in MATLAB The simulation results show that after the signal transmission circuit is intro-duced，the load can achieve constant voltage and the system energy transmission is normal，under the conditionof ensuring energy transmission，the reverse transmission of the signal can be realized Finally，the actual circuitis built according to the simulation model to verify the feasibility of the proposed systemKey words:inductive coupled power transfer;signal transmission;sharing channel;topology structure;parame-ter design传统的供电方式借助电缆实现电能的直接传输，其具有电缆损坏、触电、不便转动移动等潜在问题。感86应耦合电能传输(Inductive Coupled Power Transfer，ICPT)技术依靠电磁感应原理，利用高频电流产生交变磁场、交变磁场产生感应电压的环节链，实现电能的无接触传输，安全可靠，适用性高，是一种有望替代传统有缆供电方式的新型无线供电技术。为了消除系统的无功功率，提升能量传输效率，ICPT 系统有4 种基本谐振补偿方式:SS、SP、PS、PP1。其中，SS 和 SP 拓扑逆变结构的开关管的电流与流过负载的大小相同，开关管的损耗较大;PS 和 PP 拓扑逆变结构的开关管所承受的电压较大，开关管有损坏的风险2。相对于以上基础补偿拓扑，LCL-S 型拓扑具有可通过阻抗变换减小逆变结构开关管的电流大小、对逆变结构产生的高频杂波过滤性更好和可实现负载恒压等优点3。在 ICPT 的应用场景中，经常要求系统受电侧向供电侧进行数据传输，例如测量温度、力、扭矩等信号的回传，又或者系统受电侧工作状态的监控，可通过增设额外的信号收发设备(如蓝牙、F 设备)来实现，但会增加系统成本，且不适用于一些安装环境苛刻的情况。因此在不增设额外设备的前提下，尽量依靠 ICPT 系统自身实现信号的反向传输，是一种经济且便利的方法，具有较大的研究价值。针对于数据反向传输，目前的 ICPT 系统电能与信号共享通道技术主要用到的方法有:分时复用法、部分线圈法、寄生参数法和串并联注入法4。分时复用法5 通过开关选择结构在一个能量波形周期内将系统的电能与信号错时传输，某时刻系统只传输能量或者传递信号，避免了其相互干扰，但其能量传输效率和信号传递速率毫无疑问会受到影响。部分线圈法6 将一部分能量传输线圈作为信号传递线圈，并在其旁并联信号调制解调结构，然而当系统负载为重载时，能量波形频率会对信号传递过程产生严重干扰，影响系统通信的准确性。寄生电容法7 利用能量耦合结构之间的寄生电容和实际应用中屏蔽层之间的寄生电容所形成的回路实现能量与信号的共同传输。然而寄生电容往往很小，对匹配参数的精度要求很高，实际应用中会存在稳定性和可靠性问题。串并联注入法8 9 通过信号调制解调变压器与能量耦合线圈串联或并联，实现能量信号的同时传输。上述方法中，串联注入方式实现结构更简单，参数更易配置，对能量传输过程影响更小。目前尚未有将性能优良的 LCL-S 型 ICPT 拓扑与简单易行的串联注入法相结合以实现能量的正向传输和信号的反向传递的研究，且一般 ICPT 系统的研究限于理论推导，鲜有使用 Simuink 进行完整建模仿真的报道。因此，笔者基于串联注入式信号传递方法，对LCL-S 拓扑的 ICPT 系统能量与信号的同时传输进行了整体分析;运用交流阻抗法对系统能量传输通道与信号传递通道分别进行理论分析，建立了系统数学模型，构建了信号传递函数;最后以负载电压恒定为前提分析计算了系统参数，搭建了 MATLAB/Simulink 仿真模型，制作了实际电路，验证了所提出系统的可行性。1系统原理本文所提出的 LCL-S 型注入信号式 ICPT 电能信号共享通道系统框图如图 1 所示。图 1LCL-S 型注入信号式 ICPT 电能信号共享通道系统框图系统主电路为基于 LCL-S 拓扑的 ICPT 系统，在原副边能量耦合电感旁串联小感值电感作为信号调制与信号解调结构。其中，L7为原边谐振电感;C1为原边谐振补偿电容;L1为原边耦合线圈电感;L2为副边耦合线圈电感，其与 L1构成能量耦合主变压器，在 ICPT 系统中一般为空心变压器，其互感 M1相对较小，耦合系数较低;C2为副边谐振补偿电容;L为全桥整流及后续电路折算的等效负载;L6和 L5为信号调制变压器的原副边线圈;M3为其互感值;L3和 L4为信号解调变压器的原副边线圈;M2为其互感值;C3、C4为信号调制和解调变压器的初级线圈的谐振补偿电容。1 1能量传输原理ICPT 技术通过发射线圈和接收线圈之间的磁感应耦合现象实现原边到副边的电能传输。LCL-S 型ICPT 系统的等效原理图如图 2 所示。由于在能量频率处信号调制解调结构的阻抗很大，其反射回能量回路的阻抗很小，所以分析能量传输时调制解调结构等效于其串联在能量回路中的 L5和 L310。图 2LCL-S 型 ICPT 系统的等效原理图96LCL-S 型注入信号式能量与信号共享通道 ICPT 系统研究能量传输的工作原理为:直流电源经过高频逆变输出频率为 f0的方波电压 ui，通过 L7、C1、L1和 L3构成的 LCL 谐振补偿网络，消除原边线圈和副边折算到原边的感抗，增强系统的功率传输性能，同时滤除 ui中除基波外的高频分量，在原边线圈 L1中产生正弦电流，其在空间中激发出高频交变磁场，副边线圈 L2基于电磁感应现象产生感应电压，并和电容 C2构成谐振补偿结构最大化拾取电能，经过整流、滤波和稳压后向负载输出电能。1 2信号传递原理本系统中使用开关键控的 2ASK 信号调制方式，用高频信号波形的“有”和“无”分别表征数字信号的“1”和“0”。为保证能量与信号的同时传输，信号波形的频率为 MHz 级，远大于能量波形的 kHz 级。信号传递方向为副边到原边，与能量传输共用主变换器原副边线圈。增加信号调制解调结构后，系统信号传递的等效原理图如图 3 所示，其中 S为信号解调电路的输入阻抗。在分析信号传递过程时，能量输入端口可视作短路。图 3系统信号传递的等效原理图信号传递的工作原理为:当所传递的数字信号为1 时，信号源 usi输出频率为 fs的电压信号。经过 C3和L6组成的谐振频率为 fs的串联谐振电路，抑制 usi中的高频杂波;然后通过 L6和 L5组成的信号调制变压器将信号传递到副边回路，再由主变压器耦合至原边;最后由信号解调变压器拾取信号波形，C4和 L4构成谐振频率为 fS的 LC 并联谐振结构，抑制电能频率的波形，放大信号频率的正弦波。2系统参数选取及传递函数计算2 1ICPT 系统参数计算逆变电路输出频率为 f0的方波，由傅里叶变化知其可等效为频率 f0的正弦基波及其奇次谐波，随着谐波频率的增加，其对应分量的幅值越来越小。又由于LCL 网络对基波之外的谐波具有抑制作用，所以为了对系统进行稳态分析，忽略高次谐波，仅考虑基波的作用。为