無線能量傳輸系統(tǒng)的頻率跟蹤裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種無線能量傳輸系統(tǒng)的頻率跟蹤裝置，包括：包括：全橋逆變電路驅動電路、DDS芯片、單片機、相位差檢測電路、初級繞組回路、電壓采樣電路、電流采樣電路和放大整形電路。本實用新型還公開了一種應用于無線能量傳輸系統(tǒng)的頻率跟蹤裝置的頻率跟蹤方法，包括以下步驟：1、單片機將頻率跟蹤的結果反映成頻率數(shù)據(jù)傳入DDS芯片；2、相位檢測電路輸出的控制量只在失諧狀態(tài)或者諧振狀態(tài)時保持不變；3、單片機及時更新DDS芯片的頻率控制字產(chǎn)生新的工作頻率來驅動逆變電路，同時相位檢測電路循環(huán)檢測判斷，直到系統(tǒng)恢復諧振為止。本實用新型具有結構簡單和有效解決了無線能量傳輸系統(tǒng)中頻率失諧的問題等優(yōu)點。
【專利說明】無線能量傳輸系統(tǒng)的頻率跟蹤裝置

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種于單片機控制的頻率跟蹤技術，特別涉及一種無線能量傳輸系統(tǒng)的頻率跟蹤裝置。

【背景技術】
[0002]目前，開環(huán)無線能量傳輸系統(tǒng)在工作過程中由于電路工作溫度變化、寄生參數(shù)變化、電容電感制作的誤差和診斷不同體型的人等原因，導致系統(tǒng)初次級線圈回路的固有諧振頻率發(fā)生變化而偏離了系統(tǒng)預設的工作頻率，導致系統(tǒng)發(fā)生失諧現(xiàn)象，使線圈回路中的電流降低，產(chǎn)生的交變電磁場強度也隨之降低了，進而導致系統(tǒng)能量傳輸效率降低，使得微診查系統(tǒng)無法正常工作。目前頻率跟蹤技術運用最多的是鎖相環(huán)跟蹤電路，但該系統(tǒng)受電磁干擾影響較大，當系統(tǒng)為串聯(lián)諧振時跟蹤頻率容易造成死鎖現(xiàn)象，必須通過外界干預系統(tǒng)才能恢復正常工作。
實用新型內(nèi)容
[0003]本實用新型的首要目的在于克服現(xiàn)有技術的缺點與不足，提供一種無線能量傳輸系統(tǒng)的頻率跟蹤裝置，該頻率跟蹤裝置解決了初級發(fā)射線圈回路失諧的問題，使初級繞組回路始終工作于諧振的狀態(tài)，保證無線能量傳輸系統(tǒng)始終處于諧振的狀態(tài)。
[0004]本實用新型的另一目的在于克服現(xiàn)有技術的缺點與不足，提供一種應用于無線能量傳輸系統(tǒng)的頻率跟蹤裝置的頻率跟蹤方法，該頻率跟蹤方法有效地解決了無線能量傳輸系統(tǒng)出現(xiàn)的失諧所帶來的能量傳遞不穩(wěn)定的現(xiàn)象，以保證系統(tǒng)能量輸出的穩(wěn)定。
[0005]本實用新型的首要目的通過下述技術方案實現(xiàn):一種無線能量傳輸系統(tǒng)的頻率跟蹤裝置，包括:全橋逆變電路驅動電路、DDS芯片、單片機、相位差檢測電路、初級繞組回路、電壓采樣電路、電流采樣電路和放大整形電路，所述全橋逆變電路驅動電路包括高頻逆變電路和PWM驅動電路；
[0006]所述初級繞組回路、高頻逆變電路、PWM驅動電路、DDS芯片、單片機和相位差檢測電路依次連接，所述電壓采樣電路的輸入端和電流采樣電路的輸入端均與初級繞組回路相連接，所述電壓采樣電路的輸出端和電流采樣電路的輸出端均通過放大整形電路與相位差檢測電路相連接；
[0007]所述電流采樣電路用于采集初級繞組回路的電流信號；所述電壓采樣電路用于采集初級繞組回路的電壓信號；所述放大整形電路把采集到的電流和電壓信號分別進行放大并整形處理為方波信號，然后輸出至相位差檢測電路的輸入端形成電壓電流相位差信號；所述電壓電流相位差信號輸入單片機的輸入端，所述單片機用于對無線能量傳輸系統(tǒng)進行頻率跟蹤控制，并驅動DDS芯片產(chǎn)生一定頻率的PWM信號輸入PWM驅動電路；所述PWM驅動電路驅動高頻逆變電路作為初級繞組回路的供電電源。
[0008]所述單片機用于對無線能量傳輸系統(tǒng)進行頻率跟蹤控制的控制方法為:將初級繞組回路的電壓信號和電流信號進行相位比較，利用相位差檢測電路確定初級繞組回路的相位關系，并把所述相位關系作為控制信號，所述單片機通過控制信號對無線能量傳輸系統(tǒng)進行頻率跟蹤，使無線能量傳輸系統(tǒng)保持諧振狀態(tài)，解決無線能量傳輸系統(tǒng)的失諧問題。
[0009]單片機通過控制信號對無線能量傳輸系統(tǒng)進行頻率跟蹤的跟蹤方法為:所述單片機控制DDS芯片產(chǎn)生一定頻率的PWM信號；同時對采集的電壓電流相位差信號進行檢測處理，并將頻率跟蹤的結果反饋給無線能量傳輸系統(tǒng)，保持無線能量傳輸系統(tǒng)在新頻率下的諧振狀態(tài)。
[0010]驅動所述P麗驅動電路和驅動高頻逆變電路均采用美國IR公司生產(chǎn)的大功率MOSFET專用驅動集成電路IR2110芯片；該大功率MOSFET專用驅動集成電路IR2110芯片具有自舉懸浮驅動電源可同時輸出兩路驅動信號驅動同一橋臂上的上、下兩個開關管；所述驅動集成電路IR2110芯片包括:第一自舉電容Cl 1、第二自舉電容C12、自舉二極管E，第一濾波電容C21、第二濾波電容C22、第一 MOSFET管Ml、第二 MOSFET管M2、第一電阻Rl和第二電阻R2 ;假設第一 MOSFET管Ml在關斷期間第一濾波電容C21和第二濾波電容C22已經(jīng)充到足夠的電壓VCl ;iHIN為高電平時，IR2110芯片內(nèi)部集成在同一橋臂上的開關管VMl開通，VM2關斷，VCl通過VMl的柵極和源極，第二電阻R2形成回路放電，這時第一濾波電容C21和第二濾波電容C22相當于一個電壓源使第一 MOSFET管Ml導通，同時LIN為低電平，IR2110芯片內(nèi)部集成在同一橋臂上的開關管VM4開通，VM3關斷，這時聚集在第二MOSFET管M2柵極和源極的電荷通過第二電阻R2，VM4迅速對地放電，由于死區(qū)時間影響使第二 MOSFET管M2在第一 MOSFET管Ml開通之前迅速關斷；當HIN為低電平時，VMl關斷，VM2開通，這時聚集在第一 MOSFET管Ml柵極和源極的電荷通過第一電阻Rl迅速放電；經(jīng)過短暫的死區(qū)時間LIN為高電平，VM4關斷，VM3導通，使VCC經(jīng)過第一電阻Rl，第二 MOSFET管M2的柵極和源極形成回路，使第二 MOSFET管M2開通，同時，VCC經(jīng)過自舉二極管E，第一自舉電容C11、第二自舉電容C12和第二 MOSFET管M2形成回路，對第一自舉電容C11、第二自舉電容C12進行充電，如此循環(huán)反復下去。
[0011]本實用新型的另一目的通過以下技術方案實現(xiàn):一種應用于無線能量傳輸系統(tǒng)的頻率跟蹤裝置的頻率跟蹤方法，包括以下步驟:
[0012]步驟1、在頻率跟蹤式無線能量傳輸系統(tǒng)中，單片機控制DDS芯片產(chǎn)生一定頻率的PWM信號用以驅動逆變橋并且對采集的電壓電流相位差信號進行判斷處理，保證系統(tǒng)的工作頻率跟蹤初級繞組回路的固有諧振頻率的變化，將頻率跟蹤的結果反映成頻率數(shù)據(jù)傳入DDS芯片中，使得系統(tǒng)在新的頻率下工作；
[0013]步驟2、相位檢測電路輸出的控制量在失諧狀態(tài)或者諧振狀態(tài)時保持不變，當發(fā)生失諧狀態(tài)和諧振狀態(tài)的狀態(tài)轉換時，相位檢測電路輸出的控制量發(fā)生變化；比如當電壓相位超前電流時控制量為“0”，此時系統(tǒng)工作頻率需要降低才能恢復諧振；
[0014]步驟3、單片機內(nèi)置的程序以一定的步長不斷的去減小系統(tǒng)工作頻率，并每次及時更新DDS芯片的頻率控制字產(chǎn)生新的工作頻率來驅動逆變電路，同時相位檢測電路對每次新的工作頻率下發(fā)射回路中的電壓電流相位進行相位檢測，輸出新的控制量送入單片機I/O 口，不斷循環(huán)檢測判斷，直到電壓與電流相位相同或接近相同時、控制量變?yōu)椤癐”、工作頻率不再減小，系統(tǒng)恢復諧振為止；當電壓相位滯后電流相位時，依次類推，兩種狀態(tài)下的控制過程是互相牽制影響的，共同維持系統(tǒng)處于諧振的狀態(tài)。頻率跟蹤控制程序流程如圖6所示。
[0015]所述DDS芯片的型號可以為AD9850。
[0016]本實用新型的原理:由于初級繞組回路的固有諧振頻率的變化引起的失諧是引起無線能量傳輸系統(tǒng)效率降低的主要因素，因此本實用新型主要是利用頻率跟蹤系統(tǒng)改善初級發(fā)射線圈回路的諧振問題，即:針對初級發(fā)射線圈回路設計頻率跟蹤電路使其始終處于諧振狀態(tài)。流傳感器采集初級繞組回路的電流信息，得到正比于發(fā)射線圈內(nèi)電流It的電壓信號V1，經(jīng)過遲滯比較器整形為方波信號Vqi，用電壓傳感器采集初級繞組回路兩端的電壓Ut，經(jīng)過遲滯比較器整形為方波信號VQ2。然后將這兩個方波信號同時送到相位差檢測電路得出相位差信息。根據(jù)回路的電壓電流相位差信息使單片機做出相應的反應去控制DDS芯片改變輸出的PWM信號的頻率，以新的工作頻率經(jīng)過PWM驅動電路去驅動高頻逆變電路工作。
[0017]本實用新型相對于現(xiàn)有技術具有如下的優(yōu)點及效果:
[0018]1、本實用新型利用單片機代替鎖相環(huán)跟蹤電路解決無線能量傳輸系統(tǒng)的頻率失諧問題，維持了系統(tǒng)能量傳輸?shù)姆€(wěn)定性。
[0019]2、本實用新型采用DDS芯片AD9850作為電源逆變的控制芯片具有靈敏度高，頻率精度高，信號頻率變換迅速的特點。
[0020]3、本實用新型的頻率跟蹤電路簡單實用，而且可以通過程序調(diào)節(jié)跟蹤靈敏度，可以適用不同的場合。
[0021]4、本實用新型的實物電路采用鍵盤輸入信號頻率，可以根據(jù)不同的運用場合來改變初始的工作頻率，可以為多種不同的發(fā)射線圈提供激勵信號，而且保證初級線圈都處于諧振狀態(tài)，維持系統(tǒng)能量傳輸效率的最大化狀態(tài)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是基于單片機控制的無線能量傳輸系統(tǒng)頻率跟蹤裝置結構原理圖。
[0023]圖2是電流采樣電路圖；其中，Utjut = I2Rlo
[0024]圖3是電壓采樣電路圖；其中，Utjut = I2Rlo
[0025]圖4是相位差檢測電路圖。
[0026]圖5是全橋逆變電路驅動電路圖。
[0027]圖6是頻率跟蹤式無線能量傳輸系統(tǒng)的控制程序流程圖。

【具體實施方式】
[0028]下面結合實施例及附圖對本實用新型作進一步詳細的描述，但本實用新型的實施方式不限于此。
[0029]實施例
[0030]如圖1所示，一種無線能量傳輸系統(tǒng)的頻率跟蹤裝置，包括:全橋逆變電路驅動電路、DDS芯片、單片機、相位差檢測電路、初級繞組回路、電壓采樣電路、電流采樣電路和放大整形電路，所述全橋逆變電路驅動電路包括聞頻逆變電路和PWM驅動電路，
[0031]頻率跟蹤的控制由單片機完成，單片機一方面控制DDS芯片(所述DDS芯片的型號為AD9850)產(chǎn)生一定頻率的PWM信號輸入PWM驅動電路用以驅動高頻逆變電路；另一方面要對由采集的電壓電流相位差信號進行判斷處理，保證系統(tǒng)的工作頻率跟蹤初級繞組回路的固有諧振頻率的變化。
[0032]全橋逆變電路驅動電路圖如圖5所示,所示全橋逆變電路驅動電路包括高頻逆變電路和PWM驅動電路，因為AD9850產(chǎn)生的PWM信號幅值只有5V左右，達不到驅動開關管MOSFET的要求，這里采用PWM驅動電路將信號幅值提升到12V左右，達到MOSFET管的驅動要求，然后在PWM信號高低電平的交替驅動下，全橋逆變電路上位于對角線上的MOSFET管同時導通和截止，且兩組對角線上的MOSFET管交替導通和截止，實現(xiàn)回路電流起伏振蕩。
[0033]PWM驅動電路、驅動高頻逆變電路，二者有機的組合在一起完成對高頻逆變電路的驅動，驅動芯片采用的是美國IR公司生產(chǎn)的大功率MOSFET專用驅動集成電路IR2110芯片，它具有自舉懸浮驅動電源可同時輸出兩路驅動信號驅動同一橋臂上的上、下兩個開關管。具體一片IR2110芯片自舉懸浮驅動過程如下:全橋逆變電路驅動電路如圖5所示，包括第一自舉電容C11、第二自舉電容C12、自舉二極管E，第一濾波電容C21、第二濾波電容C22、第一 MOSFET管Ml、第二 MOSFET管M2、第一電阻Rl和第二電阻R2。假設第一 MOSFET管Ml在關斷期間第一濾波電容C21和第二濾波電容C22已經(jīng)充到足夠的電壓為VC1。當HIN為高電平時，IR2110芯片內(nèi)部集成在同一橋臂上的開關管VMl開通，VM2關斷，VCl通過VMl的柵極和源極，第二電阻R2形成回路放電，這時第一濾波電容C21和第二濾波電容C22相當于一個電壓源使第一MOSFET管Ml導通，同時LIN為低電平，IR2110芯片內(nèi)部集成在同一橋臂上的開關管VM4開通，VM3關斷，這時聚集在第二 MOSFET管M2柵極和源極的電荷通過第二電阻R2，VM4迅速對地放電，由于死區(qū)時間影響使第二 MOSFET管M2在第一 MOSFET管Ml開通之前迅速關斷；當HIN為低電平時，VMl關斷，VM2開通，這時聚集在第一 MOSFET管Ml柵極和源極的電荷通過第一電阻Rl迅速放電。經(jīng)過短暫的死區(qū)時間LIN為高電平，VM4關斷，VM3導通，使VCC經(jīng)過第一電阻R1，第二 MOSFET管M2的柵極和源極形成回路，使第二MOSFET管M2開通，與此同時，VCC經(jīng)過自舉二極管E，第一自舉電容Cl 1、第二自舉電容C12和第二 MOSFET管M2形成回路，對第一自舉電容Cl 1、第二自舉電容C12進行充電，如此循環(huán)反復下去。
[0034]電流采樣電路采用高頻電流互感器，電流互感器的磁芯需具備較好的高頻性能，電路如圖2所示。
[0035]電壓采樣電路采用高頻電壓互感器，電壓互感器的磁芯需要采用高頻性能好，同時不容易飽和且剩磁小的磁性材料制成，電路如圖3所示。
[0036]通過高頻電壓互感器采集的初級繞組回路的電壓信號輸出為正弦波信號，而通過高頻電流互感器采集的初級繞組回路的電流信號輸出為正弦交流信號，需要經(jīng)過整形電路變換成方波信號，因此通過放大整形電路分別對電壓采樣輸出信號和電流采樣輸出信號進行處理，作為的輸入信號。放大整形電路采用遲滯比較器，電路如圖4所示。
[0037]相位差檢測電路由D觸發(fā)器實現(xiàn)，具體的電路如圖4所示。經(jīng)過整形后的電壓、電流方波信號分別輸入D觸發(fā)器的時鐘信號端和輸入端，根據(jù)D觸發(fā)器的輸出端信號可以判斷電壓信號與電流信號之間的相位關系。
[0038]如圖6所示，應用于無線能量傳輸系統(tǒng)的頻率跟蹤裝置的頻率跟蹤方法為:在頻率跟蹤式無線能量傳輸系統(tǒng)中，單片機一方面控制AD9850產(chǎn)生一定頻率的PWM信號用以驅動逆變橋；另一方面要對采集的電壓電流相位差信號進行判斷處理，保證系統(tǒng)的工作頻率跟蹤初級繞組回路的固有諧振頻率的變化，將頻率跟蹤的結果反映成頻率數(shù)據(jù)傳入AD9850中，使得系統(tǒng)在新的頻率下工作。相位檢測電路輸出的控制量在失諧或者諧振狀態(tài)時是保持不變的，兩種狀態(tài)下轉換時其控制量才發(fā)生變化，比如當電壓相位超前電流時控制量為“O”，此時系統(tǒng)工作頻率需要降低才能恢復諧振，單片機里的程序以一定的步長不斷的去減小系統(tǒng)工作頻率，并每次及時更新AD9850的頻率控制字產(chǎn)生新的工作頻率來驅動逆變電路，同時相位檢測電路對每次新的工作頻率下發(fā)射回路中的電壓電流相位進行相位檢測，輸出新的控制量送入單片機I/O 口，如此不斷循環(huán)檢測判斷，直到電壓與電流相位相同或接近相同時，控制量變?yōu)椤?I ”，工作頻率不再減小，系統(tǒng)恢復諧振。當電壓相位滯后電流相位時，依次類推。二種狀態(tài)下的頻率跟蹤的控制過程是互相牽制影響的，共同維持系統(tǒng)處于諧振的狀態(tài)。
[0039]上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1.一種無線能量傳輸系統(tǒng)的頻率跟蹤裝置，其特征在于，包括:全橋逆變電路驅動電路、DDS芯片、單片機、相位差檢測電路、初級繞組回路、電壓采樣電路、電流采樣電路和放大整形電路，所述全橋逆變電路驅動電路包括聞頻逆變電路和PWM驅動電路； 所述初級繞組回路、高頻逆變電路、PWM驅動電路、DDS芯片、單片機和相位差檢測電路依次連接，所述電壓采樣電路的輸入端和電流采樣電路的輸入端均與初級繞組回路相連接，所述電壓采樣電路的輸出端和電流采樣電路的輸出端均通過放大整形電路與相位差檢測電路相連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的無線能量傳輸系統(tǒng)的頻率跟蹤裝置，其特征在于，驅動所述PWM驅動電路和驅動高頻逆變電路均采用驅動集成電路IR2110芯片；所述驅動集成電路IR2110芯片包括:第一自舉電容(C11)、第二自舉電容(C12)、自舉二極管(E)，第一濾波電容(C21)、第二濾波電容(C22)、第一 MOSFET 管(Ml)、第二 MOSFET 管(M2)、第一電阻(Rl)和第二電阻(R2)。
3.根據(jù)權利要求1所述的無線能量傳輸系統(tǒng)的頻率跟蹤裝置，其特征在于，在步驟I中，所述DDS芯片的型號為AD9850。
【文檔編號】H02J17/00GK204131237SQ201420569752
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年9月29日 優(yōu)先權日:2014年9月29日
【發(fā)明者】黃平, 郝海青, 孫中華, 劉修泉, 劉暢 申請人:華南理工大學