多调制波复合SPWM控制的电能与信号并行无线传输系统
技术领域
本发明提出多调制波复合SPWM控制的电能与信号并行无线传输系统，属于无线电能传输技术领域。
背景技术
随着智能电子产品的日益广泛应用，无线功率传输技术越来越受到人们的重视。在许多情况下，系统在电能传输的基础上，仍需要同时提供额外的无线通信能力，如水下无线勘探，人体内置设备等。无线电能信号同步并行传输日渐成为适应未来发展需求的重要课题。
无线电能传输技术(Wireless Power Transfer，简称WPT)最早诞生于十九世纪的美国。它是一种借助空间无形软介质(如磁场、电场、激光、微波等)，实现电能由源设备传递至受电设备的全新电能接入模式。该技术实现供、受电设备之间电气隔离，因此从根本上杜绝了传统有线供电模式带来的器件磨损、接触不良、接触火花等问题，是一种洁净、安全、灵活的新型供电模式，被美国《技术评论》杂志评为未来十大科研方向之一。而其中感应式磁耦合电能传输(Inductively Coupled Power Transfer，ICPT)技术在耦合的电感线圈产生交变磁场，利用交变的磁场实现电能的非接触传输，ICPT技术具有灵活、高效、安全且更易实现的优势，已经在智能家居，石油钻井，电动汽车等领域得到大力推广和应用。
纵观现有无线电能电能信号同步传输的技术，利用双线圈双通道传输技术，共享通道传输技术，分时复用传输技术，射频技术以及添加耦合变压器等传输方式。然而双线圈双通道传输技术存在信号与电能传输线圈交叉耦合的问题；分时复用传输技术不能实现信号与电能的连续传输；射频技术虽然有很好的传输效果，但因其体积过大，降低了系统的灵活性。添加耦合变压器利用逆变电路过零点加入信号载波，在电能端复原出载波信号，但在加入载波的时刻会有很大的尖峰电压干扰。现有的单线圈共享通道传输技术又普遍存在传输速率较慢的问题。寻找一种高效，灵活，又能保证信号高速率传输的方法已然成为当前研究的热点问题。
发明内容
发明目的：本发明提出多调制波复合SPWM控制的电能与信号并行无线传输系统，能够高效、灵活地完成电能与多路信号从原边到副边的传输任务，并且实现了电能与多路信号的无交叉耦合干扰、高质量以及稳定的并行同步传输。
发明内容：为实现上述目的，本发明提出一种多调制波复合SPWM控制的电能与信号并行无线传输系统，该系统包括：包括电源、原边发射电路和副边接收电路；
原边发射电路为零补偿电路，包括整流滤波电路、高频逆变电路、原边线圈、多调制波复合SPWM控制电路和编码器；其中，编码器将待发送的高速串行比特编码为n路二进制序列；多调制波复合SPWM控制电路先将n路二进制序列调制为频率为f1至fn的n路信号调制波，再生成频率为f0的电能调制波，最后采用SPWM调制方法将n路信号调制波和电能调制波调制到载波上，生成SPWM控制信号，以控制高频逆变电路输出包含电能调制波频率与n路信号调制波频率的复合脉冲波；所述复合脉冲波通过原边线圈生成复合高频电流；
副边接收电路包括副边线圈、信号分离通道网络、信号解调电路网络、译码器、副边电能补偿电容、负载；其中，副边线圈通过与原边线圈耦合生成感应电流；副边电能补偿电容与副边线圈组成电能传输通道，从感应电流中分离出电能调制波频率分量，用于为负载供电；信号分离通道网络从感应电流中分离出各个信号调制波频率分量并送入信号解调电路网络，信号解调电路网络对各个信号调制波频率分量分别进行解调；译码器对解调产生的n路二进制序列进行译码，得到所述高速串行比特。
所述多调制波复合SPWM控制电路包含1路电能调制波和n路频率不同的信号调制波以及1路载波信号，其复合调制波函数fr(t)为：
fr(t)＝a0sin 2πf0t+a1sin2πf1t+...+an sin2πfnt
f0为电能传输通道调制波频率，a0为电能传输通道调制波幅值；f1...fn分别为n路信号传输通道调制波频率，a1...an为n路信号传输通道调制波幅值。
以下还提出若干可选实施方式，这些实施方式可任意组合。
在一种可能的实现方式中，所述多调制波复合SPWM控制电路采用FDM传输技术，将用于传输的总带宽划分成n+1个子频带，以分别传输复合脉冲波中不同频率的n+1路已调信号。
在一种可能的实现方式中，n路信号传输通道调制波幅值由高速串行比特经编码器转换输出的n路并行二进制序列给定。所述多调制波复合SPWM控制电路采用2ASK幅值调制将n路二进制序列调制到n个子频带；n路并行二进制序列基带信号采用2ASK幅值调制策略。每一子信道2ASK调制信号频谱带宽为两倍的基带信号带宽，中心频率为对应的信号调制波频率，信号调制波频率需大于并行二进制序列带宽才可以保证调制信号的完整性。为保证n路子频带不发生混叠需在各子频带间设置隔离带，设信号调制波频率随信号通道编号成递增排列，相邻信号调制波频率差应大于2倍的并行二进制序列带宽与隔离带带宽之和，以防止多路子频带频谱混叠。
在一种可能的实现方式中，电能传输通道与信号分离通道网络中参数关系为：
根据串扰分析，应至少保证每路信号分离通道品质因数大于300。
在一种可能的实现方式中，所述高频逆变电路为由4个开关管构成的全桥式逆变电路。所述多调制波复合SPWM控制电路采用SPWM调制方法调制n路信号调制波和电能调制波，具体为：
多调制波复合SPWM控制电路将频率为f0的电能调制波与频率为f1至fn的n路信号调幅调制波进行求和叠加，再与载波进行大小比较，求出的差通过布尔代数生成全桥式逆变电路前臂的门极触发脉冲，将全桥式逆变电路前臂的门极触发脉冲取反，生成全桥式逆变电路后臂的门极触发脉冲，使高频逆变电路输出包含电能调制波频率与n路信号调制波频率的复合脉冲波。
在一种可能的实现方式中，所述信号分离通道网络包括n个信号分离通道，各信号分离通道均由LRC串联谐振滤波电路实现，所述n个信号分离通道的谐振频率分别为f1至fn。
在一种可能的实现方式中，所述信号解调电路网络包括n路信号解调电路，每路信号解调电路包括依次连接的带通滤波器、乘法器、低通滤波器和判决器。信号的解调过程如下：
(1)信号分离通道网络包括n路并联的RLC串联谐振滤波电路。其固有谐振频率设定为对应通道的信号调制波频率f1，f2...fn。利用RLC串联谐振的滤波特性筛选出每路对应的信号调制波频率，完成信号的分离。电容C1，C2...Cn可对每路信号传输进行补偿。
(2)“0”码元与“1”码元转换瞬间，根据电路暂态微分方程可知转换瞬间的暂态过程持续时间tp与RLC串联二阶系统的参数选取有关。因此，选取适当的RLC参数使RLC串联二阶系统工作在欠阻尼状态并使“0”码元与“1”码元转换瞬间的暂态过程持续时间tp小于二进制并行序列发送周期Ts，为后续判决采样做基础。
(3)信号解调电路采用非相干解调，即将电感L1，L2...Ln上的采集电压U1，U2...Un通过带通滤波器，将采集电压中的非本通道对应的频率信号滤除，保证信号解耦不受其他频率信号干扰，再通过乘法器将采集电压取正，突出码元“0”，“1”的信号特征，利用低通滤波器取波形包络线，进入判决器进行判决输出n路并行二进制序列。由于“0”码元与“1”码元转换瞬间的暂态过程持续时间tp小于二进制并行序列发送周期Ts，不会影响到译码器采样的准确性。
在一种可能的实现方式中，为了抑制电能调制波对信号调制波、信号调制波对电能调制波、信号调制波对其他信号调制波的串扰，所述每个信号分离通道的品质因数Q都满足：Q＞300。
有益效果：与现有相比，本发明具有以下优势：
本发明完成了电能与多路信号的同步传输的基本任务，大大提高了系统单位时间内传输的数据量，避免了信号与电能回路间的交叉耦合，简化了系统的结构，提升了系统的效率与应用的灵活性。
附图说明
图1为实施例1中一种多调制波复合SPWM控制的电能与信号并行无线传输系统原理拓扑图；
图2为第k路信号解调电路结构图；
图3为实施例1中参数设计功率效率曲线；
图4为实施例1中并行二进制序列发送周期Ts＞tp时，二进制序列还原的情况；
图5为实施例1中并行二进制序列发送周期Ts＝tp时，二进制序列还原的情况；
图6为实施例1中并行二进制序列发送周期Ts＜tp时，二进制序列还原的情况；
图7为实施例1中发送端与接收端信号传输对比示意图。
具体实施方式
在本申请以下各实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
需要注意的是，本申请实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本申请实施例的限定。此外，在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件连接在另一个元件“上”或者“下”时，其不仅能够直接连接在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接连接在另一个元件“上”或者“下”。
本发明旨在提出一种多调制波复合SPWM控制的电能与信号并行无线传输系统，能够高效、灵活地完成电能与多路信号从原边到副边的传输任务，并且实现了电能与多路信号的无交叉耦合干扰、高质量以及稳定的并行同步传输。
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行进一步说明。
实施例1：
为了更好的描述一种多调制波复合SPWM控制的电能与信号并行无线传输系统及其控制方法，选取三路信号传输通道，以并行传输电能与速率为50kbit/s(传输周期Ts＝20us)的串行二进制比特作为实例分析，考虑到权力要求说明书3中的参数设计条件，选择电能调制波频率f0＝200kHz，信号通道1对应调制波特征频率f1＝600kHz，信号通道2对应调制波特征频率f2＝1000kHz，信号通道3对应调制波特征频率f3＝1400kHz。
步骤一：设计系统结构：
一种多调制波复合SPWM控制的电能与信号并行无线传输系统包括交流电源、整流滤波电路、高频逆变电路、编码器、多调制波复合SPWM控制电路、磁耦合线圈、信号分离通道网络、信号解调电路网络、译码器、副边电能补偿电容CS、负载电阻RL十一个部分，如图1所示。
其中，副边线圈LS、副边电能补偿电容CS、负载电阻RL组成副边电能传输通道；R1，L1，C1及信号解调电路1组成副边信号传输通道1；R2，L2，C2及信号解调电路2组成副边信号传输通道2，R3，L3，C3及信号解调电路3组成副边信号传输通道3。
高频逆变电路包括四只全控型器件IGBT，受多调制波复合SPWM控制电路控制其门级通断。
多调制波复合SPWM控制电路将频率为f0的电能调制波与频率为f1...fn的n路信号调幅调制波进行求和叠加，再与三角载波fc进行大小比较，求出的差通过布尔代数生成两路IGBT门极触发脉冲，取反后生成另外两路IGBT门极触发脉冲，使高频逆变电路输出包含电能调制波频率与n路信号调制波频率复合的脉冲波。
磁耦合传输线圈为一组磁耦合电感线圈，包含原边线圈Lp和副边线圈LS。
副边电能传输通道由负载电阻RL、副边线圈Ls、电能补偿电容Cs构成。副边线圈Ls、电能补偿电容Cs关于电能调制波频率f0谐振.
信号分离传输通道网络包括三路并联的RLC串联谐振滤波电路。其谐振频率设定为对应通道的信号频率f1，f2，f3。利用RLC串联谐振的滤波特性筛选出每路对应的信号特征频率，完成信号的分离。电容C1，C2，C3可对每路信号传输进行补偿。为避免信号传输对电能传输，电能传输对信号传输，信号传输对信号传输的串扰，各信号分离传输通道品质因数Q需大于300。对信号传输通道中的检测电感上Li，L2，L3的电压U1，U2，U3进行采集，作为信号解调电路网络输入进行信号解调。
信号解调电路网络采样用非相干解调，如图2所示，将检测电感L1，L2，L3上的采集电压通过带通滤波器，将采集电压中的非特征频率信号滤除，再通过乘法器将采集电压中负轴数值取正，突出数字“0”，“1”的码元特征，而后利用低通滤波器取波形的包络线，最终进行判决器，完成“0”，“1”码元的解耦还原。
信号分离传输通道网络与信号解调电路网络共同构成信号副边传输通道。
编码器在高速串行比特开始部分添加长度为n比特的特殊码组，作为传输开始的标志位并进行串并转换形成三路并行二进制序列，传输到副边后译码器进行采样与并串转换复接高速串行比特。二者可由单片机编程实现。
步骤二：基于系统电路，求解系统电能输出功率表达式Pout，并确定磁耦合线圈最佳互感值M：
(1)电能调制波作用下，根据附图1，有：
其中，ω0定义为电能调制波特征角频率，
(2)电能调制波频率作用下原边线圈电流
其中，
(3)基于
(4)系统效率η可表示为：
当系统满足条件：
效率η可简化表示为：
依据电能调制波频率作用下负载输出功率与效率表达式选取最佳互感值M。参数设计功率效率曲线如图3所示，磁耦合线圈最佳互感值M为47uH。
步骤三：系统暂态过程持续时间参数计算：
根据系统特性，每条信号分离通道所接收信号变化瞬间，检测电感上Ln所检测到的电压为零状态响应，响应时间决定了信号传输的延时。Ln和Cn在对应固有频率处谐振，二者大小一致、方向互为相反，利用Cn来代替uLn表示其微分方程。有：
其中，ucn为信号通道中电容Cn两端的电压；usk(t)为信号传输回路两端电压，对上述微分方程进行拉普拉斯变换，得到其传递函数为
二阶系统传递函数一般形式为：
当0＜ζ＜1时，系统工作在欠阻尼状态。定义阻尼振荡角频率wd为
则系统暂态过程持续时间tp可表示为
对于本系统，有
设计参数Rn，Ln，Cn使其满足0＜ζ＜1，即
系统工作在欠阻尼状态，若设定包络线判决值为稳态值二分之一，要使tp＜Ts。结合(11)，(12)，(13)式，有暂态过程持续时间限制条件为：
系统参数选取应同时满足(14)，(15)两式。由图4至图6可以看出当并行二进制序列发送周期Ts＞tp时可以保证二进制序列还原的正确性，Ts＝tp为临界情况，Ts＜tp时会出现二进制序列还原错误的情况。
步骤四：电能与信号间的串扰分析：
一种多调制波复合SPWM控制的电能与信号并行无线传输系统由于电能与n路信号是通过同一磁路机构从原边传输到副边，电能对信号、信号对电能、信号对信号间将会产生串扰。
由前述分析，可得信号调制波特征角频率w1作用下本系统负载电阻RL两端电压
其中
γs1定义为：
其中
1.信号传输对电能传输的串扰分析：
由式(16)，(17)，(18)可以得出电能调制波角频率ω0作用下，负载电阻RL两端所得到的电压
定义
其中
为避免信号对电能的串扰，应满足
依据此公式对系统进行串扰分析；发现其串扰与信号分离通道品质因数Q与负载电阻RL均有关系。当负载为50欧姆时，每一通道品质因数Q＞300时可消除串扰。
2.电能对信号传输的串扰分析：
由式(16)，(17)，(18)可以得出编号为m的信号分离通道在电能调制波角频率w0作用下其检测电感上的电压
为避免电能对信号的串扰，应满足
定义信噪比SNR：
则上述电能对信号串扰条件可表示为：
SNR≥13.98dB(26)
满足这一条件则可以说明系统设计避免了电能对信号传输的串扰。经过推导发现其干扰主要与信号分离通道品质因数Q有关。当每一通道品质因数Q＞300时可消除串扰。
3.信号对信号传输的串扰分析：
由式(16)，(17)，(18)，可以得出编号为m的信号分离传输通道在信号调制波频率w1作用下其检测电感上的电压
定义
为避免信号特征角频率w2对信号特征角频率w1对应的编号为m的信号通道的串扰，应满足
定义信噪比SNR：
则上述串扰条件可表示为：
SNR≥13.98dB(31)
满足这一条件则说明系统设计避免了信号特征角频率w2对信号特征角频率w1对应的编号为m的信号通道的串扰。经过推导发现其串扰主要与编号为m的信号分离通道品质因数Q有关。当每一通道品质因数Q＞300时可消除串扰。
结合串扰与暂态过程持续时间问题，所对应的系统参数设计流程应为：
(1)根据串行比特的发射频率选取电能调制波，信号调制波的频率值；
(2)根据各信号，电能通道谐振滤波条件，欠阻尼状态满足条件及暂态过程持续时间限制条件预先设计一组电路元件参数初始值；
(3)根据负载功率效率曲线确定磁耦合传输线圈互感值M；
(4)利用系统设计的参数值判断是否存在信号对电能传输的串扰；若存在串扰则返回(2)中重新设计；
(5)利用系统设计的参数值判断是否存在电能对信号传输的串扰；若存在串扰则返回(2)中重新设计；
(6)利用系统设计的参数值判断是否存在信号对信号传输的串扰；若存在串扰则返回(2)中重新设计；
(7)返回(3)中校验互感值M是否能获得最佳的功率效率，若不能则返回(2)中重新设计。
依据上述流程进行系统参数设计，基于matlab/simulink仿真平台对系统参数进行设计：
表1系统结构参数
图7为实施例1中发送端与接收端信号传输对比示意图。传输速率为50kbit/s，周期Ts＝20us，在0.004s内共传输200位串行比特。由于初始标志位占3Ts，3路信号每路统一采样延时Ts，因此传输延时共计6Ts。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
