雍麒麟，蔣林，李彥志，左佳銘

（ 1.西南石油大學，電氣信息學院，四川 成都 610500；2.川慶鉆探井下作業(yè)公司，四川 成都 610051 ）

0 引言

感應耦合無線電能傳輸技術(ICWPT)作為一種新型的非接觸電能傳輸技術[1]，具有高安全性與靈活性，在便攜式電子產品、電動汽車、人體內置電子設備、無人自動化工業(yè)場景、以及石油鉆井等特殊環(huán)境下有廣闊的應用前景。在無線電能傳輸系統中，信號的傳輸也極為重要，主要用于電路狀態(tài)信息反饋以及控制信號的傳遞等，感應耦合無線信號與電能同步傳輸現已成為國內外研究的熱點[2]。

目前，2ASK是基于共享通道的無線電能與信號同步傳輸系統中的信號調制方法之一，它是利用載波幅值變化來傳遞數字信號，其頻率與初始相位保持不變，即數字“0”和“1”分別對應不同幅值[3]。利用開關鍵控（OOK）的調制方法產生鍵控信號是2ASK最常見的實現方式，OOK方案結構簡單、低成本、可靠性高等優(yōu)點[4]。

文獻[5-7]通過增加信號調制電容的方式來實現2ASK調制，該方法人為地改變諧振補償工作狀態(tài)，對電能的傳輸存在干擾；文獻[8-9]通過控制逆變電路開關管的開通與關斷來調制信號，該方法逆變器只能在硬開關條件下工作，信號的傳輸速度也受到逆變電路工作頻率的限制。

本文提出一種使用待傳基帶信號控制整流器工作方式實現同步信號傳輸的2ASK-OOK信號調制，該方法可實現無線電能傳輸，同時實現對副邊電路狀態(tài)信息的采集與反向傳輸，它不會因為信號調制造成很大的能量損耗，且不會對電路元件帶來電流沖擊，為實現無線電能與信號同步傳輸提供了一種新思路。

1 ICWPT系統電能與信號反向傳輸機理

1.1 信號調制原理

幅移鍵控法（2ASK）利用數字信號控制信號載波幅值的大小，此時應保證信號載波的頻率與初始相位不變，其原理框圖如圖1所示。該拓撲結構的工作原理為在信號調制時，電能接收端通過信號調制模塊斷開整流濾波模塊與接收線圈的連接，暫停整流作用，以改變次級回路總阻抗，從而改變線圈上的電壓幅值。

圖1 的去耦等效電路如圖2所示，利用反射阻抗法分析工作原理，對發(fā)射端與接收端回路列寫KVL方程：

其中，Z1=R11+jX11、Z2=R22+jX22分別是發(fā)射端、接收端電路的自阻抗。

可得：

令Zr=(ωM)2/Z2，Zr為接收端對發(fā)射端的反射阻抗，用Zr表征接收端對發(fā)射端的感應電壓，可得系統等效電路如圖3所示。

由圖3可得出發(fā)射端電路的總阻抗：

其中，ω為ICWPT系統角頻率。如將接收端線圈L2當成與jωL2相關的電壓源V2，則接收端總阻抗為：

將Z2代入Zr，可得發(fā)射端總阻抗Z1：

發(fā)射線圈電流：

由此可見，發(fā)射端線圈電流大小受接收端阻抗影響，保持系統諧振網絡參數不變時，改變接收端阻抗可以使發(fā)射端線圈電流幅值受到影響。

通常，改變補償電容C2的值可以改變發(fā)射端線圈電流幅值，合理設計信號調制電容使接收端工作在諧振點附近，有較好的信號調制效果；第二種方法是在整流網絡與接收線圈之間增設開關裝置，通過暫時切斷整流的方式來改變總阻抗，但需要暫停整流，所以信號調制對電能傳輸性能有一定影響，且在信號調制期間，頻繁切換線圈與整流補償網絡間的電流斷開與導通狀態(tài)，在較大功率情況下，接收端電路易產生電流沖擊，部分功率轉換器件或因電流沖擊而損壞。為此，本文提出一種適用于較大功率ICWPT系統的OOK調制方法，如圖4所示。

控制器通過控制S3、S4這兩個MOSFET開關管，對整流電路進行開關操作，在極短的時間內切斷整流電路工作，使電能的發(fā)射端失去負載，發(fā)射線圈上的電壓幅值變，同時起緩沖作用的電容C4開始放電；當整流電路再次工作時，電容C4開始充電，同時發(fā)射線圈上的電壓幅值增大，利用該操作使發(fā)射線圈上的電壓幅值先減小再增大，即可完成信號的調制。在較大功率傳輸情況下，由于加入了緩沖電容C4，負載端沒有部件需要承受大電流沖擊，可避免因信號調制而燒壞負載，同時，在信號調制期間，功率不被損耗。

在沒有調制期間，連接S3、S4的控制器兩個引腳輸出低電位，S3、S4處于開路狀態(tài)，當電能接收線圈接收發(fā)射端傳來的電能后，在正半周期間，正電流經過諧振電容C3、二極管D1輸出至負載，同時產生高電位流向開關管S2的柵極使其導通，接地電流由S2的接地端導出后流向接收線圈，形成完整的回路；在電流的負半周期間，電流從線圈相反的方向，電路以同樣的方式運行形成完整的回路。

調制半波反饋信號期間，控制器的1、2引腳分別輸出高、低電位，使S3導通、S4開路，在電流的正半周期期間能構成完整回路，負半周期間不能構成完整回路，在這個整流周期內，接受線圈僅接收正常供電一半的電量。

調制全波反饋信號期間，控制器的1、2引腳設為高電位，S3、S4開關管均導通，從而使S1、S2的柵極保持低電位，在接收線圈接收到發(fā)射線圈傳送的電能后，正負半周期間電流由接收線圈進入均無法形成供電回路，此時的接收端處于無負載情況。由此可知，在調制全波反饋信號期間，線圈電壓幅值的變化十分明顯，信號調制效果較好。

另外，開關損耗方面，每個整流周期，電流只需通過D1、D2兩個二極管順向壓差的損耗，以及兩個S1、S2兩個N溝道MOSFET極低的導通電阻損耗，相比傳統由四個二極管構成的整流電路降低了約一半的整流能量損耗。

1.2 信號特征提取與解調

信號解調的全過程如圖5所示。電壓包絡信號首先經過電壓跟隨器和同相比例放大器，送入包絡檢波器，再經過電壓比較器最后解調出基帶信號，從而達到信號傳輸的目的。

包絡檢波是指將傳輸的基帶信號從載波包絡中提取出來的過程，一般利用二極管檢波電路從調幅波中取出包絡線，從而達到解調的目的。檢波電路如圖6所示，利用二極管的單向導電性以及RC電路充放電而工作。包絡檢波器的二極管在選型時應充分考慮其是否能夠承受所要進行檢波的載波頻率。

2 實驗分析

搭建了基于ICWPT系統的信號與電能同步傳輸實驗平臺。由STM32產生控制信號，對可控整流電路進行信號控制，在示波器（GDS-2304A）顯示電能波形與信號波形。所用穩(wěn)壓芯片為LM317MDT-TR，逆變芯片為EG8010，電壓比較芯片為LM393DR。

實驗所用線圈為選用機械繞制的利茲線線圈，加以隔磁板固定線圈，線圈外徑d=0．206m，匝數為21匝，線圈L1和L2感量為322．5μH。發(fā)射端補償電容C1選取0．344μF，接收端補償電容C2選取0．747μF。

實驗中，逆變器工作頻率85kHz時，輸入直流電壓U1為24V，負載兩端輸出電壓U2為29．69V，電能傳輸效率為83．1%。

圖7為信號調制階段實測得到的波形圖，基帶信號由“0”變?yōu)椤?”時，接收端停止整流，從而使接收端總阻抗變小。通道3為發(fā)射線圈電壓波形，信號傳輸時，經反射阻抗變化后，發(fā)射線圈電壓變化范圍在13V～16V之間，數據“1”和“0”直接表現為電壓包絡的深淺變化。

圖8 為解調信號波形、檢波輸出信號以及線圈電壓波形，通道2為檢波器輸出信號，反映了信號的特征。由圖8中通道1的解調信號和通道3的發(fā)射線圈電壓波形可以看出，信號能準確地從線圈具有包絡特征的電壓幅值上解調出來。

圖9 為待傳基帶信號與解調信號。由圖9可見包絡檢波器輸出經比較器還原出的解調波形與電能接收端基帶信號能夠一一對應，表明該信號傳輸方案有較好的準確性。

由實驗結果可知，該方案在調制和解調過程達到了信號通信要求。

3 結語

針對感應耦合無線電能傳輸（ICWPT）信號反向傳輸問題，提出了一種通過控制整流網絡工作狀態(tài)來實現2ASK信號調制的信號傳輸方法，通過切入切出整流作用，在電能發(fā)射端形成含有數據特征的電流包絡，檢測電流包絡狀特征并進行信號復原。搭建了實驗平臺，驗證了本方案的可行性，為ICWPT系統中信號反向傳輸提供了全新的思路。