華 超 周 巖 胡 震 朱建鑫

基于移相調(diào)制的無(wú)線供電與信息協(xié)同傳輸技術(shù)

華 超 周 巖 胡 震 朱建鑫

（南京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院、人工智能學(xué)院 南京 210023）

該文提出一種基于移相調(diào)制的無(wú)線供電與信息協(xié)同傳輸技術(shù)。通過(guò)控制全橋逆變器的頻率和移相角，將工作狀態(tài)分為兩種：當(dāng)系統(tǒng)僅需要無(wú)線供電時(shí)，移相全橋逆變器的工作頻率等于系統(tǒng)一次和二次線圈諧振頻率p，實(shí)現(xiàn)無(wú)線電能的高效率傳輸；當(dāng)系統(tǒng)需要同時(shí)進(jìn)行無(wú)線供電與信號(hào)傳輸時(shí)，移相全橋逆變器控制頻率采用p/3作為低頻通信頻率，通過(guò)調(diào)制移相角實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸，利用其3次諧波頻率p進(jìn)行高效率無(wú)線電能傳輸。理論上，通信時(shí)所選擇的工作相位點(diǎn)僅影響基波頻率點(diǎn)幅值分量以實(shí)現(xiàn)解碼，而對(duì)實(shí)現(xiàn)無(wú)線供電諧波頻率點(diǎn)幅值沒(méi)有影響。該技術(shù)采用二次側(cè)雙諧振回路構(gòu)造能量接收電路和信號(hào)解調(diào)電路，可在同一套硬件裝置上實(shí)現(xiàn)信道復(fù)用，實(shí)現(xiàn)低頻通信信號(hào)的傳輸和無(wú)線電能的高效率傳輸，在海洋等對(duì)通信頻率敏感的介質(zhì)條件下具有明顯優(yōu)勢(shì)。

無(wú)線供電與信息協(xié)同傳輸 移相控制 頻率控制 全橋逆變器

0 引言

為了解決無(wú)線設(shè)備的供電與通信問(wèn)題，近年來(lái)無(wú)線電能與信號(hào)同步傳輸技術(shù)發(fā)展迅速[1-2]，其非接觸式的供電方式以及同步通信功能大大增強(qiáng)了用電設(shè)備的續(xù)航和信息傳輸能力，在生物醫(yī)學(xué)、海洋等特殊場(chǎng)合有著廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。

基于磁耦合諧振式無(wú)線電能與信息同步傳輸是當(dāng)下無(wú)線供電技術(shù)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一[3-4]，根據(jù)無(wú)線供電和無(wú)線通信信道的共享方式可分為兩大類(lèi)：信道分離式[5-7]和信道復(fù)用式[8-10]。信道分離式方案需要在一次、二次線圈分別構(gòu)造無(wú)線供電線圈和通信線圈，文獻(xiàn)[5]中提出一種特殊的十字形磁耦合機(jī)構(gòu)來(lái)完成電能與信息的同步傳輸，但顯著增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。文獻(xiàn)[7-8]中提出一種基于三線圈結(jié)構(gòu)的近場(chǎng)耦合無(wú)線攜能通信的改進(jìn)方案，通過(guò)在二次側(cè)接收線圈附近布置一個(gè)信號(hào)接收線圈實(shí)現(xiàn)能量傳輸通道與信息傳輸通道的分離。但其利用一次側(cè)諧波作為通信信源，不利于系統(tǒng)電磁干擾（Electro- magnetic Interference, EMI）性能的提升。

信道復(fù)用式的無(wú)線電能與信息協(xié)同傳輸技術(shù)是在一個(gè)共享通道中實(shí)現(xiàn)電能與信息的傳輸，作為傳輸介質(zhì)的電磁場(chǎng)本質(zhì)上既可以作為能量載體也可以作為信息載體[11-13]，所以其核心難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)無(wú)線電能與信號(hào)之間的解耦或弱耦合傳輸。文獻(xiàn)[12-13]將一次、二次線圈同時(shí)作為電能傳輸通道與信息傳輸通道，文獻(xiàn)[12]中直接用電能傳輸波形作為通信載波，將信號(hào)直接調(diào)制加載于電能波形上，該方案電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但數(shù)據(jù)傳輸速率對(duì)電能傳輸效率影響較大；文獻(xiàn)[13]中提出一種基于信源重構(gòu)的單通道式無(wú)線電能與信息協(xié)調(diào)傳輸技術(shù)，通過(guò)在二次線圈中捕捉頻率信息進(jìn)行信源重構(gòu)實(shí)現(xiàn)電能傳輸通道與信息傳輸通道的復(fù)用?？傮w而言，采用復(fù)用信道的方式簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，避免了無(wú)線供電線圈與通信線圈之間的電磁干擾，且更具有優(yōu)勢(shì)。另外，在海洋環(huán)境等介質(zhì)電導(dǎo)率較高的場(chǎng)合，海水對(duì)高頻通信電信號(hào)具有較強(qiáng)的衰減特性[14]，還需要進(jìn)一步研究合理的無(wú)線供電與通信復(fù)用方案。

本文提出一種基于相位調(diào)制的無(wú)線供電與信息協(xié)同傳輸技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)降低移相全橋逆變器的控制頻率在一次線圈上產(chǎn)生用于通信的低頻載波[15]。通過(guò)對(duì)逆變器進(jìn)行相位控制改變系統(tǒng)電流中基波與諧波的含量，利用二次側(cè)的選頻網(wǎng)絡(luò)將基波與諧波分離[16]，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電能與信息傳輸。與其他同步傳輸方案相比，本文所提方法可在低頻通信的同時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)線供電的高效率傳輸，特別適用于在海洋等高電導(dǎo)率介質(zhì)場(chǎng)合應(yīng)用。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及其原理

1.1 電路方案

本文在二次側(cè)分別構(gòu)造無(wú)線供電和無(wú)線信息傳輸LC諧振回路如圖1所示，系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)如圖1a所示。通過(guò)相位控制對(duì)通信載波進(jìn)行幅值調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線電能與信息的同步傳輸。

圖1 基于相位控制的無(wú)線電能與信息同步傳輸系統(tǒng)

基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有相位調(diào)制電路、逆變電路、發(fā)射電路、接收電路以及包絡(luò)檢波解調(diào)回路等部分組成。in為直流電壓，主電路由移相全橋逆變器構(gòu)成，p為逆變器輸出電壓。發(fā)射電路由自感p、內(nèi)阻p的發(fā)射線圈和諧振電容p組成。接收電路包含了兩條不同的頻率選擇電路，實(shí)現(xiàn)基波與3次諧波的分離。其中自感為n、內(nèi)阻為n的接收線圈和諧振電容n組成電能接收通道；自感為s、內(nèi)阻為s的信號(hào)檢測(cè)線圈和諧振電容s組成信號(hào)接收通道。信號(hào)解調(diào)電路由針對(duì)幅值變化的包絡(luò)檢波電路和判決電路組成。圖1b為移相全橋逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和其輸出的電壓波形。其中Q2與Q1互補(bǔ)，Q3與Q4互補(bǔ)。

本文將逆變器的控制頻率分別設(shè)置為傳能頻率和通信頻率，且傳能頻率等于諧振線圈諧振頻率，通信頻率等于諧振線圈諧振頻率的1/3。

設(shè)r為移相全橋逆變器的工作頻率，r為角頻率，為了實(shí)現(xiàn)高效率的無(wú)線電能傳輸，發(fā)射線圈和接收線圈諧振頻率均為p，p為發(fā)射線圈和接收線圈諧振角頻率。信號(hào)接收通道的諧振頻率sp/3，s為信號(hào)接收通道諧振角頻率，具體關(guān)系為

當(dāng)逆變器工作頻率fr=fp時(shí)，系統(tǒng)處于全諧振狀態(tài)，系統(tǒng)進(jìn)行高效率的無(wú)線電能傳輸；當(dāng)逆變器工作頻率fr=fp/3時(shí)，通過(guò)相位控制調(diào)制基波分量進(jìn)行通信，同時(shí)利用一次側(cè)3次諧波進(jìn)行高效率的電能傳輸。電能與信息傳輸通道復(fù)用如圖2所示。

1.2 控制原理

為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，忽略死區(qū)對(duì)系統(tǒng)的影響，對(duì)逆變器的輸出電壓進(jìn)行傅里葉分解，得到

式中，pk為逆變器次諧波電壓幅值；為逆變器的移相角；為逆變器輸入直流電壓幅值。

圖3為系統(tǒng)等效電路，圖中，nk為a、b兩點(diǎn)之間的電壓，即信號(hào)檢測(cè)回路輸入電壓，根據(jù)等效電路對(duì)輸出電流次諧波分量進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)基爾霍夫定律，圖3中電流方程可以表示為

式中，pk和sk分別為主回路等效阻抗和信號(hào)檢測(cè)通道等效阻抗，即

可得一次側(cè)和二次側(cè)各支路電流表達(dá)式分別為

二次側(cè)回路的總阻抗表示為

(r)2/則可以表示電路二次側(cè)對(duì)一次側(cè)的反射阻抗，所以可以用圖4所示的映射阻抗等效電路來(lái)表征一次側(cè)和二次側(cè)的關(guān)系。

圖4 映射阻抗等效電路

Fig.4 Mapping impedance equivalent circuit

輸出電壓的次諧波分量的有效值為

則輸出電流的次諧波分量的有效值為

為了分析改變逆變器的控制頻率對(duì)一次側(cè)輸出電流的影響，令r分別等于150、50、30 kHz，移相角始終保持為0，進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 仿真參數(shù)

Tab.1 Simulation parameters

逆變器不同控制頻率下一次電流各頻率分量幅值如圖5所示。從圖5的仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)逆變器的控制頻率滿(mǎn)足式（9）時(shí)，一次電流諧振頻率電流幅值有所降低，3次和5次諧波所能傳遞的功率為原來(lái)的1/9和1/25。

可見(jiàn)采用該方法通過(guò)降低開(kāi)關(guān)頻率，可以用與諧振頻率相等的諧波分量進(jìn)行電能的傳輸，系統(tǒng)的傳輸功率受限，但對(duì)無(wú)線供電的工作效率沒(méi)有影響。降頻產(chǎn)生的基波分量可以用作通信載波進(jìn)行信息傳輸。

圖5 逆變器不同控制頻率下一次電流各頻率分量幅值

Fig.5 Amplitude of each frequency component of primary side current under different control frequency of inverter

1.3 相位調(diào)制策略

當(dāng)系統(tǒng)需要傳輸信息時(shí)，對(duì)通信載波進(jìn)行相位控制從而實(shí)現(xiàn)信息的傳遞。為了簡(jiǎn)化分析，本文主要討論通信頻率控制下的基波和3次諧波電流與移相角的關(guān)系。選取50 kHz作為系統(tǒng)通信時(shí)逆變器的控制頻率，定義為各階次諧波在一次電流中的含有率，其表達(dá)式為

根據(jù)式（10），圖6給出了不同相位下，基波和3次諧波在一次電流中的占有率?？梢钥闯?，隨著移相角變大，一次電流中基波含有率由小變大后再變??；3次諧波含有率由大變小后再變大。所以合理地選擇移相角，可以有效調(diào)整一次電流中的電流成分。

為了一般化表示通信頻率控制下各諧波分量與相位的關(guān)系，引入歸一化值G，表達(dá)式為

圖6 不同相位下各階次諧波一次電流含有率