一种用于LCC无线电能传输系统的分数阶调相通信系统的制作方法

一种用于lcc无线电能传输系统的分数阶调相通信系统
技术领域
1.本发明涉及电力电子和通信工程领域，尤其涉及一种用于lcc无线电能传输系统的分数阶调相通信系统。


背景技术：

2.无线电能传输系统为了满足控制的需要，通常都需要接收端和发射端进行通信，来传递控制策略所需的运作状态和控制目标值等参数。而这类无线电能传输系统通常的做法如下：
3.(1)无线电能传输系统通过额外的通信模块来完成无线通信(例如wifi 通信和蓝牙等无线通信协议)；
4.(2)通过双通道来平行传输信号，一个通道传输基波来传递电能，另一个通道传输谐波以传递信息；
5.(3)有一些特别的无线电能传输系统的控制策略甚至不需要使用无线通信，仅通过线圈反馈回来的电流变化来进行控制。
6.但上述几种方式分别存在一些难以克服的困难,分别如下。
7.(1)通过额外的通信模块来完成无线通信的方式有以下的缺点：并不适合恶劣环境下工作，不利于无线电能传输系统应用于无人化工厂等场景中；延迟更长，不适合满足更精细的控制策略。
8.(2)通过双通道来平行传输信号有以下的缺点：会有严重的电磁干扰问题，需要更加苛刻的emc设计；多增加一个通道会大大增加成本；影响系统的功率输出。
9.(3)不需要使用无线通信的控制策略又有以下的缺点：不能应用更多功能的控制策略；系统稳定性差，难以控制。
10.根据傅里叶变化原理可以得知，无线电能传输系统的逆变器输出的方波中会含有基波和大量的谐波分量：
[0011][0012]
一般情况下，在无线电能传输系统中，基波分量会用于传递能量，而谐波分量会被谐振网络滤除。
[0013]
根据上述原理，lcc无线电能传输系统所输出的方波中也会含有大量而且丰富的谐波，而这些谐波和基波一样都是一种正弦分量，其实谐波本身也是一种可以利用的能源。有鉴于电力系统中的谐波提取和利用的思想，本发明提出一种电能与信号同步传输技术的机理和方式。


技术实现要素：

[0014]
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、适应性强、可扩展性好、精度高、成本低、稳定性强的用于lcc无线电能传输系统的分数阶调相通信
系统。
[0015]
本发明所述一种用于lcc无线电能传输系统的分数阶调相通信系统所采用的技术方案是：本发明包括
[0016]
用于通过移相全桥的方式把直流电压变化为三电平状态的交流电压的全桥逆变器；
[0017]
用于改善所述全桥逆变器输出的方波的性能，调节所述全桥逆变器输出基波和剩余分量的比例，控制所述全桥逆变器的输出增益和控制无功功率与有功功率的比例，并发射无线电能的lcc谐振网络发射端；
[0018]
用于改善所述lcc谐振网络发射端发送来的方波的性能，调节所述lcc 谐振网络发射端发送来的基波和剩余分量的比例，控制所述lcc谐振网络发射端的输出增益和控制无功功率与有功功率的比例，并接收无线电能的lcc 谐振网络接收端；
[0019]
用于拾取所述lcc谐振网络接收端接收到的无线电能中的奇次谐波信号，并预先分拣出来的信号拾取电路；
[0020]
用于通过分数阶移相的方式来对输入信号进行单边带调制，把需要携带的信息合成并记录到pwm驱动信号中，并将pwm驱动信号输入到所述全桥逆变器中，并由全桥逆变器产生带有这些信息的交流电压的分数阶移相调制模块；
[0021]
用于基于相干解调的方式，把所述信号拾取电路输出的复数通道的不同频的奇次谐波信号分别地解调出来的解调模块；以及
[0022]
用于把接收到的交流电压转换为直流电压并输出的被动整流和输出端。
[0023]
进一步地，所述分数阶移相调制模块的分数阶pi
γ
运算通过 grunwald-letnikov定义来实现，grunwald-letnikov分数阶微积分的定义为：
[0024][0025]
其中，式1中的γ为分数阶的阶数，h表示步长，j表示计数元素的项数，t表示时间，t0表示相移时间，是runwald-letnikov分数阶微积分的符号。
[0026]
进一步地，所述分数阶pi
γ
的具体运算步骤为：
[0027]
在选择步长h足够小时，近似忽略式1中的极限操作，此时， grunwald-letnikov定义下的分数阶导数与积分由下面的式2直接计算：
[0028][0029]
式2中，ωj为二项式的系数，h表示步长，j表示计数元素的项数，t表示时间，t0表示相移时间，是runwald-letnikov分数阶微积分的符号，有以下的递推关系：
[0030][0031]
在对单一正弦分量进行计算时，产生一个移相，该移相用于进行移相调制，该移相的相位由分数阶的阶数γ来控制，根据所述全桥逆变器的平均电压与相角关系，实现分数阶
移相。
[0032]
再进一步地，对复数个奇次谐波成分进行频分复用的具体过程如下：
[0033]
(1)在指定好相位角度的数值之后，对3次谐波的调制，计算出相应的分数阶运算的参数，定义为i1，此时会对应一个分数阶运算的阶数γ1来实现 3次谐波的指定相位移动；
[0034]
(2)需要对5次谐波进行相同大小的相位角度的移相调制，可以计算出相应的分数阶运算的参数，定义为i2，此时会对应一个分数阶运算的阶数γ2来实现5次谐波的指定相位移动；
[0035]
(3)需要对7次谐波进行相同大小的相位角度的移相调制，可以计算出相应的分数阶运算的参数，定义为i3，此时会对应一个分数阶运算的阶数γ3来实现7次谐波的指定相位移动；
[0036]
如此类推，可以对其他奇次谐波进行移相调制，其中，相位根据相频特性曲线来进行选取。
[0037]
再又进一步地，接收端提供一个同频同相的相干载波，与接收的已调信号相乘后，经低通滤波器取出低频分量即可得到原始的基带调制信号。
[0038]
本发明的有益效果是：本发明中，电能和信号是通过同一个磁路机构，从发射端传输到接收端的，减少了系统中的电磁干扰；充分利用了谐波的高频低能的特点，实现了高速率的信号传输；电能传输和信息传递是同时进行，有更小的信号延迟；对复数个奇次谐波成分进行频分复用，这种分频复用的方法可以保证各子信道中所传输的信号互不干扰，有效减少多径及频率选择性信道造成接收端误码率上升的影响，有效地提升频谱效率；电能和信号之间的影响比较小，可以在不影响到无线电能传输性能的情况下实现信号的调制和解调过程；可以协助无线电能传输系统实现更为复杂多变的控制策略。
附图说明
[0039]
图1是本发明系统的简易结构框图(图1中，全桥逆变器由四个大功率的mosfet构成，分数阶调制模块可以用asic来实现这种数字调制过程，或者用dsp或者fpga的可编程器件，在本发明中采用dsp，型号是 tms320f28335，pwm输出模块采用tms320f28335内部集成的外设epwm来实现，载波相乘模块和相干解调模块采用dsp或者fpga的可编程器件实现)；
[0040]
图2是全桥逆变器平均电压与相角关系图；
[0041]
图3是对正弦信号进行常数的分数阶计算结果示意图(阶数0、1/4、1/2、 3/4、1、5/4)；
[0042]
图4是本发明传递不同信号时候的主要波形图；
[0043]
图5是对复数奇次谐波进行频分复用的示意图；
[0044]
图6是基本滤波器的参考matlab模型图；
[0045]
图7是多相滤波器的参考matlab模型图。
具体实施方式
[0046]
本发明的实施例具体如下。
[0047]
如图1至图7所示，本发明包括
[0048]
用于通过移相全桥的方式把直流电压变化为三电平状态的交流电压的全桥逆变
器1；
[0049]
用于改善所述全桥逆变器1输出的方波的性能，调节所述全桥逆变器1 输出基波和剩余分量的比例，控制所述全桥逆变器1的输出增益和控制无功功率与有功功率的比例，并发射无线电能的lcc谐振网络发射端2；
[0050]
用于改善所述lcc谐振网络发射端2发送来的方波的性能，调节所述lcc 谐振网络发射端2发送来的基波和剩余分量的比例，控制所述lcc谐振网络发射端2的输出增益和控制无功功率与有功功率的比例，并接收无线电能的 lcc谐振网络接收端3；
[0051]
用于拾取所述lcc谐振网络接收端3接收到的无线电能中的奇次谐波信号，并预先分拣出来的信号拾取电路4；
[0052]
用于通过分数阶移相的方式来对输入信号进行单边带调制，把需要携带的信息合成并记录到pwm驱动信号中，并将pwm驱动信号输入到所述全桥逆变器1中，并由全桥逆变器产生带有这些信息的交流电压的分数阶移相调制模块5；
[0053]
用于基于相干解调的方式，把所述信号拾取电路4输出的复数通道的不同频的奇次谐波信号分别地解调出来的解调模块6；以及
[0054]
用于把接收到的交流电压转换为直流电压并输出的被动整流和输出端7。
[0055]
所述分数阶移相调制模块5的分数阶pi
γ
运算通过grunwald-letnikov定义来实现，grunwald-letnikov分数阶微积分的定义为：
[0056][0057]
其中，式1中的γ为分数阶的阶数，h表示步长，j表示计数元素的项数， t表示时间，t0表示相移时间，是runwald-letnikov分数阶微积分的符号。
[0058]
分数阶pi
γ
运算在微型计算机上面的实现方法(或者说通过软件的实现方法)，如下：
[0059]
在选择步长h足够小的时候，可以近似忽略式中的极限操作，这样gl定义下的分数阶导数与积分可以由下面的式子直接计算：
[0060][0061]
式中ωj为二项式的系数，h表示步长，j表示计数元素的项数，t表示时间，t0表示相移时间，是runwald-letnikov分数阶微积分的符号，有以下的递推关系：
[0062][0063]
在对单一正弦分量进行计算的时候，会产生一个移相的效果，恰好可以用于进行移相调制。具体产生的效果如图3所示：
[0064]
其移相的相位可以由分数阶的阶数γ来精确控制，而根据全桥逆变器平均电压与相角关系的分析，轻微的相位改变虽然会剧烈的影响谐波分量的振幅，但是并不会对电能传输的功能造成影响。在输出不同信号的时候的仿真图如图4所示。图4中有四个关键信号，uab
是全桥逆变器的输出桥臂的三电平电压(即输入到lcc谐振网络的电压)，i
p
是流入lcc谐振网络的电流， u3是三次谐波分量，u0是基波分量。
[0065]
同时，可以通过调制分数阶运算的参数，定义为i，实现对特定谐波分量的移相调制过程。从而实现对复数个奇次谐波成分进行频分复用。具体过程如下：
[0066]
在指定好相位角度的数值之后，对3次谐波的调制，计算出相应的分数阶运算的参数，定义为i1，此时会对应一个分数阶运算的阶数γ1来实现3次谐波的指定相位移动。
[0067]
需要对5次谐波进行相同大小的相位角度的移相调制，可以计算出相应的分数阶运算的参数，定义为i2，此时会对应一个分数阶运算的阶数γ2来实现 5次谐波的指定相位移动。
[0068]
需要对7次谐波进行相同大小的相位角度的移相调制，可以计算出相应的分数阶运算的参数，定义为i3，此时会对应一个分数阶运算的阶数γ3来实现 7次谐波的指定相位移动。
[0069]
如此类推，可以对其他奇次谐波进行移相调制，其中，相位根据相频特性曲线来进行选取。但是奇次谐波的次数越高，比例就越低，这意味着在解调的时候更难从无线电能中拾取这些信号。但是另一方面来说，次数越高就意味着频率也高，因此高次谐波可以携带更多的信息。
[0070]
实际上，对指定频率下的正弦信号进行分数阶计算之后会得到一个对应的正弦信号(幅值和相位会根据阶数发生相应的变化)，而n次谐波成分和进行常数的分数阶计算之后得到的正弦信号，这个和n次谐波成分的相位相差这个“期望相位值”的正弦信号就被称为i
n-1/2
。上述的i1、i2和i3就是据此来得出。因为每个i
n-1/2
在给定频率和幅值的情况下都对应着相关联且唯一的分数阶运算的参数，然后就可以通过数学方法得到对应的阶数γ。
[0071]
这个过程如图5所示，图中的x0(n)、x1(n)、x2(n)可以是同一个信号序列的串并转化，也可以是不同序列，这个具体看通信协议的规定。c/d是将多个不同频段的信号拼接为一个宽带信号的计算函数，主要包含三个操作： 1)上采样(up-sample)；2)滤波(fir)；3)累加(sum)。
[0072]
在进行频分复用的相关解调时，接收端提供一个同频同相的相干载波，与接收的已调信号相乘后，经低通滤波器取出低频分量即可得到原始的基带调制信号。根据上面所写的线电能传输系统的逆变器输出的方波的傅里叶表达式可以得知，在指定好工作频率之后，各个奇次谐波的频率都是工作频率的奇数倍的关系，所以可以通过这些奇数倍工作频率的同相相干载波来逐一分拣出各个次数的奇次谐波信号，并通过解调得到它们所携带的信息。
[0073]
而对于复数奇次谐波的频分复用的解调方法基本上就是发射的逆过程，分别利用基本滤波器、多相滤波器实现，具体实现方法见实施例。
[0074]
1)分数阶移相的实施例：
[0075]
分数阶移相的参考matlab模型，主要原理是grunwald-letnikov定义下的离散化表达式来实现：
[0076][0077]
参考matlab模型如下：
[0078][0079][0080]
2)频分复用的相干解调的实施例：
[0081]
频分复用的接收端是发射的逆过程，分别利用基本滤波器、多相滤波器实现：
[0082]
基本滤波器的参考matlab模型，实际模型可以由硬件谐振网络的滤波器或者软件滤波的方式进行，具体参数要根据所控制的系统的开环传递函数和环路参数等数据来进行设计：
[0083]
[0084]
[0085]
[0086][0087]
多相滤波器，推导过程：
[0088][0089]
令l＝id+p，d表示分解后信号路数，此处d＝4
[0090][0091]
令
[0092][0093]
再将结果取实部即可得解。
[0094]
多相滤波器的参考matlab模型，实际模型同样可以由硬件谐振网络的滤波器或者软件滤波的方式进行，具体参数要根据所控制的系统的开环传递函数和环路参数等数据来
进行设计：
[0095]
[0096]
[0097]
[0098][0099]
最后需要强调的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。