基于轨道式无接触供电的能量信号耦合传送系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及无线能量传输领域，尤其设及一种基于轨道式无接触供电的能量信号 禪合传送系统及方法。
【背景技术】
[0002] 在工业应用很多特殊场合或恶劣环境下，如矿区、水下、无尘、易燃易爆场合，传统 接触式供电方法会因为金属触点接触产生火花造成危险或者因为电线连接而限制了设备 的移动范围，因此无线能量传输供电提供了有效解决方案。常见应用为工业电动输送、无尘 搬运、轨道交通运输等大功率设备。工业柔性物流输送系统是指工业自动化领域W合理的 成本水平采用合适的运输方式在规定的时间和地点，高效、准确、灵活的完成物料和工件的 收集和配送的系统，系统搬运路线可W随着生产工艺流程的调整而及时调整。随着自动化 物流系统和自动化仓库在中国乃至世界的发展，有轨载重导引小车(RGV)应用逐渐广泛，它 可W十分方便地与其他物流系统实现自动连接，按照计划进行物料的输送，如出/入库站 台、各种缓冲站、输送机、升降机和机器人等。传统RGV供电方式主要由有滑触线供电和蓄电 池供电。滑触线供电方式容易引起电火花，同时在复杂的路径规划中极不方便;蓄电池供电 方式需要定期对蓄电池进行充放电维护，且蓄电池寿命有限。
[0003] 轨道无接触供电系统(CPS)不仅需要电能的传输，而且还要利用电能传输通道进 行信号传递，比如传递RGV控制指令(前进、后退、升降等）、工作状态信息(正常、故障）。目前 针对信号传送工业上主要由巧巾方式，一种是采用WIFI等组成智能控制网络，采用遥控器或 PLC终端进行指令传送，另一种是通过轨道禪合传送，采用能量和信号时分复用或频分复用 原理对能量和通信进行解禪传送。相关文献虽实现了信号从电源侧到负载侧的信号传递， 但能量传输存在波动情况，导致取电侧功率波动引起导轨小车运行速度和状态受影响，同 时受开关频率限制无法在大功率应用场合高速传输。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中能量传输效果容易受影响，且无法 进行大功率高速传输的缺陷，提供一种传输实时性好、抗干扰性强的基于轨道式无接触供 电的能量信号禪合传送系统及方法。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006] 本发明提供一种基于轨道式无接触供电的能量信号禪合传送系统，包括依次连接 的能量传送电路、信号调制电路和轨道，还包括与轨道无接触的多台取电设备，每台取电设 备均包括信号解调电路，其中：
[0007] 所述能量传送电路与轨道相连，用于产生连续恒定电流给负载提供电能；
[000引所述信号调制电路与导轨相连，用于产生基带信号，对其进行调制产生正弦激励 载波信号，并将该信号禪合至导轨中；
[0009]所述取电设备与导轨无接触取电，并通过信号解调电路对正弦激励载波信号进行 解调，将其还原成基带信号。
[0010] 进一步地，本发明的所述能量传送电路采用原边轨道恒流的LCL全桥谐振拓扑结 构。
[0011] 进一步地，本发明的所述信号调制电路包括PWM发生电路、谐振电路和信号禪合电 路。
[0012] 进一步地，本发明的所述信号调制电路采用半桥谐振变换器产生正弦信号作为正 弦激励载波信号，通过2ASK/00K调制方式将载波信号禪合到轨道中。
[0013] 进一步地，本发明的所述信号调制电路能根据轨道的长度调节PWM占空比进而对 载波信号发射功率进行调节。
[0014] 进一步地，本发明的该系统还包括信号补偿电路，用于补偿信号中导轨的感抗，增 加信号的传输距离。
[0015] 进一步地，本发明的所述信号解调电路包括依次连接的谐振环路、带通滤波器、信 号放大整形电路和信号控制器，采用信号包络检波法解调信号。
[0016] 本发明提供一种基于轨道式无接触供电的能量信号禪合传送方法，包括W下步 骤：
[0017] S1、搭建信号调制电路，包括HVM发生电路，谐振电路、信号禪合电路，产生基带信 号后通过控制谐振式逆变器驱动电路使能端实现信号的调制；
[0018] S2、设置谐振电路的谐振频率与PWM信号相同，并将信号谐振成与调制频率相同的 正弦波，通过连接导轨两端的信号禪合电路将该信号禪合入输电导轨；
[0019] S3、搭建信号接收电路，包括信号谐振电路、信号滤波电路、信号放大电路、幅值检 波电路和电压比较电路;经过信号放大电路及幅值检波电路得到基带信号的包络线，并通 过电压比较电路将其还原成基带信号。
[0020] 进一步地，本发明的步骤S2的方法具体还包括:使用禪合电容与导轨自感产生谐 振，该谐振频率同调制频率相同，并通过隔离变压器对强弱电进行电气隔离。
[0021] 进一步地，本发明的步骤S3的方法具体还包括:使用W调制频率为中屯、频率的信 号滤波电路，并提高低通部分增强对能量信号的滤除能力。
[0022] 本发明产生的有益效果是:本发明的基于轨道式无接触供电的能量信号禪合传送 系统，通过半桥谐振变换器产生载波，能耗少，谐振变换器直流母线可调，使在不同应用下 可调整输出电压实现功耗最小化;产生的载波幅值可调，从而增加杂波信号强度增加抗干 扰性，采用谐振滤波及带通滤波的多级滤波方式，有效减小能量信号及外界噪声的干扰;改 进了电路结构和通信协议，降低了通信系统信道发生误码的几率;另外，对不同的功能使用 模块化设计，可在原有系统上加装该装置实现通信，减少了设备的制造成本。
【附图说明】
[0023] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0024] 图1是本发明实施例的基于轨道式无接触供电的能量信号禪合传送系统的结构框 图；
[0025] 图2是本发明实施例的基于轨道式无接触供电的能量信号禪合传送系统的调制电 路结构示意图；
[0026] 图3是本发明实施例的基于轨道式无接触供电的能量信号禪合传送系统的解调电 路结构示意图；
[0027] 图4是本发明实施例的基于轨道式无接触供电的能量信号禪合传送方法的流程 图；
[0028] 图5是本发明实施例的基于轨道式无接触供电的能量信号禪合传送系统的解调过 程各阶段波形；
[0029] 图6是本发明实施例的基于轨道式无接触供电的能量信号禪合传送系统的多台取 电器通信示意图。
【具体实施方式】
[0030] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用W解释本发明，并不 用于限定本发明。
[0031] 如图1所示，本发明实施例的基于轨道式无接触供电的能量信号禪合传送系统，包 括依次连接的能量传送电路、信号调制电路和轨道，还包括与轨道无接触的多台取电设备， 每台取电设备均包括信号解调电路，其中：
[0032] 能量传送电路与轨道相连，用于产生连续恒定电流给负载提供电能；
[0033] 信号调制电路与导轨相连，用于产生基带信号，对其进行调制产生正弦激励载波 信号，并将该信号禪合至导轨中；
[0034] 取电设备与导轨无接触取电，并通过信号解调电路对正弦激励载波信号进行解 调，将其还原成基带信号。
[0035] 该系统采用能量信号禪合传送系统结构，能量信号传递互不干扰，采用高频隔离 变压器有效滤除系统噪声，将能量和信号通道隔离。能量传送电路采用原边轨道恒流的LCL 全桥谐振拓扑结构，该类拓扑可W对负载提供连续恒定电流，且具有优良的滤波特性。
[0036] 信号调制电路包括PWM发生电路、谐振电路和信号禪合电路，并采用半桥谐振变换 器产生正弦信号作为正弦激励载波信号，通过2ASK/00K调制方式将载波信号禪合到轨道 中。信号调制电路根据轨道的长度调节PWM占空比进而对载波信号发射功率进行调节。
[0037] 轨道信号传送信道中噪声主要为电力电子开关噪声和能量传输频率噪声，在大功 率应用场合，开关管工作在几十kHz，设计中选取能量传输频率为25曲Z。信号通道载波频率 的选取要远离电源噪声，同时也不应干扰环境中其他通信频段的工作，采用的开关型半桥 式调制方案信号频率主要由MOSFET决定，为了尽量减小误码率，因此设计中选定通信载波 频率为400曲Z。
[0038] 系统还包括信号补偿电路，用于补偿信号中导轨的感抗，增加信号的传输距离。采 用隔离变压器副边加补偿电容方式，实现感应禪合能量传输系统同载波通信系统的解禪， 补偿导轨电感对载波信号产生的高阻抗。
[0039] 信号解调电路包括依次连接的谐振环路、带通滤波器、信号放大整形电路和信号 控制器，采用信号包络检波法解调信号。
[0040] 在本发明的另一个实施例中，该系统包括能量传送电路、轨道、信号调制电路、信 号解调电路。其中，如图1所示，由6扣心。、51-54心1心2八诲组成的能量传输通道，电感1^:1 和电容Cf在系统开关频率处发生并联谐振，在直流母线电压Edc保持不变的情况下，IXL拓扑 具有滤波和保持电流Is恒定不变的性能。根据拓扑原理及谐振补偿原理，满足公式(1)时有 输入阻抗Zin = O，且符合(PS系统的各种谐振条件。
(1)
[0042] 其中，Lf 1为逆变侧电感，Lf2为轨道侧电感，Cf为原边谐振电容，IS为轨道电流，Ui为 逆变桥端口电压，《能量传输频率。
[0043] 传统载波调制电路采用功放电路进行设计，运种方式发射功率有限，无法在长导 轨传输中应用，本发明采用电力电子开关型半桥谐振逆变器产生正弦信号作为载波信号， 可W根据导轨距离调节Pmi占空比任意控制发射功率。如图1所示，其中Us、Cl、C2、Tl、T2、 Lp、Cp组成的信号传输通道中，电感Lp和电容Cp在系统开关频率处发生串联谐振，谐振放大 信号作为载波调制信号在轨道上传输，信号传输通道需满足公式(2)要求。
(2)
[0045] 其中，Lp为信号调制谐振