基于2ASK的无线电能与信号反向同步传输技术

雍麒麟，蒋林，李彦志，左佳铭

（ 1.西南石油大学，电气信息学院，四川 成都 610500；2.川庆钻探井下作业公司，四川 成都 610051 ）

0 引言

感应耦合无线电能传输技术(ICWPT)作为一种新型的非接触电能传输技术[1]，具有高安全性与灵活性，在便携式电子产品、电动汽车、人体内置电子设备、无人自动化工业场景、以及石油钻井等特殊环境下有广阔的应用前景。在无线电能传输系统中，信号的传输也极为重要，主要用于电路状态信息反馈以及控制信号的传递等，感应耦合无线信号与电能同步传输现已成为国内外研究的热点[2]。

目前，2ASK是基于共享通道的无线电能与信号同步传输系统中的信号调制方法之一，它是利用载波幅值变化来传递数字信号，其频率与初始相位保持不变，即数字“0”和“1”分别对应不同幅值[3]。利用开关键控（OOK）的调制方法产生键控信号是2ASK最常见的实现方式，OOK方案结构简单、低成本、可靠性高等优点[4]。

文献[5-7]通过增加信号调制电容的方式来实现2ASK调制，该方法人为地改变谐振补偿工作状态，对电能的传输存在干扰；文献[8-9]通过控制逆变电路开关管的开通与关断来调制信号，该方法逆变器只能在硬开关条件下工作，信号的传输速度也受到逆变电路工作频率的限制。

本文提出一种使用待传基带信号控制整流器工作方式实现同步信号传输的2ASK-OOK信号调制，该方法可实现无线电能传输，同时实现对副边电路状态信息的采集与反向传输，它不会因为信号调制造成很大的能量损耗，且不会对电路元件带来电流冲击，为实现无线电能与信号同步传输提供了一种新思路。

1 ICWPT系统电能与信号反向传输机理

1.1 信号调制原理

幅移键控法（2ASK）利用数字信号控制信号载波幅值的大小，此时应保证信号载波的频率与初始相位不变，其原理框图如图1所示。该拓扑结构的工作原理为在信号调制时，电能接收端通过信号调制模块断开整流滤波模块与接收线圈的连接，暂停整流作用，以改变次级回路总阻抗，从而改变线圈上的电压幅值。

图1 的去耦等效电路如图2所示，利用反射阻抗法分析工作原理，对发射端与接收端回路列写KVL方程：

其中，Z1=R11+jX11、Z2=R22+jX22分别是发射端、接收端电路的自阻抗。

可得：

令Zr=(ωM)2/Z2，Zr为接收端对发射端的反射阻抗，用Zr表征接收端对发射端的感应电压，可得系统等效电路如图3所示。

由图3可得出发射端电路的总阻抗：

其中，ω为ICWPT系统角频率。如将接收端线圈L2当成与jωL2相关的电压源V2，则接收端总阻抗为：

将Z2代入Zr，可得发射端总阻抗Z1：

发射线圈电流：

由此可见，发射端线圈电流大小受接收端阻抗影响，保持系统谐振网络参数不变时，改变接收端阻抗可以使发射端线圈电流幅值受到影响。

通常，改变补偿电容C2的值可以改变发射端线圈电流幅值，合理设计信号调制电容使接收端工作在谐振点附近，有较好的信号调制效果；第二种方法是在整流网络与接收线圈之间增设开关装置，通过暂时切断整流的方式来改变总阻抗，但需要暂停整流，所以信号调制对电能传输性能有一定影响，且在信号调制期间，频繁切换线圈与整流补偿网络间的电流断开与导通状态，在较大功率情况下，接收端电路易产生电流冲击，部分功率转换器件或因电流冲击而损坏。为此，本文提出一种适用于较大功率ICWPT系统的OOK调制方法，如图4所示。

控制器通过控制S3、S4这两个MOSFET开关管，对整流电路进行开关操作，在极短的时间内切断整流电路工作，使电能的发射端失去负载，发射线圈上的电压幅值变，同时起缓冲作用的电容C4开始放电；当整流电路再次工作时，电容C4开始充电，同时发射线圈上的电压幅值增大，利用该操作使发射线圈上的电压幅值先减小再增大，即可完成信号的调制。在较大功率传输情况下，由于加入了缓冲电容C4，负载端没有部件需要承受大电流冲击，可避免因信号调制而烧坏负载，同时，在信号调制期间，功率不被损耗。

在没有调制期间，连接S3、S4的控制器两个引脚输出低电位，S3、S4处于开路状态，当电能接收线圈接收发射端传来的电能后，在正半周期间，正电流经过谐振电容C3、二极管D1输出至负载，同时产生高电位流向开关管S2的栅极使其导通，接地电流由S2的接地端导出后流向接收线圈，形成完整的回路；在电流的负半周期间，电流从线圈相反的方向，电路以同样的方式运行形成完整的回路。

调制半波反馈信号期间，控制器的1、2引脚分别输出高、低电位，使S3导通、S4开路，在电流的正半周期期间能构成完整回路，负半周期间不能构成完整回路，在这个整流周期内，接受线圈仅接收正常供电一半的电量。

调制全波反馈信号期间，控制器的1、2引脚设为高电位，S3、S4开关管均导通，从而使S1、S2的栅极保持低电位，在接收线圈接收到发射线圈传送的电能后，正负半周期间电流由接收线圈进入均无法形成供电回路，此时的接收端处于无负载情况。由此可知，在调制全波反馈信号期间，线圈电压幅值的变化十分明显，信号调制效果较好。

另外，开关损耗方面，每个整流周期，电流只需通过D1、D2两个二极管顺向压差的损耗，以及两个S1、S2两个N沟道MOSFET极低的导通电阻损耗，相比传统由四个二极管构成的整流电路降低了约一半的整流能量损耗。

1.2 信号特征提取与解调

信号解调的全过程如图5所示。电压包络信号首先经过电压跟随器和同相比例放大器，送入包络检波器，再经过电压比较器最后解调出基带信号，从而达到信号传输的目的。

包络检波是指将传输的基带信号从载波包络中提取出来的过程，一般利用二极管检波电路从调幅波中取出包络线，从而达到解调的目的。检波电路如图6所示，利用二极管的单向导电性以及RC电路充放电而工作。包络检波器的二极管在选型时应充分考虑其是否能够承受所要进行检波的载波频率。

2 实验分析

搭建了基于ICWPT系统的信号与电能同步传输实验平台。由STM32产生控制信号，对可控整流电路进行信号控制，在示波器（GDS-2304A）显示电能波形与信号波形。所用稳压芯片为LM317MDT-TR，逆变芯片为EG8010，电压比较芯片为LM393DR。

实验所用线圈为选用机械绕制的利兹线线圈，加以隔磁板固定线圈，线圈外径d=0．206m，匝数为21匝，线圈L1和L2感量为322．5μH。发射端补偿电容C1选取0．344μF，接收端补偿电容C2选取0．747μF。

实验中，逆变器工作频率85kHz时，输入直流电压U1为24V，负载两端输出电压U2为29．69V，电能传输效率为83．1%。

图7为信号调制阶段实测得到的波形图，基带信号由“0”变为“1”时，接收端停止整流，从而使接收端总阻抗变小。通道3为发射线圈电压波形，信号传输时，经反射阻抗变化后，发射线圈电压变化范围在13V～16V之间，数据“1”和“0”直接表现为电压包络的深浅变化。

图8 为解调信号波形、检波输出信号以及线圈电压波形，通道2为检波器输出信号，反映了信号的特征。由图8中通道1的解调信号和通道3的发射线圈电压波形可以看出，信号能准确地从线圈具有包络特征的电压幅值上解调出来。

图9 为待传基带信号与解调信号。由图9可见包络检波器输出经比较器还原出的解调波形与电能接收端基带信号能够一一对应，表明该信号传输方案有较好的准确性。

由实验结果可知，该方案在调制和解调过程达到了信号通信要求。

3 结语

针对感应耦合无线电能传输（ICWPT）信号反向传输问题，提出了一种通过控制整流网络工作状态来实现2ASK信号调制的信号传输方法，通过切入切出整流作用，在电能发射端形成含有数据特征的电流包络，检测电流包络状特征并进行信号复原。搭建了实验平台，验证了本方案的可行性，为ICWPT系统中信号反向传输提供了全新的思路。