一種無接觸旋轉供電系統及其控制方法與流程
2023-09-09 22:18:20 2
本發明涉及一種供電系統，尤其涉及一種無接觸旋轉供電系統及其控制方法。
背景技術：
旋轉電子設備(例如，機器人關節、轉塔平臺、鑽井平臺、電機勵磁等)中，固定部件向旋轉部件的電能傳輸通常需要採用旋轉供電系統。
現有技術中，旋轉供電系統主要採用滑環電刷方式和電纜直連方式，這兩種方式均屬於接觸式供電。
其中，滑環電刷方式的旋轉供電系統存在滑環和電刷接觸磨損、接觸電阻變大、受轉速影響大、存在粉塵汙染等問題，導致旋轉供電系統的使用壽命和可靠性下降，環境適應能力差。
另外，在易燃易爆、水下等一些特殊環境(例如礦井、油田鑽採等)，是無法使用滑環電刷方式的旋轉供電系統的。這是因為，在易燃易爆的環境中，滑環電刷方式的旋轉供電系統在供電過程中滑環與電刷之間會由於摩擦而產生電火花，存在爆炸或起火的危險；而在水下的環境中，滑環電刷方式的旋轉供電系統存在漏電的危險。
對於電纜直連方式的旋轉供電系統，電纜會限制轉動角度的範圍，無法連續轉動。同時，電纜在長時間的供電過程中需要反覆彎曲，容易造成疲勞損傷，從而降低了旋轉供電系統的使用壽命，環境適應能力差。
技術實現要素：
鑑於上述的分析，本發明旨在提供一種無接觸旋轉供電系統及其控制方法，解決了現有技術中接觸式旋轉供電系統使用壽命短、可靠性差、環境適應能力差的問題。
本發明的目的主要是通過以下技術方案實現的：
第一方面，本發明提供了一種無接觸旋轉供電系統，包括直流源、逆變器、原邊線圈、副邊線圈、整流器、變換器、原邊數據採集器、原邊控制器和副邊數據採集器；直流源的輸出端與逆變器的輸入端連接，逆變器的輸出端與原邊線圈的輸入端連接，整流器的輸出端與整流器的輸入端連接，整流器的輸出端與變換器連接；原邊控制器的數據採集控制指令分別傳送至原邊數據採集器和副邊數據採集器，原邊數據採集器採集原邊線圈的電流，並反饋給原邊控制器，副邊數據採集器採集整流器的輸出電壓，並反饋給原邊控制器；原邊控制器對整流器的輸出電壓和預先設定的整流器的參考輸出電壓進行比較以及比例積分微分控制，得到原邊線圈的參考電流，原邊控制器對原邊線圈的電流和原邊線圈的參考電流進行比較以及比例積分微分控制，得到逆變器的輸出頻率、逆變器的脈衝佔空比或原邊線圈的輸出電壓；原邊控制器控制逆變器的輸出頻率、逆變器的脈衝佔空比或原邊線圈的輸出電壓，從而調節整流器的輸出電壓；使用時，變換器與負載連接。
進一步地，原邊控制器的數據採集控制指令依次通過原邊通信模塊和副邊通信模塊傳送至副邊數據採集器，副邊數據採集器採集的整流器的輸出電壓依次通過副邊通信模塊和原邊通信模塊反饋給原邊控制器。
進一步地，逆變器為單相全橋或者單相半橋拓撲。
進一步地，變換器為單路輸出或多路輸出。
進一步地，原邊線圈為導線纏繞構成單匝或多匝線圈；副邊線圈為導線纏繞構成單匝或多匝線圈。
進一步地，原邊線圈和副邊線圈均為平面環形，原邊線圈位於副邊線圈的上方或下方；或者，原邊線圈和副邊線圈均為柱狀環形，原邊線圈位於副邊線圈的環形區域內。
進一步地，原邊線圈與副邊線圈通常為同軸設置，以使得電能傳輸更加平穩。
進一步地，逆變器通過原邊補償網絡與原邊線圈連接；副邊線圈通過副邊補償網絡與整流器連接。
進一步地，無接觸旋轉供電系統還包括與負載並聯的電池。
第二方面，本發明還提供了一種無接觸旋轉供電系統的控制方法，
採用原邊恆流控制模式、無線閉環控制模式和/或不間斷供電控制模式；原邊恆流控制模式包括如下步驟：
s11：根據原副邊互感值、原邊電流的頻率和原邊線圈的電流計算得到副邊線圈的理論輸出電壓；
s12：將副邊線圈的理論輸出電壓與負載所需電壓進行比較，通過調整原副邊互感值、原邊電流的頻率或原邊線圈的電流，使得副邊線圈的理論輸出電壓等於負載所需電壓；
無線閉環控制模式包括如下步驟：
s21：原邊控制器的數據採集控制指令分別傳送至原邊數據採集器和副邊數據採集器，原邊數據採集器採集原邊線圈電流，並反饋給原邊控制器，副邊數據採集器採集整流器的輸出電壓，並反饋給原邊控制器；
s22：原邊控制器對整流器的輸出電壓和預先設定的整流器的參考輸出電壓進行比較以及比例積分微分控制，得到原邊線圈的參考電流，原邊控制器對原邊線圈的電流和原邊線圈的參考電流進行比較以及比例積分微分控制，得到逆變器的輸出頻率、逆變器的脈衝佔空比或原邊線圈的輸出電壓；
s23：原邊控制器控制逆變器的輸出頻率、逆變器的脈衝佔空比或原邊線圈的輸出電壓，從而調節整流器的輸出電壓；
不間斷供電控制模式包括如下步驟：
s31：原邊控制器的數據採集控制指令傳送至原邊數據採集器，原邊數據採集器採集直流源的電壓，當直流源的電壓的波動超過閾值時，電池對負載供電。
與現有技術相比，本發明有益效果如下：
a)本發明提供的無線旋轉供電系統基於電磁感應原理，利用原邊線圈和副邊線圈完全隔離的非接觸式變壓器將電能從供電側以非接觸的形式傳遞到負載側，實現了供電側與負載側的物理分離和電氣隔離。由於上述無接觸旋轉供電系統不涉及到滑環和電刷、電纜等連接部件，因此可以避免機械磨損、接觸電阻變大、受轉速影響大、裸露導體漏電、旋轉角度和速度受限等問題，提高了系統的安全性可靠性和環境適應性，可以廣泛用於機器人活動關節、轉塔平臺、鑽井平臺等旋轉電子設備。
b)本發明提供的無線旋轉供電系統中還設有原邊數據採集器、原邊控制器和副邊數據採集器，通過副邊數據採集器採集整流器的輸出電壓，並反饋給原邊控制器，原邊控制器分別將整流器的輸出電壓和預先設定的整流器的參考輸出電壓進行比較以及比例積分微分(pid)控制，通過調整逆變器的輸出頻率、逆變器的脈衝佔空比或逆變器輸出電壓，從而調節整流器的輸出電壓，提高無接觸旋轉供電系統的供電準確性。
c)本發明提供的無線旋轉供電系統可以依靠電池對負載進行供電，從而保證了上述無接觸旋轉供電系統的不間斷供電，提高系統的穩定性。
本發明的其他特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且，部分的從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點可通過在所寫的說明書、權利要求書、以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。
附圖說明
附圖僅用於示出具體實施例的目的，而並不認為是對本發明的限制，在整個附圖中，相同的參考符號表示相同的部件。
圖1為本發明實施例一的無接觸旋轉供電系統的結構示意圖；
圖2為本發明實施例一的無接觸旋轉供電系統的另一種結構的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖來具體描述本發明的優選實施例，其中，附圖構成本申請一部分，並與本發明的實施例一起用於闡釋本發明的原理。
實施例一
本實施例提供了一種無接觸旋轉供電系統，參見圖1至圖2，其包括直流源1、逆變器2、原邊線圈3、副邊線圈4、整流器5、變換器6、原邊數據採集器7、原邊控制器8和副邊數據採集器9。其中，直流源1的輸出端與逆變器2的輸入端連接，逆變器2的輸出端與原邊線圈3的輸入端連接，副邊線圈4的輸出端與整流器5的輸入端連接，整流器5的輸出端與變換器6連接；原邊控制器8的數據採集控制指令分別傳送至原邊數據採集器7和副邊數據採集器9，原邊數據採集器7採集原邊線圈3的電流，並反饋給原邊控制器8，副邊數據採集器9採集整流器5的輸出電壓，並反饋給原邊控制器8；原邊控制器8對整流器5的輸出電壓和預先設定的整流器5的參考輸出電壓進行比較以及比例積分微分控制，得到原邊線圈3的參考電流，原邊控制器8對原邊線圈3的電流和原邊線圈3的參考電流進行比較以及比例積分微分控制，得到逆變器2的輸出頻率、逆變器2的脈衝佔空比或原邊線圈3的輸出電壓；原邊控制器8控制逆變器2的輸出頻率、逆變器2的脈衝佔空比或原邊線圈3的輸出電壓，從而調節整流器5的輸出電壓。使用時，變換器6與負載12連接。
實施時，直流源1輸出的直流電通過逆變器3變換為交流電，該交流電通入原邊線圈3，原邊線圈3產生交變磁場並穿過副邊線圈4，使得副邊線圈4產生感應交流電，這個感應交流電通過整流器5變換為直流電，直流電通過變換器6變換為負載12所需的電源形式，並進一步通入負載12，從而實現為負載12供電。在上述供電過程中，原邊控制器8的數據採集控制指令分別傳送至原邊數據採集器7和副邊數據採集器9，原邊數據採集器7採集原邊線圈3的電流，並反饋給原邊控制器8，副邊數據採集器9採集整流器5的輸出電壓，並反饋給原邊控制器8；原邊控制器8對整流器5的輸出電壓和預先設定的整流器5的參考輸出電壓進行比較以及比例積分微分控制，得到原邊線圈3的參考電流，原邊控制器8對原邊線圈3的電流和原邊線圈3的參考電流進行比較以及比例積分微分控制，得到逆變器2的輸出頻率、逆變器2的脈衝佔空比或原邊線圈3的輸出電壓；原邊控制器8控制逆變器2的輸出頻率、逆變器2的脈衝佔空比或原邊線圈3的輸出電壓，從而調節整流器5的輸出電壓。
與現有技術相比，本發明提供的無接觸旋轉供電系統基於電磁感應原理，利用原邊線圈3和副邊線圈4完全隔離的非接觸式變壓器將電能從供電側以非接觸的形式傳遞到負載側，實現了供電側與負載側的物理分離和電氣隔離。由於上述無接觸旋轉供電系統不涉及到滑環和電刷、電纜等連接部件，因此可以避免機械磨損、接觸電阻變大、受轉速影響大、裸露導體漏電、旋轉角度和速度受限等問題，提高了系統的安全性可靠性和環境適應性，可以廣泛用於機器人活動關節、轉塔平臺、鑽井平臺等旋轉電子設備。
同時，上述無接觸旋轉供電系統中還設有原邊數據採集器7、原邊控制器8和副邊數據採集器9，通過副邊數據採集器9採集整流器5的輸出電壓，並反饋給原邊控制器8，原邊控制器8分別將整流器5的輸出電壓和預先設定的整流器5的參考輸出電壓進行比較以及比例積分微分(pid)控制，通過調整逆變器2的輸出頻率、逆變器2的佔空比或原邊線圈3的輸出電壓，從而調節整流器5的輸出電壓，提高無接觸旋轉供電系統的供電準確性。
示例性地，原邊控制器8與副邊數據採集器9之間的數據通信可以通過原邊通信模塊10和副邊通信模塊11來實現。原邊控制器8的數據採集控制指令依次通過原邊通信模塊10和副邊通信模塊11傳送至副邊數據採集器9，副邊數據採集器9採集的整流器5的輸出電壓依次通過副邊通信模塊11和原邊通信模塊10反饋給原邊控制器8。而原邊通信模塊10和副邊通信模塊11之間以無線形式通信，可以採用zigbee、藍牙或乙太網方式連接。
需要說明的是，上述無接觸旋轉供電系統可以實現旋轉供電也可以實現固定供電。當旋轉供電時，原邊線圈3相對固定，副邊線圈4可以相對原邊線圈3旋轉；當固定供電時，副邊線圈4相對原邊線圈3靜止即可。
具體來說，上述直流源1提供的直流電可以為交流整流後得到的直流電，也可以為其他形式轉換的直流電。
上述逆變器2可以為單相全橋或者單相半橋拓撲，用於將直流電變換為指定頻率的交流電，需要說明的是，指定頻率可以根據負載12的用電情況進行變化，在此不詳細描述。
上述變換器6可以為單路輸出或多路輸出，使得上述無接觸旋轉供電系統能夠與多個負載12相連，實現多個負載12的同時供電。
對於原邊線圈3和副邊線圈4的結構，示例性地，原邊線圈3可以為導線纏繞構成單匝或多匝線圈，其可以具有磁芯或者不具有磁芯，其中，導線可以為多股細線(一般稱為利茲線)，導線與線圈整體密封，表面平整，僅留兩個接頭作為輸入端；而副邊線圈4的結構與原邊線圈3的結構一般相同，僅是線圈的匝數不同。而對於原邊線圈3和副邊線圈4的具體匝數，在應用中可以根據原邊線圈的輸入電流以及負載12所需電壓進行設定，在此不一一限定。
對於原邊線圈3、副邊線圈4的形狀和位置關係，示例性地，原邊線圈3和副邊線圈4可以為平面環形，原邊線圈3位於副邊線圈4的上方或下方，參見圖1；或者，原邊線圈3和副邊線圈4為柱狀環形，參見圖2，原邊線圈3位於副邊線圈4的環形區域內。原邊線圈3與副邊線圈4之間的間隙可調，通常情況下，原邊線圈3與副邊線圈4之間的間隙為幾毫米至幾百毫米均可。
為了保證電壓的穩定，原邊線圈3與副邊線圈4通常同軸設置。
為了抵消原邊線圈3和副邊線圈4的電抗，逆變器2可以通過原邊補償網絡13與原邊線圈3連接，副邊線圈4可以通過副邊補償網絡14與整流器5連接。這樣，原邊補償網絡13採用電容與原邊線圈3串聯或並聯，從而可以抵消原邊線圈3的電抗；同樣地，副邊補償網絡14採用電容與副邊線圈4串聯或並聯，從而可以抵消副邊線圈4的電抗。
為了保證上述無接觸旋轉供電系統供電不間斷，其還可以包括與負載12並聯的電池15。當供電側出現非正常斷開時，即原邊通信模塊9未向副邊通信模塊11發送斷電指令就發生斷電的情況時，可以依靠電池15對負載12進行供電，從而保證了上述無接觸旋轉供電系統的不間斷供電，提高系統的穩定性。在供電正常時，當電池15的電量不足時，可以通過整流器5對電池15進行充電。
需要說明的是，對於副邊通信模塊11，其還可以獲取副邊線圈4的電流、電池15的電量和負載12的信息等信息，從而能夠更加全面的了解上述無接觸旋轉供電系統的供電性能，進而能夠提高供電的準確性。
實施例二
本實施例提供了一種無接觸旋轉供電系統的控制方法，該控制方法可以採用原邊恆流控制模式、無線閉環控制模式和/或不間斷供電控制模式；
其中，原邊恆流控制模式包括如下步驟：
s11：根據原副邊互感值、原邊電流的頻率和原邊線圈的電流計算得到副邊線圈的理論輸出電壓，計算公式如下：
v＝2πf·mi，其中，f為原邊電流的頻率，m為原副邊互感值，i為原邊線圈的電流；
s12：將副邊線圈的理論輸出電壓與負載所需電壓進行比較，通過調整原副邊互感值、原邊電流的頻率或原邊線圈的電流，使得副邊線圈的理論輸出電壓等於負載所需電壓。
無線閉環控制模式包括如下步驟：
s21：原邊控制器的數據採集控制指令分別傳送至原邊數據採集器和副邊數據採集器，原邊數據採集器採集原邊線圈電流，並反饋給原邊控制器，副邊數據採集器採集整流器的輸出電壓，並反饋給原邊控制器；
s22：原邊控制器對整流器的輸出電壓和預先設定的整流器的參考輸出電壓進行比較以及比例積分微分控制，得到原邊線圈的參考電流，原邊控制器對原邊線圈的電流和原邊線圈的參考電流進行比較以及比例積分微分控制，得到逆變器的輸出頻率、逆變器的脈衝佔空比或原邊線圈的輸出電壓；
s23：原邊控制器控制逆變器的輸出頻率、逆變器的脈衝佔空比或原邊線圈的輸出電壓，從而調節整流器的輸出電壓。
不間斷供電控制模式包括如下步驟：
s31：原邊控制器的數據採集控制指令傳送至原邊數據採集器，原邊數據採集器採集直流源的電壓，當直流源的電壓的波動超過閾值時，電池對負載供電。
與現有技術相比，本實施例提供的無接觸旋轉供電系統的控制方法的有益效果與上述無接觸旋轉供電系統的有益效果相同，在此不再贅述。
需要說明的是，上述不間斷供電模式適用於原邊線圈供電異常，即副邊通信模塊未接收到原邊控制器發送的斷電信號就發生斷電的情況，例如，直流源突然斷電、原邊發生保護動作等，而對於正常斷電，電池不會對負載供電。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。