一種無線能量傳輸系統的遠程控制裝置及方法與流程
2023-07-25 06:25:04 2
本發明屬於無線電能傳輸領域，具體涉及一種無線能量傳輸系統的遠程控制裝置及方法。
背景技術：
無線能量傳輸系統是當前的研究熱點，目前無線能量傳輸系統主要使用的技術有三種，分別為遠場技術、近場技術(電感耦合)和磁耦合共振技術。無線能量傳輸系統可以解決傳統導線帶來的距離限制和線多雜亂等問題，在電力電子、新能源汽車、醫療和軍事等方面有廣闊的應用前景。但是，搭建無線能量傳輸系統費時費力，且系統不容易移動，操作者需要去實驗室現場才能操作設備，存在不方便、不利於安全和不易於分享等問題。因此，研究無線能量傳輸系統的遠程控制方法很有必要。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種無線能量傳輸系統的遠程控制方法，以擴充前沿技術的受眾範圍，增強無線能量傳輸系統的方便性、安全性和可分享性。
本發明所採用的技術方案是：
.一種無線能量傳輸系統的遠程控制裝置，其特徵在於，包括無線能量傳輸硬體平臺以及遠程監控硬體部分，所述無線能量傳輸硬體平臺包括發射端、接收端、信號發生器以及與接收端連接的燈泡；所述遠程監控硬體部分包括依次連接的USB數據採集卡、控制器、伺服器以及網頁端；所述控制器連接有攝像頭，信號發生器與控制器連接，USB數據採集卡分別與發射端和接收端連接。
在上述的一種無線能量傳輸系統的遠程控制裝置，所述發射端包括逆變電路以及與逆變電路連接的發射端線圈，所述逆變電路包括：由二極體D1-D4和MOSFET S1-S4共同構成的全橋逆變電路，S1和S4為一對橋臂，S2和S3構成另一對橋臂，成對橋臂同時導通，兩對橋臂交替各導通180°。所述發射端線圈包括諧振電路中依次串聯的電阻Rp1，電感L1和電容C1，與全橋逆變電路的輸出相連接；所述接收端包括接收端線圈、以及與接收端線圈連接的整流濾波電路；所述接收端線圈包括諧振電路中依次串聯的電阻Rp2，電感L2和電容C2；所述整流電路包括由四個二極體組成的橋式整流電路及其濾波電路，所述燈泡與接收端經整流濾波後的直流電路相接；所述控制器為基於Windows作業系統的計算機。
一種無線能量傳輸系統的遠程控制方法，其特徵在於，包括以下步驟：
步驟1：搭建無線能量傳輸硬體平臺；
步驟2：使用控制器、攝像頭和USB數據採集卡搭建遠程監控硬體部分；
步驟3：編寫遠程控制算法，圖3是遠程控制算法的框圖。其具體實現包括以下子步驟：
步驟3.1：在MATLAB/Simulink中搭建框圖，分別取出發射端和接收端電壓、電流和功率信號，設定輸入頻率信號和掃頻信號；
步驟3.2：通過修改過的Simulink的Real-Time Workshop(RTW)生成遠程控制的可執行算法。
步驟4：將遠程控制算法實施到無線能量傳輸系統上，並利用NCSLab平臺進行遠程監控，具體實現包括以下子步驟：
步驟4.1：將遠程控制算法上傳到NCSLab，並下載算法到遠程的控制器中執行；
步驟4.2：在網頁端配置監控界面，包含發射端和接收端的電流、電壓和功率以及發射頻率掃頻頻率信號參數。其中遠程設備圖像用於查看攝像頭採集的遠程設備的實時圖像，儀錶盤用於顯示被選擇參數的實時數值，數字輸入框用於調節被選中的參數，趨勢圖用於觀測被選擇參數實時曲線；
步驟4.3：調節發射端頻率以及掃頻信號的幅值和頻率，觀察燈泡的亮暗變化，通過採集發射端電壓電流信號Ii和Ui和接收端電壓電流信號Io和Uo可以分析出頻率f和輸出功率Po以及傳輸效率η的關係，並找到最優工作頻率fopt。發射端輸入功率和輸出端的輸出功率可以分別通過以下關係式計算得到
Pi＝Ui*Ii (1)
Po＝Uo*Io (2)
則傳輸效率為
η＝Po/Pi (3)
從遠程控制系統的角度看，監控界面攝像頭採集到的燈泡的亮暗程度可以直觀反映輸出功率變化，即燈泡亮說明輸出功率大，反之則小，因此最亮的時刻對應的頻率為最佳工作頻率；從發射端和接收端採集到數據來看，可以由實時數據確定最佳工作頻率，即最高輸出功率Po對應的頻率f為最佳工作頻率fopt。
在上述的無線能量傳輸系統的遠程控制方法，步驟3中，遠程控制算法通過MATLAB/Simulink搭建，並通過修改後的Real-time Workshop生成算法，用來實現控制器對信號發生器頻率的控制。
在上述的無線能量傳輸系統的遠程控制方法，步驟4中，遠程控制算法需要上傳到NCSLab平臺，然後下載到控制器中執行。通過組建監控界面，對無線能量傳輸系統進行遠程監控。
在上述的無線能量傳輸系統的遠程控制方法，步驟4中監控界面包含：通過攝像頭採集的無線能量傳輸系統的實時圖像，線圈發射端和接收端的電壓、電流和功率實時曲線，信號發生器頻率實時曲線圖，信號發生器頻率調節、掃頻幅值和掃頻頻率數字輸入框，線圈發射端和接收端的電壓、電流儀表顯示盤。通過數字輸入框可以調節數值，然後在實時曲線上可以看到相應值的實時變化，也可以在遠程實時圖像上觀看系統的變化。
本發明的有益效果是：本發明利用基於HTML5的遠程控制平臺來實現無線能量傳輸系統的遠程控制，操作者在網頁上即可遠程控制無線能量傳輸系統發射端信號發生器的頻率，進而改變接收端的輸出功率以及傳輸效率，通過負載燈泡的亮暗程度直觀呈現控制效果。本發明提供了一種無線能量傳輸系統的遠程控制方法，可以有力地擴充傳統無線能量傳輸系統的受眾範圍，遠程操作的方法既保證了操作者的安全，同時也方便探尋系統的最優工作頻率和傳輸效率。這種遠程控制的無線能量傳輸系統有廣泛的應用前景。
附圖說明
圖1是無線能量傳輸系統的示意圖。
圖2是本發明實施例中無線能量傳輸系統遠程控制方法的示意圖。
圖3是使用MATLAB/Simulink編寫的遠程控制算法框圖。
圖4是無線能量傳輸系統的網頁監控界面示意圖。
具體實施方式
為了便於本領域普通技術人員理解和實施本發明，下面結合附圖及實施例對本發明作進一步的詳細描述，應當理解，此處所描述的實施示例僅用於說明和解釋本發明，並不用於限定本發明。
本發明的無線能量傳輸系統的遠程控制方法使用成熟的NCSLab進行遠程監控，實現了無線能量傳輸系統參數的遠程調節和控制，通過燈泡的亮度變化就可以直觀感受系統輸出功率的變化，同時可視化監控組態可以實時顯示各參數的變化，使用者無需到實驗現場即可進行實驗。該方法有力擴充了前沿技術的受眾範圍，從而增強了無線能量傳輸系統的方便性、安全性和可分享性。
本實施例以磁耦合共振無線能量傳輸系統為例，使用NCSLab作為監控平臺，通過控制器對系統發射端的信號發生器的頻率進行控制，然後在監控界面顯示由攝像頭和數據採集卡採集的數據，從而實現無線能量傳輸系統的遠程控制。
本實施例中的無線能量傳輸如圖1所示，分為發射端和接收端，發射端主要包括直流電源、逆變電路和發射線圈；接收端主要包括接收線圈、整流電路和負載燈泡。圖2是無線能量傳輸系統遠程控制方法的示意圖，控制器通過控制發射端信號發生器的發射頻率，改變系統的傳輸效率和輸出功率。數據採集卡將採集到的發射端和接收端的電流電壓傳輸到控制器中。同時攝像頭也將採集到的系統實時圖像傳到控制器。操作者隨時隨地都可以在網頁端查看無線能量傳輸系統的控制情況，並且進行控制，最終實現無線能連傳輸系統的遠程控制。
本發明提供的一種無線能量傳輸系統的遠程控制方法，包括以下步驟：
步驟1：搭建無線能量傳輸硬體平臺；其具體實現包括以下子步驟：
步驟1.1：選用導線繞制發射端和接收端線圈，保證兩個線圈的圈數和形狀一致，確保二者擁有相同的固有頻率；
步驟1.2：搭建發射端電路，主要包括直流電源、信號發生器、逆變電路和發射線圈的連接；
步驟1.3：搭建接收端電路，主要包括接收線圈、整流電路和負載的燈泡連接。
步驟2：使用控制器、攝像頭和USB數據採集卡搭建遠程監控硬體部分；本實施例以USB攝像頭，基於Windows的控制器為例進行說明，其具體實現包括以下子步驟：
步驟2.1：分別將攝像頭、USB數據採集卡和信號發生器接入控制器的USB接口；
步驟2.2：將USB數據採集卡與發射端和接收端電路相連，分別採集其電流電壓值；
步驟3：編寫遠程控制算法，圖3是遠程控制算法的框圖。其具體實現包括以下子步驟：
步驟3.1：在MATLAB/Simulink中搭建框圖，分別取出發射端和接收端電壓、電流和功率信號，設定輸入頻率信號和掃頻信號；
步驟3.2：通過修改過的Simulink的Real-Time Workshop(RTW)生成遠程控制的可執行算法。
步驟4：將遠程控制算法實施到無線能量傳輸系統上，並利用NCSLab平臺進行遠程監控，圖4是無線能量傳輸系統的網頁監控界面示意圖。其具體實現包括以下子步驟：
步驟4.1：將遠程控制算法上傳到NCSLab，並下載算法到遠程的控制器中執行；
步驟4.2：在網頁端配置監控界面，包含發射端和接收端的電流、電壓和功率以及發射頻率掃頻頻率等信號參數。其中遠程設備圖像用於查看攝像頭採集的遠程設備的實時圖像，儀錶盤用於顯示被選擇參數的實時數值，數字輸入框用於調節被選中的參數，趨勢圖用於觀測被選擇參數實時曲線；
步驟4.3：調節發射端頻率以及掃頻信號的幅值和頻率，觀察燈泡的亮暗變化，通過採集發射端和接收端電壓電流信號可以分析出頻率和輸出功率以及傳輸效率的關係，並找到最優工作頻率。
傳統的無線能量傳輸系統需要現場操作，難以分享。因此，本發明通過網頁遠程控制無線能量傳輸系統，操作者隨時隨地可以觀察和控制系統，這種方式使得任何操作者都可以使用，有力地擴充了前沿技術的受眾範圍，從而增強了無線能量傳輸系統的方便性、安全性和可分享性。
本發明的操作結果顯示其能夠找到最優工作頻率以及不同頻率下對應的系統輸出功率和系統傳輸效率，可以實現任何人隨時隨地觀察和控制等功能，從而驗證了本發明無線能量傳輸系統的遠程控制方法的實際可行性。
應當理解的是，本說明書未詳細闡述的部分均屬於現有技術。
應當理解的是，上述針對較佳實施例的描述較為詳細，並不能因此而認為是對本發明專利保護範圍的限制，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明權利要求所保護的範圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發明的保護範圍之內，本發明的請求保護範圍應以所附權利要求為準。