用于高速列車無線供電技術(shù)的高頻信號(hào)采集系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]無線傳能技術(shù)目前仍處在起步階段。傳輸效率與很多因素有關(guān)，例如發(fā)送線圈與接收線圈的尺寸、發(fā)送端的頻率與接收端是否達(dá)到諧振乃至整個(gè)系統(tǒng)是否具有一樣的諧振頻率和發(fā)送的距離長短等等。由于傳能過能中高頻的電壓、電流信號(hào)難以檢測，接收端與發(fā)送端是否達(dá)到諧振又與傳能效率息息相關(guān)。
[0002]電力列車在低速運(yùn)行狀態(tài)下，受電弓滑板與接觸網(wǎng)導(dǎo)線之間的接觸相對平穩(wěn)，通常能夠正常受流。然而在高速運(yùn)行狀態(tài)下，弓網(wǎng)關(guān)系將受到摩擦、離線、振動(dòng)、電弧和環(huán)境等多方面挑戰(zhàn)，持續(xù)穩(wěn)定的高速受流問題亟待解決。因此，研究高速列車無線供電技術(shù)具有十分重要的意義。近年來高速列車拓展了一種新的供電方式，能量的發(fā)送線圈沿軌道懸空架設(shè)于車身之上，接收線圈在車身頂部，能量從上往下傳遞。這種供電方式代替了受電弓與接觸網(wǎng)滑動(dòng)取電的傳統(tǒng)方式，允許存在數(shù)十厘米的工作間隙，提高了絕緣強(qiáng)度，避免了弓網(wǎng)電弧頻繁出現(xiàn)及高速移動(dòng)時(shí)材料磨損等諸多問題，從而顯著提高受流質(zhì)量。
[0003]本發(fā)明是一種高頻信號(hào)采集系統(tǒng)，其采用高速AD控制器嵌入FPGA架構(gòu)，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)對外接AD控制器的FIFO管理控制和數(shù)據(jù)緩存。本發(fā)明滿足了對MHz數(shù)量級(jí)高頻信號(hào)的采集，對傳能過程的電壓、電流以及功率進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測，可將采樣到的信號(hào)特性發(fā)送到上位機(jī)，便于遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)觀察與分析，本發(fā)明是高速列車無線供電技術(shù)發(fā)展過程中必不可少的應(yīng)用平臺(tái)。
【背景技術(shù)】
[0004]隨著第二次工業(yè)革命的到來我們進(jìn)入了電氣化的時(shí)代。全球各地的用電設(shè)備、高壓線、電網(wǎng)、電線等電能的傳送主要通過金屬的導(dǎo)線直接接觸式的傳輸。這種接觸式的傳輸方式逐漸有很多問題暴露出來，老化、摩擦、能量在傳輸?shù)倪^程中經(jīng)常出現(xiàn)火花，存在用電安全隱患以及影響用電設(shè)備的壽命。另外，傳統(tǒng)的有線供電方式已經(jīng)不能滿足時(shí)代的發(fā)展，不再滿足一些特殊應(yīng)用場合的需求，如水中、礦井和深海等。除此之外，植入人體內(nèi)的醫(yī)療產(chǎn)品等的供電也越來越顯現(xiàn)出缺陷。這些問題和不足，預(yù)示著一個(gè)無金屬線的無線供電模式的興起，即無線供電技術(shù)。無線供電的成功實(shí)現(xiàn)將使人類的生活發(fā)生歷史性的變化。早在19世紀(jì)中后期，無線電能傳輸?shù)母拍罹捅恢奶厮估岢?，并獲得了專利，為后來無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展繪制了美好的藍(lán)圖和奠定了一定的研究基礎(chǔ)。
[0005]國內(nèi)以及國外的尚速鐵路在建設(shè)中和運(yùn)營中的經(jīng)驗(yàn)表明了尚速鐵路具有五大特點(diǎn):高穩(wěn)定性、高可靠性、高安全性、高平順性、高精確度等。處理好受電弓與接觸網(wǎng)之間的關(guān)系，解決高速下列車穩(wěn)定受流，是保證“五高特點(diǎn)”能夠?qū)崿F(xiàn)的必要途徑。高鐵列車在高速運(yùn)行狀態(tài)下，摩擦、離線、振動(dòng)、打弧和自然環(huán)境等等都會(huì)給弓網(wǎng)關(guān)系帶來問題。這些問題的存在，顯而易見是制約高鐵列車迅速發(fā)展的瓶頸。為解決這些問題，可以利用無線電能傳輸技術(shù)向尚鐵列車提供穩(wěn)定、可靠的電能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明是應(yīng)用于高速列車無線供電模型中的高頻信號(hào)采集系統(tǒng)，其采用高速AD控制器嵌入FPGA架構(gòu)，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)對外接AD控制器的FIFO管理控制和數(shù)據(jù)緩存。本發(fā)明體積小，性能好，對傳能過程的電壓、電流以及功率進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測，可將采樣到的信號(hào)特性發(fā)送到上位機(jī)，便于遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)觀察與分析，同時(shí)更有利于對動(dòng)態(tài)傳能系統(tǒng)進(jìn)行檢測與分析。在高速列車負(fù)載波動(dòng)的情況下對功率進(jìn)行補(bǔ)償控制，使無線供電型高速列車運(yùn)行更加穩(wěn)定、可靠。
[0007]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:用于高速列車無線供電技術(shù)的高頻信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)置有高頻逆變電源(I)，能量發(fā)送線圈(2)，能量接收線圈(3)，整流濾波部分(4)，列車模型
(5)，ARM和FPGA采集部分(6)，無線信號(hào)通信裝置藍(lán)牙模塊(7)，DSP控制器部分(8)。
[0008]所述的高頻逆變電源(I)先是整流部分用二極管將交流電變?yōu)橹绷麟?，同時(shí)濾波電路串聯(lián)在整流電路用以消除高次諧波，輸出恒定電壓的直流電；再將直流電轉(zhuǎn)換為適應(yīng)負(fù)載功率要求的交變電流，輸出電壓的大小取決于控制器的PWM輸出。
[0009]所述的能量發(fā)送線圈(2)由外加絕緣層的金屬導(dǎo)體組成，懸空架設(shè)于機(jī)車的頂部，其諧振頻率與電源頻率保持一致，以保證較低的反射系數(shù)，用于發(fā)射斬波功率振蕩電路產(chǎn)生的交變電磁場。
[0010]所述的能量接收線圈(3)由多匝金屬導(dǎo)體繞制成的線圈組成，安裝在機(jī)車的正上方，接收線圈在制作時(shí)就考慮了電源的頻率，制作出的接收線圈與電源頻率保持一致，以保證接收線圈在運(yùn)行中保持諧振狀態(tài)，以通過諧振耦合的方式實(shí)現(xiàn)能量的高效傳遞。
[0011]所述的整流濾波部分(4)由橋式整流電路、濾波電路、斬波電路組成，其中橋式整流電路將線圈獲得的交流電整流成直流電，濾波電路消除電路中的高次諧波，隨后斬波電路將濾波后的直流電轉(zhuǎn)變成恒定輸出電壓的直流電，進(jìn)而也可將直流電調(diào)制能所需頻率的交流電。
[0012]所述的列車模型(5)是2*5m的沙盤，列車長度約70cm，能量的發(fā)送線圈沿軌道懸空架設(shè)于車身之上，接收線圈在車身頂部，能量從上往下傳遞。
[0013]所述的ARM和FPGA采集部分(6)將被測模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，在對數(shù)字量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，最后完成按鍵處理、液晶屏上的波形與數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)的無線通信等。
[0014]所述的無線信號(hào)通信裝置藍(lán)牙模塊(7)，其適用于10米內(nèi)的無線數(shù)據(jù)傳輸中，采用RS232/UART接口，串口波特率，可以實(shí)現(xiàn)I對I或者I對多的數(shù)據(jù)傳輸。本發(fā)明中此藍(lán)牙用于示波器與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。
[0015]所述的DSP控制器(8)模塊作為最終的中央處理器，控制著高頻逆變電源的輸出，直接決定了高速列車的運(yùn)行速度。
[0016]應(yīng)用本發(fā)明使無線供電型高速列車運(yùn)行平穩(wěn)，受流質(zhì)量得到很大提升，為無線供電型高速列車的發(fā)展奠定了技術(shù)保障，本發(fā)明應(yīng)用前景廣闊，意義非凡。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明的整體功能框圖；
[0018]圖2是本發(fā)明中高頻逆變電源部分工作過程圖；
[0019]圖3是本發(fā)明中無線供電型高速列車供電端與機(jī)車接收端位置圖；
[0020]圖4是本發(fā)明未應(yīng)用高頻信號(hào)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的結(jié)果圖；
[0021]圖5是本發(fā)明應(yīng)用高頻信號(hào)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的恒功控制結(jié)果圖；
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合圖2、圖3、圖4說明本發(fā)明的實(shí)施例。
[0023]如圖2所示為高頻逆變電源⑴的工作過程。高頻逆變電源⑴采用數(shù)字化高頻電源，控制器(9)應(yīng)用DSP和FPGA配套使用，DSP選用的是TI公司的TMS320LF2407A，F(xiàn)PGA選用的是ALTERA公司的EPM570F100C5N?？刂破?9)主要用于采集斬波調(diào)功(11)后的直流電壓值(14)和高頻逆變(12)后的高頻電流值(15)。高頻逆變電源(I)設(shè)置有觸摸屏，可對電源進(jìn)行參數(shù)的選定，主要用于設(shè)定電源的輸出功率和實(shí)現(xiàn)最大效率的電源輸出諧振頻率。其中通過PWM(16)控制斬波調(diào)功的功率值，即為電源的輸出功率值；通過PWM(17)控制高頻逆變部分的全橋逆變電路，使電源輸出達(dá)到諧振狀態(tài)，以致效率最高。觸摸屏還可以實(shí)時(shí)顯示直流電壓值(14)和高頻電流值(15)，觸摸屏與控制器(13)之間應(yīng)用的是485通信。這樣，實(shí)時(shí)采集到直流電壓值(14)和高頻電流值(15)與觸摸屏上輸出的設(shè)定值進(jìn)行比較，用控制器(9)輸出PffM(16)、PffM(17)對系統(tǒng)進(jìn)行誤差調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)達(dá)到平衡。
[0024]如圖3所示為本發(fā)明的供受電結(jié)構(gòu)位置圖。高頻逆變電源(I)的輸出直接連接到懸空架設(shè)在列車(5)之上的發(fā)送線圈(2)，發(fā)送線圈(2)布滿整個(gè)列車軌道(18)。接收線圈
(3)設(shè)置在列車(5)頂部，隨列車(5) —直處在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。發(fā)送線圈(2)與接收線圈(3)之間有大約ICm的距離。在發(fā)送線圈(2)上方以及接收線圈(3)下方設(shè)置有屏蔽層(19)，首先能減少磁場的丟失提高了傳能效率，其次能保證列車(9)內(nèi)乘客不被高頻磁場的干擾。本發(fā)明采用發(fā)送線圈(2)特定距離內(nèi)的分時(shí)供電，這樣列車達(dá)到哪段線圈立即開啟此段線圈的輸出同時(shí)將關(guān)斷前一段線圈的輸出，起到提高傳能效率的作用。
[0025]如圖4所示為本發(fā)明未應(yīng)用高頻信號(hào)采集系統(tǒng)結(jié)果圖，如圖5所示為本發(fā)明應(yīng)用高頻信號(hào)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的恒功控制結(jié)果圖。波形顯示清晰，穩(wěn)定，參數(shù)測量精度高，完全達(dá)到采集高頻信號(hào)的設(shè)計(jì)要求。應(yīng)用此方案對無線供電高速列車的一次側(cè)、二次側(cè)高頻信號(hào)進(jìn)行測試，其中平路、上坡、下坡三個(gè)位置的信號(hào)波形如圖4，應(yīng)用了功率補(bǔ)償閉環(huán)控制方案后的信號(hào)波形如圖5。結(jié)果表明，在高速列車無線供電系統(tǒng)中應(yīng)用ARM+FPGA架構(gòu)的高頻信號(hào)采集方案，一次側(cè)隨二次側(cè)負(fù)載變化進(jìn)行了良好的功率補(bǔ)償。將此ARM+FPGA架構(gòu)的方案應(yīng)用到數(shù)字化頻率追蹤中相比于硬件的頻率追蹤方案將具有良好實(shí)時(shí)性與穩(wěn)定性，所采用的資源少，減少了成本和體積，跟蹤速度快，跟蹤頻率準(zhǔn)確，抗干擾能力強(qiáng)，此方案為頻率追蹤軟件實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)保障。設(shè)計(jì)應(yīng)用前景廣闊，意義非凡。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.本發(fā)明是應(yīng)用于高速列車無線供電模型中的高頻信號(hào)采集系統(tǒng)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述應(yīng)用于高速列車無線供電模型中的高頻信號(hào)采集系統(tǒng)，其特征還在于供電端沿軌道懸空架設(shè)于列車之上，受電端安裝于列車頂部，能量通過空間磁場傳遞。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述應(yīng)用于高速列車無線供電模型中的高頻信號(hào)采集系統(tǒng)，其特征還在于代替了受電弓與接觸網(wǎng)滑動(dòng)取電的傳統(tǒng)方式，允許存在幾厘米的工作間隙，提高了絕緣強(qiáng)度，避免了弓網(wǎng)電弧頻繁出現(xiàn)及高速移動(dòng)時(shí)材料磨損等諸多問題。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述應(yīng)用于高速列車無線供電模型中的高頻信號(hào)采集系統(tǒng)，其特征還在于在高速列車負(fù)載波動(dòng)的情況下對功率進(jìn)行補(bǔ)償控制，使無線供電型高速列車運(yùn)行更加穩(wěn)定、可靠。
【專利摘要】本發(fā)明是應(yīng)用于高速列車無線供電模型中的高頻信號(hào)采集系統(tǒng)，其采用高速AD控制器嵌入FPGA架構(gòu)，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)對外接AD控制器的FIFO管理控制和數(shù)據(jù)緩存。本發(fā)明體積小，性能好，對傳能過程的電壓、電流以及功率進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測，可將采樣到的信號(hào)特性發(fā)送到上位機(jī)，便于遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)觀察與分析，同時(shí)更有利于對動(dòng)態(tài)傳能系統(tǒng)進(jìn)行檢測與分析。在高速列車負(fù)載波動(dòng)的情況下對功率進(jìn)行補(bǔ)償控制，使無線供電型高速列車運(yùn)行更加穩(wěn)定、可靠。
【IPC分類】H02J17/00, H02J13/00, G05B19/05
【公開號(hào)】CN105141040
【申請?zhí)枴緾N201510653962
【發(fā)明人】李連鶴, 張欣, 蘇杭, 祝麗花, 楊洋, 張獻(xiàn), 吳曉康
【申請人】天津工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年10月9日