本技術(shù)涉及無線電能傳輸技術(shù)，尤其涉及一種全方位全姿態(tài)無線供電系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)：

1、隨著無線電能傳輸(wpt)技術(shù)的不斷發(fā)展，無線充電為電動交通、機器人、醫(yī)療植入設(shè)備等領(lǐng)域注入了新的活力。然而，現(xiàn)有主流的wpt系統(tǒng)主要采用單接收線圈的方式對負載進行供電。這種供電方式需要保證該接收線圈與發(fā)射線圈球面呈切線狀態(tài)的情況下才能滿足最大傳輸效率，并且會因負載姿態(tài)改變而導致傳輸效率降低。所以目前主流的wpt系統(tǒng)具有一定的局限性，該局限性主要表現(xiàn)在對負載姿態(tài)要求高、發(fā)射裝置性能要求高、供電傳輸效率低和不同方位供電大小不一致等方面。而現(xiàn)有的電子設(shè)備大多具有較高的便攜性和自由度，傳統(tǒng)主流的wpt系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足市場需求。

2、為了提升無線充電的靈活性，部分研究人員通過使用射頻技術(shù)在wpt系統(tǒng)中產(chǎn)生均勻的磁場，以同時為多個接收線圈提供電力，但這需要昂貴的射頻功率放大器。也有部分研究人員提出了多個偶極子接收線圈，使得設(shè)備可以在二維平面上的任何位置自由充電。然而，這些方法都不適用于在三維空間中移動和旋轉(zhuǎn)的設(shè)備。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明首先提供一種全方位全姿態(tài)無線供電系統(tǒng)，以提升現(xiàn)有無線供電系統(tǒng)的便捷性和靈活性。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的具體技術(shù)方案如下：

3、一種全方位全姿態(tài)無線供電系統(tǒng)，包括發(fā)射端和接收端，其關(guān)鍵在于，所述發(fā)射端包括三個同心設(shè)置且相互正交的發(fā)射線圈，每個發(fā)射線圈分別連接一個無線充電發(fā)射電路，所述接收端包括三個同心設(shè)置且相互正交的接收線圈，每個接收線圈分別連接一個無線充電接收電路后通過并網(wǎng)電路為負載供電。

4、可選地，所述發(fā)射線圈和所述接收線圈的繞線方式相同，同匝線圈按圓弧形繞制，相鄰兩匝線圈之間利用徑向設(shè)置的過渡段連接，三個發(fā)射線圈和三個接收線圈分別利用各自的匝間間隙交錯設(shè)置，每個發(fā)射線圈的內(nèi)阻相同。

5、可選地，所述發(fā)射線圈和所述接收線圈采用勵磁線繞制，且通過3d打印的亞克力支架固定。

6、可選地，所述無線充電發(fā)射電路包括直流電源、高頻逆變器和原邊諧振補償電路，所述無線充電接收電路包括副邊諧振補償電路和整流濾波電路。

7、可選地，所述原邊諧振補償電路和所述副邊諧振補償電路均采用諧振電容串聯(lián)補償結(jié)構(gòu)。

8、可選地，三個無線充電發(fā)射電路的高頻逆變器共用一個直流電源。

9、可選地，三個無線充電發(fā)射電路的高頻逆變器為全橋逆變電路且分別與控制器連接，所述控制器上配置有三組電流傳感器和電壓傳感器，每一組電流傳感器和電壓傳感器對應(yīng)檢測一個發(fā)射線圈的工作電流和工作電壓，所述控制器根據(jù)每個發(fā)射線圈的工作電流和工作電壓控制對應(yīng)高頻逆變器的pwm移相角度。

10、基于上述系統(tǒng)，本發(fā)明還提供一種全方位全姿態(tài)無線供電系統(tǒng)的控制方法，其關(guān)鍵在于：三個無線充電發(fā)射電路中的高頻逆變器按照以下步驟進行控制：

11、s1：設(shè)定三個無線充電發(fā)射電路中的高頻逆變器各自的pwm波相移角初始化為0，測量無線充電發(fā)射電路輸出交流電壓源的均方根值u0和系統(tǒng)內(nèi)阻r0；

12、s2：監(jiān)測三個無線充電發(fā)射電路三個發(fā)射線圈的初始電流，記為i1、i2、i3并判斷各自初始電流是否發(fā)生變化，如果變化超出預設(shè)閾值，則進入步驟s3，否則持續(xù)監(jiān)測；

13、s3：獲取三個發(fā)射線圈相對穩(wěn)定后的電流值并記為同時計算各自的電流變化值，并記為δi1、δi2、δi3；

14、s4：按照和計算中間變量m1、m2、m3和mb的值；其中：δi為δi1、δi2、δi3中的最大值；

15、s5：按照計算負載空間位置參數(shù)和θ；

16、s6：按照計算期望的pwm波偏移相角，其中，各個中間變量的計算方式為:

17、

18、其中，sgn()為符號函數(shù)；

19、s7：按照步驟s6計算所得的期望pwm波偏移相角分別控制三個無線充電發(fā)射電路中的高頻逆變器，并返回步驟s2循環(huán)進行。

20、可選地，步驟s2中根據(jù)電流變化是否超出初始電流的5％來判定各自初始電流是否發(fā)生變化。

21、可選地，三個無線充電發(fā)射電路中的高頻逆變器通過控制器執(zhí)行步驟s1-步驟s7實現(xiàn)負載全方位全姿態(tài)最大傳輸效率跟蹤控制。

22、可選地，本發(fā)明還提供一種全方位全姿態(tài)無線供電系統(tǒng)的控制方法，三個無線充電發(fā)射電路中的高頻逆變器按照以下步驟進行控制：

23、s11：設(shè)置工作狀態(tài)1，三個發(fā)射線圈獨立工作，一個發(fā)射線圈工作時，其它兩個發(fā)射線圈保持斷開狀態(tài)，分別測量每個發(fā)射線圈工作時對應(yīng)的工作電流以及三個接收線圈的工作電流和接收電壓對應(yīng)為a、b、c三個接收線圈，i＝1,2,3對應(yīng)為三個發(fā)射線圈，上標1表示系統(tǒng)工作狀態(tài)1，即為系統(tǒng)工作狀態(tài)1下第i個發(fā)射線圈的工作電流，即為系統(tǒng)工作狀態(tài)1下第i個發(fā)射線圈獨立工作時，第j個接收線圈的工作電流，即為系統(tǒng)工作狀態(tài)1下第i個發(fā)射線圈獨立工作時，第j個接收線圈的工作電壓；

24、s12：按照計算單個接收線圈和發(fā)射線圈間的互感mij；其中，ω為諧振角頻率，ra、rb、rc分別表示a、b、c三個接收線圈對應(yīng)的無線充電接收電路中的接收端電路等效電阻；分別表示a,b,c三個接收線圈對應(yīng)的無線充電接收電路中的負載等效電阻；xa、xb、xc分別表示a、b、c三個接收線圈對應(yīng)的無線充電接收電路等效電抗；

25、s13:調(diào)用數(shù)學工具按照：

26、

27、求解函數(shù)取最大值情況下負載空間位置參數(shù)和θ的值；

28、s14：按照計算功率最大時各個發(fā)射線圈的最優(yōu)電流，其中電流幅值u0為高頻逆變器輸出交流等效電壓，vdc為三個無線充電發(fā)射電路中直流輸入電壓，r0為每個無線充電發(fā)射電路的等效電阻；

29、s15：按照計算功率最大時各個接收線圈的最優(yōu)電流；

30、s16：按照計算功率最大時各個發(fā)射線圈期望的pwm波偏移相角；其中r1、r2、r3分別表示1，2，3三個發(fā)射線圈的等效電阻；rs1、rs2、rs3分別表示1，2，3三個發(fā)射線圈對應(yīng)的無線充電發(fā)射電路中的等效電源內(nèi)阻；

31、s17：控制器按照步驟s16計算所得的期望pwm波偏移相角分別控制三個無線充電發(fā)射電路中的高頻逆變器實現(xiàn)最大傳輸功率控制。

32、本發(fā)明的顯著效果是：

33、本技術(shù)提供的一種全方位全姿態(tài)無線供電系統(tǒng)及其控制方法，系統(tǒng)由球形空間內(nèi)部的三組相互正交的發(fā)射線圈以及對應(yīng)的電路組成，由于接收端也在球形空間內(nèi)部設(shè)置有三組相互正交的接收線圈，所以無論負載姿態(tài)如何變化均不會出現(xiàn)接收線圈與發(fā)射線圈全部正交的情況。這種結(jié)構(gòu)提高了wpt系統(tǒng)的無線供電效率，并且保證了負載在全姿態(tài)的情況下能夠保證最大效率的能量傳輸。系統(tǒng)控制時，可以根據(jù)各個發(fā)射線圈電流變化情況判斷發(fā)接收線圈在空間中的位置，再通過控制器改變發(fā)射互感線圈的移相參數(shù)來調(diào)整發(fā)射線圈的電流大小，使其電磁矢量始終對準接收線圈以完成全方位負載最大效率無線供電。