基于调压和移相控制的宽耦合无人机无线电能传输系统的制作方法

本发明涉及无线电能传输，尤其涉及基于调压和移相控制的宽耦合无人机无线电能传输系统。

背景技术：

1、wpt技术是人们近一百年从始至终追求的技术，并且已经涉及到电路学、自动控制学、医疗学等许多学科领域。无线电能技术已经成功地使电源与负载端之间的电气隔离，它具有高安全性、高可靠性和高灵活性。随着无人机技术的不断成熟，新型无人机的应用不断涌现，无人机固有的空中能力得到进一步扩展，无人机技术的应用领域有农业、土地或基础设施测量、摄影和应急行动。无人机的一个重要新兴应用是按需运输货物和服务。无人机可以提供按需、快速、方便地获取城市或附近地区的商品和物品，包括消费品、快餐、药品、杂货等。

2、在无人机巡检上，续航时间短一直是掣肘其应用的重要因素。由于电力供应往往和电池重量成正比，机身轻量化和增强续航时间往往无法兼顾。将无线电能传输技术应用到无人机充电技术上，研究设计可用于无人机自主续航的无线供电系统，有望突破无人机续航时间短的局限，也将为无线输电技术在无人机充电续航方面的应用提供新的思路和方法。

3、然而在实际的应用中，由于设备定位精度限制，接收线圈常常会和发射线圈产生位置偏移，尤其在无人机降落过程中还易受到地面乱流、风偏等因素影响，导致定位偏移更为严重，影响无线充电的稳定性。因此，设计一种具有宽耦合范围的无人机无线充电系统具有很高的必要性。

技术实现思路

1、本发明提供基于调压和移相控制的宽耦合无人机无线电能传输系统，解决的技术问题在于：如何在无人机发生偏移时实现稳定的输出。

2、为解决以上技术问题，本发明提供基于调压和移相控制的宽耦合无人机无线电能传输系统，包括电能传输电路和控制电路，所述电能传输电路包括顺序连接的直流电源udc、高频逆变器、磁耦合网络、整流器和无人机电池，其特征在于：

3、所述控制电路包括连接在所述输入电源与所述高频逆变器之间的输入电压切换电路，连接所述输入电压切换电路和所述输入电压检测电路的原边控制器，连接所述原边控制器和所述高频逆变器的pwm控制电路，以及连接所述原边控制器的原边无线通信模块；

4、所述控制电路还包括连接所述无人机电池的输出电压检测电路，连接所述输出电压检测电路的副边控制器，以及连接所述副边控制器的副边无线通信模块；

5、所述输入电压切换电路用于在所述原边控制器的控制下切换所述输入电压切换电路的输出电压即所述高频逆变器的输入电压uin为一预设梯度电压；所述输出电压检测电路用于检测所述无人机电池的电压ul发送至所述副边控制器并通过所述副边无线通信模块与所述原边无线通信模块构成的无线信号传输通道发送至所述原边控制器；

6、所述原边控制器用于根据电压uin、电压ul进行调压和移相控制，具体为：所述原边控制器判断到若ul未达到预设电压uls，则控制所述pwm控制电路调节所述高频逆变器的移相角，若进一步ul仍未达到预设电压uls，则控制所述输入电压切换电路切换uin至更高的预设梯度电压，然后进入下一轮的调压和移相控制。

7、优选地，所述输入电压切换电路通过对所述直流电源udc进行分压实现切换输入至所述高频逆变器的电压为任一预设梯度电压，预设梯度电压包括由低至高的第一预设梯度电压u1至第n预设梯度电压un，n≥2。

8、优选地，所述原边控制器判断到若进一步该电压仍未达到预设电压，则控制所述输入电压切换电路切换至比当前所述高频逆变器的输入电压更高的预设梯度电压，具体为：

9、所述原边控制器计算此时ul与uls的△u，并判断：

10、若是△u小于第一预设电压差值，则控制所述输入电压切换电路切换至比当前所述高频逆变器的输入电压高一级的预设梯度电压，且控制所述pwm控制电路输出的移相角δ为π；

11、若是△u在第一预设电压差值和第二预设电压差值之间，则控制所述输入电压切换电路切换至比当前所述高频逆变器的输入电压高二级的预设梯度电压，且控制所述pwm控制电路输出的移相角δ为π/2；

12、若是△u大于第二预设电压差值，则断开电路连接，停止向副边发射电能。

13、优选地，第一预设梯度电压u1至第n预设梯度电压un的设置规则为：

14、第一预设梯度电压u1为耦合机构未偏移时输出预设电压uls的标准电压；

15、第n预设梯度电压un为耦合机构发生可允许的最大偏移时通过所述pwm控制电路的调节能够输出预设电压uls的最小电压值。

16、优选地，n值根据下式确定：

17、

18、表示向上取整。

19、优选地，第一预设梯度电压u1至第n预设梯度电压un之间的第n预设梯度电压un按照下式设置：

20、

21、优选地，所述控制电路还包括连接所述高频逆变器的输出端和所述原边控制器的交流输出电压电流检测电路，所述交流输出电压电流检测电路用于检测所述高频逆变器的输出电压uin和输出电流it发送至所述原边控制器；

22、所述控制电路还包括连接所述无人机电池的输出电流检测电路，所述输出电流检测电路用于检测所述无人机电池的电流il并发送至所述副边控制器，所述副边控制器进一步将电流il发送至所述原边控制器；

23、所述原边控制器将udc、uls以及每一采样时刻的电压uin、uin、il、uout、δ、it上传至上位机。

24、优选地，所述原边控制器通过控制切换输出引脚输出高低电平控制输入电压切换电路的切换；控制切换输出引脚设置有n个，所述输入电压切换电路设置为：当第i个控制切换输出引脚输出低电平或低电平时，所述输入电压切换电路输出第i阶预设梯度电压，i＝1,…,n。

25、优选地，所述输入电压切换电路包括由稳压管和电阻组成的分压电路和连接在所述分压电路与所述原边控制器之间的隔离电路，所述分压电路用于将直流电源udc按照第一预设梯度电压u1至第n预设梯度电压un进行分压；所述隔离电路用于将所述分压电路与所述原边控制器的m个控制切换输出引脚进行隔离，当第i个控制切换输出引脚输出低电平时，与该引脚连接的光耦不导通，当第i个控制切换输出引脚输出高电平时，与该引脚连接的光耦导通。

26、优选地，所述原边控制器还用于在所述输入电压切换电路输出在一预设梯度电压时，检测电压ul若出现过冲电压或过冲电流，则控制所述输入电压切换电路切换至更低一阶的预设梯度电压，所述pwm控制电路重新调节所述高频逆变器的移相角使ul稳定在预设电压uls，若电压ul仍出现过冲电压或过冲电流，则控制所述输入电压切换电路切换至更低一阶的预设梯度电压，如此循环，直至电压ul没有过冲电压或过冲电流。

27、本发明提供的基于调压和移相控制的宽耦合无人机无线电能传输系统，通过设置输入电压切换电路、pwm控制电路、原边控制器，输入电压切换电路在原边控制器的控制下对输入至高频逆变器的直流电压进行增大或减小，pwm控制电路控制高频逆变器的移相角控制无人机电池的电压在当前输入电压切换电路的输出电压下稳定在预设电压uls，在系统发生偏移时，通过检测无人机电池的电压，若在pwm控制电路的控制下，无人机电池的电压始终无法达到预设电压uls，则控制输入电压切换电路向电压更高的预设梯度电压切换，从而使得该系统在一定偏移程度下，仍能稳定地进行功率传输。