一种无线充电高频电流采样系统及其采样方法
阅读说明：本技术 一种无线充电高频电流采样系统及其采样方法 (Wireless charging high-frequency current sampling system and sampling method thereof ) 是由 宋凯 张子明 姜金海 梁策 张航 逯仁贵 朱春波 于 2020-07-13 设计创作，主要内容包括：本发明是一种无线充电高频电流采样系统及其采样方法。本发明属于无线电能传输技术领域,所述系统包括：DSP处理器、电流互感器、输入采集模块、偏置与信号放大模块和电压跟随模块；通过电流互感器采集电路中的高频交流电流,偏置与信号放大模块对输入信号进行放大,放大后的信号输入至电压跟随模块中,起到缓冲作用,将缓冲后的信号再次输入至输入采集电路中,由输入采集模块输入至DSP处理器中完成电流硬件采样；所述输入采集模块输出量输入至DSP处理器中的ADC模块进行电流采样,经电流采样处理后输入至DSP处理器中,进行高频电流采样。本专利提出的方法具有精度高、速度快、系统结构简单等优点。(The invention discloses a wireless charging high-frequency current sampling system and a sampling method thereof. The invention belongs to the technical field of wireless power transmission, and the system comprises: the device comprises a DSP (digital signal processor), a current transformer, an input acquisition module, a bias and signal amplification module and a voltage following module; the input signal is amplified by a bias and signal amplification module through high-frequency alternating current in a current transformer acquisition circuit, the amplified signal is input into a voltage following module to play a buffering role, the buffered signal is input into an input acquisition circuit again, and the buffered signal is input into a DSP (digital signal processor) by an input acquisition module to finish current hardware sampling; the output quantity of the input acquisition module is input to an ADC module in the DSP processor for current sampling, and the current is input to the DSP processor after current sampling processing for high-frequency current sampling. The method provided by the patent has the advantages of high precision, high speed, simple system structure and the like.)
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域，是一种无线充电高频电流采样系统及其采样方法。
背景技术
如今，无线充电技术发展迅速。无线充电技术使工作设备在移动时脱离了导线的束缚，避免了导线的发热、老化以及人们的意外触电等问题，不仅运行安全可靠，而且可以应用于许多受限于导线存在而无法实现电能传输的场合，如电动汽车、植入式医疗电子设备、工业机器人、水下探测设备、家用电子设备等。无线充电技术的出现给人们生产、生活带来了极大的便利。在无线充电技术领域，为了实现输出恒流控制，通常需要采集系统中的高频电流，将高频电流转化为有效值电压后输入至MCU中进行后续的控制。由此可知，高频电流的采集时间影响MCU的分析速度，从而影响输出恒流的响应时间，使得响应时间变长而无法满足相应技术要求。如何缩短输出高频电流有效值的采集时间，一直是行业研究的问题。然而在传统技术中，要想保证较快的采集速度，会增加总体设计的复杂度，并且需要高昂的成本。
现有技术公开了一种高频电流局部放电信号采集传感器，可以采集微小信号的高频电流局部放电信号，在线圈上感应出电压电流，电压电流经过电阻将电流转换为电压。该装置的运算处理量较大，采样时间较长，采集速度慢。
现有技术公开了一种无刷电机高频电流采集模块，该专利采用散热装置将采集高频电流时产生的大量热量有效地散失，从而保护元器件，但这种方法并未考虑高频电流的采集速度以及采集精度。实际上该专利高频电流的采集速度较慢而且采集精度一般。
发明内容
本发明为实现快速高频电流采样，本发明提供了一种无线充电高频电流采样系统及其采样方法，本发明提供了以下技术方案：
一种无线充电高频电流采样系统，所述系统包括：DSP处理器、电流互感器、输入采集模块、偏置与信号放大模块和电压跟随模块；
所述DSP处理器控制信号数据信号输入端连接输入采集模块数据信号输出端，所述电流互感器数据信号输出端连接输入采集模块数据信号输入端，所述输入采集模块控制信号输出端连接偏置与信号放大模块的控制信号输入端，所述偏置与信号放大模块控制信号输出端连接电压跟随模块的控制信号输入端，所述电压跟随模块的数据信号输出端连接输入采集模块。
优选地，所述电压跟随模块采用OPA340,所述偏置与信号放大模块采用INA128。
一种无线充电高频电流采样方法，包括以下步骤：
步骤1：通过电流互感器采集电路中的交流电流，经过输入采集模块进行限幅和低通滤波后输入至偏置与信号放大模块；
步骤2：偏置与信号放大模块对输入信号进行放大，放大后输入至电压跟随模块进行信号调理；
步骤3：将采集信号再次输入至输入采集电路中，由输入采集模块输入至DSP处理器中完成电流硬件采样；
步骤4：所述输入采集模块输出量输入至DSP处理器中的ADC模块进行电流采样，经电流采样处理后输入至DSP处理器中，进行输出恒流控制。
优选地，对采集到的电流进行区间断点，起始采集点为α,终止采集点为b，对采集到的输入电流进行n等分，确定步长h，节点xk，均值均匀***节点xk+1/2，节点xk相应的正弦函数值f(xk)和均值均匀***节点xk+1/2相应的正弦函数值f(xk+1/2)，k＝1,2,…n-1；
确定各节点正弦函数值f(xk)的和记为sum1；将均值均匀***节点正弦函数值f(xk+1/2)求和记为sum2；采用复化辛普森算法计算出积分值S，通过下式表示积分值S:
其中，f(α)为起始采集点函数，f(b)为终止采集点函数；
根据积分值S获取幅值电压Um，通过下式求解幅值电压Um：
其中，T为采样周期，f为频率，t为时间；
根据幅值电压确定采集到的电流，完成电流采样。
优选地，采样延时控制在0.25周期内。
本发明具有以下有益效果：
本由于正弦量半周期绝对值的积分正比于幅值Um，所以正弦量任意半周期的积分值都可以代表当前正弦量完整周期的有效值。本发明使用采样电路及算法可实现快于单信号周期的采样速度，保证系统实现单信号周期控制。对比传统的多周期采样造成的相应速度慢，而完整周期采样造成的运算量大系统复杂不易实现等问题，本专利提出的方法具有精度高、速度快、系统结构简单等优点。
附图说明
图1为无线充电高频电流采样系统结构图；
图2为输入采集模块原理图；
图3为偏置与信号放大模块原理图；
图4为电压跟随模块原理图；
图5为无线充电系统高频电流采样方法流程图；
图6为发射端线圈电流采样效果图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
具体实施例一：
根据图1至图4所示，本发明提供一种无线充电高频电流采样系统及其采样方法，具体为：
本发明提供一种无线充电高频电流采样系统，所述系统包括：DSP处理器、电流互感器、输入采集模块、偏置与信号放大模块和电压跟随模块；
所述DSP处理器控制信号数据信号输入端连接输入采集模块数据信号输出端，所述电流互感器数据信号输出端连接输入采集模块数据信号输入端，所述输入采集模块控制信号输出端连接偏置与信号放大模块的控制信号输入端，所述偏置与信号放大模块控制信号输出端连接电压跟随模块的控制信号输入端，所述电压跟随模块的数据信号输出端连接输入采集模块。
所述电压跟随模块采用OPA340,所述偏置与信号放大模块采用INA128。
如图2所示，电流互感器采集电流量输入采集输入端口，输入量经开关二极管D1，D2构成限幅电路，将输入信号钳位；电阻R1与电容C1构成第一低通滤波电路，其截止频率fc满足如下关系式：
滤波输出信号Vf连接偏置与信号放大模块和电压跟随模块。采集输出端J1经电阻R2后与电压跟随模块输出端CHN相连；J1处与DSP中的ADC模块相连。
上述R1与C1构成的第一低通滤波电路滤波范围主要是信号中的三次以上谐波，其滤波截至频率设置为三倍基频，所以不会造成过大的信号延迟。
如图3所示，偏置与信号放大模块的核心是由U1、U2、U3构成的三运放高速放大器。当RN1＝RN2，RN3＝RN4，RN5＝RN6时，三运放高速放大器的放大倍数G满足如下关系式：
所述的偏执与信号放大模块可将采集到的高频交流信号调理至DSP芯片可采集的电压范围，由于采用高速运算放大器芯片，可保证信号调理电路的输出信号相对于输入信号具有较小的延迟。
如图4所示，电压跟随模块中，主要由运算放大器U4构成电压跟随电路，其作用是驱动DSP中的ADC模块；开关二极管D3，D4，电阻R5与电容C2构成限幅电路和第二低通滤波电路，其基本原理与输入采集模块中的电路原理相同；电压跟随模块的输出端CHN串接输入采集模块的电阻R2后，与采集输出端J1相连输入DSP中的ADC模块中。
根据图5所示，本发明提供一种无线充电高频电流采样方法，包括以下步骤：
步骤1：通过电流互感器采集电路中的交流电流，经过输入采集模块进行限幅和低通滤波后输入至偏置与信号放大模块；
步骤2：偏置与信号放大模块对输入信号进行放大，放大后输入至电压跟随模块进行信号调理；
步骤3：将采集信号再次输入至输入采集电路中，由输入采集模块输入至DSP处理器中完成电流硬件采样；
步骤4：所述输入采集模块输出量输入至DSP处理器中的ADC模块进行电流采样，经电流采样处理后输入至DSP处理器中，进行输出恒流控制。
对采集到的电流进行区间断点，起始采集点为α,终止采集点为b，对采集到的输入电流进行n等分，确定步长h，节点xk，均值均匀***节点xk+1/2，节点xk相应的正弦函数值f(xk)和均值均匀***节点xk+1/2相应的正弦函数值f(xk+1/2)，k＝1,2,…n-1；
确定各节点正弦函数值f(xk)的和记为sum1；将均值均匀***节点正弦函数值f(xk+1/2)求和记为sum2；采用复化辛普森算法计算出积分值S，通过下式表示积分值S:
其中，f(α)为起始采集点函数，f(b)为终止采集点函数；
根据积分值S获取幅值电压Um，通过下式求解幅值电压Um：
其中，T为采样周期，f为频率，t为时间；
根据幅值电压确定采集到的电流，完成恒流采样。
具体实施例二：
DSP采样算法使用半周期积分算法，其基本原理为：正弦量在任意半个周期内绝对值的积分为一个常数S，S与积分的起点初相角α无关，且其绝对值的积分正比于幅值Um。依据此原理，即可实现对输入信号的快速有效值计算，速度达到输入信号的二分之一周期。
半周期采样的具体原理为：
半周期积分算法可用下式表示：
由于采样值求和代替积分，所以也带来误差，此时K(α)随α值而变化。当一个周期内采样点数不变时，此K(α)的值只与α有关。使用梯形算法近似求积分公式为：
式中u'k为***的值，对于纯净的正弦信号，此种算法可以比较准确地求出***值，从而减小误差，对于一些近似正弦的信号，该算法也能提高计算精度。kp为常数，整体运行速度较快。
用复化辛普森算法代替梯形算法计算积分，则有：
式中：m为1/4个周期的采样点数。梯形算法具有一次代数精度，而复化辛普森算法至少有三次的代数精度。因此，用复化辛普森算法可提高算法精度，减小误差。同时，辛普森算法的运算量极小，处理速度快速。
使用均值均匀***N/2个u'k加以改进，辛普森算法的代数精度至少为3次，经过插值改进后其精度达到了4次，并且运算量并没有加很多，因此处理速度依然快速。
如图6所示为本具体实施例发射端线圈电流采样效果图。原信号和采样信号的效果如图所示，核心部分使用C语言完成。从图中可以看出，本发明装置的采样信号可以准确反映实际正弦电流信号，且采样延时控制在0.25周期内，有利于动态响应能力。
以上所述仅是一种无线充电高频电流采样系统及其采样方法的优选实施方式，一种无线充电高频电流采样系统及其采样方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。