非接触电能信号传输系统

1、非接触电能与信号传输系统北京恒泰万博石油科技有限公司行业背景 测量方法：根据弹性元件弹性元件在传递扭矩时所产生的物理参数的物理参数的变化变化来测量扭矩，如变形、应力、应变。 测量设备：应变式扭矩传感器扭矩的测量滑环 作用：为旋转的应变传感器提供电压，并将电桥中检测到的信号，传递到应变仪。 缺点： 限制了旋转轴转速 使用寿命有限 接触不可靠引起信号波动，导致测量误差大行业背景 旋转导向钻井系统： 在不旋转套筒上有电机泵和和井斜测试模块等需要供电。 钻铤即旋转主轴上有涡轮发电机。 接触式电能传输：滑环 安装不变 使用寿命低 存在摩擦、磨损 安全性、可靠性低 易受泥浆腐蚀滑环缺点非接触电能传输 传统

2、的电能传输： 通过电源与负载之间的导线直接接触进行,旋转时存在导体的摩擦和损耗,在油井场合下应用时,安全性和可靠性较低,容易受到井下钻井液的腐烛。 非接触感应电能传输 运用电磁感应原理进行电能传输 消除了物理连接所带来的安全隐患整体结构 涡轮发电机产生交流电 经过整流滤波和功率因数校正后变为较为平滑的直流电AC-DC 高频逆变电路将直流电转变为高频交流电 为可分离变压器的初级绕组供电，产生交变磁场DC-AC 次级绕组以非接触感应方式产生了感应电动势AC-AC 次级感应的交流电经过整流滤波后变为直流 最后经过稳压电路，为负载供电AC-DC整流滤波 将交流电变为较为平缓的直流电高频逆变采用基于谐振

3、变换技术的软开关软开关逆变电路功率开关管在零电压或零电流时导通或截止可分离变压器设计磁场仿真：使用ansys maxwell，对变压器的磁场进行仿真计算，设计合适的尺寸，选择合适的材料。磁感应强度的大小和方向实验结构设计电机联轴器滑环转子定子磁芯信号传输系统基于全数字锁相环的FSK信号传输系统信号传输系统结构框图二进制数字调制解调幅移键控(ASK)用基带数据信号控制载波的幅度频移键控(FSK)用基带数据信号控制载波的频率相移键控(PSK)用基带数据信号控制载波的相位幅移键控(ASK)10 1110 0载波信号载波信号2ASK信号信号S(t)bT频移键控(FSK)相移键控(PSK)三种调制方式2

4、FSK调制原理二进制频移键控（2FSK） 传送“1”码时送出一个频率f1 传送“0”码时送出另一个频率f2 调制信号为二进制2FSK调制原理电路： 使用全桥逆变电路，将DC变为AC 控制4个MOSFET管的通断频率，输出频率可变的FSK信号FSK解调原理A/D转换电路： 在解调前，利用迟滞比较器，将总线上的模拟信号变为数字信号。锁相环： 用于锁定输入频率，输出与输入信号频率相位相等或保持不变的信号。相位检测： 锁相环将相位锁定后，通过对相位进行采样、积分、比较，输出调制信号。AD转换电路利用迟滞电压比较器，将模拟信号变为数字信号锁相环（Phase locked loop） 定义： 将输入信号与

5、输出信号之间的相位差进行比较,通过产生的相位误差，调节输出信号的频率与相位,以达到输出信号对输入信号在相位与频率上的跟踪 锁相环系统是一个控制相位误差的反馈系统 当锁相环处于“锁定”状态时，输出信号与输入参考时钟的相位差为零或保持不变锁相环分类： 线性锁相环（LPLL): 由纯模拟器件构成 数字锁相环(DPLL) 部分模拟电路，部分数字电路 全数字锁相环（ADPLL） 完全由数字模块构成，其中不含任何诸如电阻电容之类的无源器件锁相环结构框图 组成： 鉴相器（Phase Detect） 环路滤波器（Loop Filter） 压控振荡器（VCO） 是一个闭环控制系统全数字锁相环（ADPLL）基于A

6、DPLL的FSK解调f=f_clock fout的占空比为50%ff_clock fout的占空比为大于50%ff_clock fout的占空比为小于50%通过检测占空比，即可解调FSK信号控制器-FPGA传统的 调制解调系统 采用复杂的硬件电路来实现 系统体积较大 可靠性不高且调试不便现场可编程门阵列（field programmable gate array） 小型化、多功能、低功耗、保密性好、多次编程 现场模拟和调试验证 真正达到自设计、自研制和自生产电路的目的FPGA 以硬件描述语言（Verilog或VHDL）所完成的电路设计可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至 FPGA 上进行测试，是现代 IC设计验证的技术主流。 可实现组合逻辑门电路（比如AND、