本技术涉及无线电能传输技术，尤其涉及一种全方位全姿态无线供电系统及其控制方法。
背景技术：
1、随着无线电能传输(wpt)技术的不断发展，无线充电为电动交通、机器人、医疗植入设备等领域注入了新的活力。然而，现有主流的wpt系统主要采用单接收线圈的方式对负载进行供电。这种供电方式需要保证该接收线圈与发射线圈球面呈切线状态的情况下才能满足最大传输效率，并且会因负载姿态改变而导致传输效率降低。所以目前主流的wpt系统具有一定的局限性，该局限性主要表现在对负载姿态要求高、发射装置性能要求高、供电传输效率低和不同方位供电大小不一致等方面。而现有的电子设备大多具有较高的便携性和自由度，传统主流的wpt系统已经无法满足市场需求。
2、为了提升无线充电的灵活性，部分研究人员通过使用射频技术在wpt系统中产生均匀的磁场，以同时为多个接收线圈提供电力，但这需要昂贵的射频功率放大器。也有部分研究人员提出了多个偶极子接收线圈，使得设备可以在二维平面上的任何位置自由充电。然而，这些方法都不适用于在三维空间中移动和旋转的设备。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明首先提供一种全方位全姿态无线供电系统，以提升现有无线供电系统的便捷性和灵活性。
2、为了实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
3、一种全方位全姿态无线供电系统，包括发射端和接收端，其关键在于，所述发射端包括三个同心设置且相互正交的发射线圈，每个发射线圈分别连接一个无线充电发射电路，所述接收端包括三个同心设置且相互正交的接收线圈，每个接收线圈分别连接一个无线充电接收电路后通过并网电路为负载供电。
4、可选地，所述发射线圈和所述接收线圈的绕线方式相同，同匝线圈按圆弧形绕制，相邻两匝线圈之间利用径向设置的过渡段连接，三个发射线圈和三个接收线圈分别利用各自的匝间间隙交错设置，每个发射线圈的内阻相同。
5、可选地，所述发射线圈和所述接收线圈采用励磁线绕制，且通过3d打印的亚克力支架固定。
6、可选地，所述无线充电发射电路包括直流电源、高频逆变器和原边谐振补偿电路，所述无线充电接收电路包括副边谐振补偿电路和整流滤波电路。
7、可选地，所述原边谐振补偿电路和所述副边谐振补偿电路均采用谐振电容串联补偿结构。
8、可选地，三个无线充电发射电路的高频逆变器共用一个直流电源。
9、可选地，三个无线充电发射电路的高频逆变器为全桥逆变电路且分别与控制器连接，所述控制器上配置有三组电流传感器和电压传感器，每一组电流传感器和电压传感器对应检测一个发射线圈的工作电流和工作电压，所述控制器根据每个发射线圈的工作电流和工作电压控制对应高频逆变器的pwm移相角度。
10、基于上述系统，本发明还提供一种全方位全姿态无线供电系统的控制方法，其关键在于：三个无线充电发射电路中的高频逆变器按照以下步骤进行控制：
11、s1：设定三个无线充电发射电路中的高频逆变器各自的pwm波相移角初始化为0，测量无线充电发射电路输出交流电压源的均方根值u0和系统内阻r0；
12、s2：监测三个无线充电发射电路三个发射线圈的初始电流，记为i1、i2、i3并判断各自初始电流是否发生变化，如果变化超出预设阈值，则进入步骤s3，否则持续监测；
13、s3：获取三个发射线圈相对稳定后的电流值并记为同时计算各自的电流变化值，并记为δi1、δi2、δi3；
14、s4：按照和计算中间变量m1、m2、m3和mb的值；其中：δi为δi1、δi2、δi3中的最大值；
15、s5：按照计算负载空间位置参数和θ；
16、s6：按照计算期望的pwm波偏移相角，其中，各个中间变量的计算方式为:
17、
18、其中，sgn()为符号函数；
19、s7：按照步骤s6计算所得的期望pwm波偏移相角分别控制三个无线充电发射电路中的高频逆变器，并返回步骤s2循环进行。
20、可选地，步骤s2中根据电流变化是否超出初始电流的5％来判定各自初始电流是否发生变化。
21、可选地，三个无线充电发射电路中的高频逆变器通过控制器执行步骤s1-步骤s7实现负载全方位全姿态最大传输效率跟踪控制。
22、可选地，本发明还提供一种全方位全姿态无线供电系统的控制方法，三个无线充电发射电路中的高频逆变器按照以下步骤进行控制：
23、s11：设置工作状态1，三个发射线圈独立工作，一个发射线圈工作时，其它两个发射线圈保持断开状态，分别测量每个发射线圈工作时对应的工作电流以及三个接收线圈的工作电流和接收电压对应为a、b、c三个接收线圈，i＝1,2,3对应为三个发射线圈，上标1表示系统工作状态1，即为系统工作状态1下第i个发射线圈的工作电流，即为系统工作状态1下第i个发射线圈独立工作时，第j个接收线圈的工作电流，即为系统工作状态1下第i个发射线圈独立工作时，第j个接收线圈的工作电压；
24、s12：按照计算单个接收线圈和发射线圈间的互感mij；其中，ω为谐振角频率，ra、rb、rc分别表示a、b、c三个接收线圈对应的无线充电接收电路中的接收端电路等效电阻；分别表示a,b,c三个接收线圈对应的无线充电接收电路中的负载等效电阻；xa、xb、xc分别表示a、b、c三个接收线圈对应的无线充电接收电路等效电抗；
25、s13:调用数学工具按照：
26、
27、求解函数取最大值情况下负载空间位置参数和θ的值；
28、s14：按照计算功率最大时各个发射线圈的最优电流，其中电流幅值u0为高频逆变器输出交流等效电压，vdc为三个无线充电发射电路中直流输入电压，r0为每个无线充电发射电路的等效电阻；
29、s15：按照计算功率最大时各个接收线圈的最优电流；
30、s16：按照计算功率最大时各个发射线圈期望的pwm波偏移相角；其中r1、r2、r3分别表示1，2，3三个发射线圈的等效电阻；rs1、rs2、rs3分别表示1，2，3三个发射线圈对应的无线充电发射电路中的等效电源内阻；
31、s17：控制器按照步骤s16计算所得的期望pwm波偏移相角分别控制三个无线充电发射电路中的高频逆变器实现最大传输功率控制。
32、本发明的显著效果是：
33、本技术提供的一种全方位全姿态无线供电系统及其控制方法，系统由球形空间内部的三组相互正交的发射线圈以及对应的电路组成，由于接收端也在球形空间内部设置有三组相互正交的接收线圈，所以无论负载姿态如何变化均不会出现接收线圈与发射线圈全部正交的情况。这种结构提高了wpt系统的无线供电效率，并且保证了负载在全姿态的情况下能够保证最大效率的能量传输。系统控制时，可以根据各个发射线圈电流变化情况判断发接收线圈在空间中的位置，再通过控制器改变发射互感线圈的移相参数来调整发射线圈的电流大小，使其电磁矢量始终对准接收线圈以完成全方位负载最大效率无线供电。
1.一种全方位全姿态无线供电系统，包括发射端和接收端，其特征在于，所述发射端包括三个同心设置且相互正交的发射线圈，每个发射线圈分别连接一个无线充电发射电路，所述接收端包括三个同心设置且相互正交的接收线圈，每个接收线圈分别连接一个无线充电接收电路后通过并网电路为负载供电。
2.根据权利要求1所述的全方位全姿态无线供电系统，其特征在于：所述发射线圈和所述接收线圈的绕线方式相同，同匝线圈按圆弧形绕制，相邻两匝线圈之间利用径向设置的过渡段连接，三个发射线圈和三个接收线圈分别利用各自的匝间间隙交错设置，每个发射线圈的内阻相同。
3.根据权利要求1或2所述的全方位全姿态无线供电系统，其特征在于：所述发射线圈和所述接收线圈采用励磁线绕制，且通过3d打印的亚克力支架固定。
4.根据权利要求1所述的全方位全姿态无线供电系统，其特征在于：所述无线充电发射电路包括直流电源、高频逆变器和原边谐振补偿电路，所述无线充电接收电路包括副边谐振补偿电路和整流滤波电路。
5.根据权利要求4所述的全方位全姿态无线供电系统，其特征在于：所述原边谐振补偿电路和所述副边谐振补偿电路均采用谐振电容串联补偿结构。
6.根据权利要求4或5所述的全方位全姿态无线供电系统，其特征在于：三个无线充电发射电路的高频逆变器为全桥逆变电路且分别与控制器连接，所述控制器上配置有三组电流传感器和电压传感器，每一组电流传感器和电压传感器对应检测一个发射线圈的工作电流和工作电压，所述控制器根据每个发射线圈的工作电流和工作电压控制对应高频逆变器的pwm移相角度。
7.一种如权利要求1-6任一所述的全方位全姿态无线供电系统的控制方法，其特征在于：三个无线充电发射电路中的高频逆变器按照以下步骤进行控制：
8.根据权利要求7所述的全方位全姿态无线供电系统的控制方法，其特征在于：步骤s02中根据电流变化是否超出初始电流的5％来判定各自初始电流是否发生变化。
9.根据权利要求7或8所述的全方位全姿态无线供电系统的控制方法，其特征在于：三个无线充电发射电路中的高频逆变器通过控制器执行步骤s1-步骤s07实现负载全方位全姿态最大传输效率跟踪控制。
10.一种如权利要求1-6任一所述的全方位全姿态无线供电系统的控制方法，其特征在于：三个无线充电发射电路中的高频逆变器按照以下步骤进行控制：
