CN101557227A - 用于非接触电能传输的自适应谐振控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于非接触电能传输的自适应谐振控制方法，该方法通过对非接触电能传输系统逆变机构的输出电压、电流的检测和计算得到相位差，输入到PI调节器和振荡环节对逆变器的驱动频率进行调整，经过一段暂态过程后，使得逆变输出电压、电流的相位差为零，从而实现电路的自适应谐振控制。本发明只需对逆变机构的输出电压和电流进行检测，保证了系统接收和发送机构的可分离性，并且自适应谐振控制功能全部由硬件电路实现，不需要复杂的控制算法；不仅对负载变化具有自适应控制能力，而且对逆变输出后的所有元器件参数的变化都具有调节作用，保证系统始终工作在谐振状态，使输出功率和传输效率达到最大值，促进非接触电能传输技术的实用化进程。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，涉及到非接触电能传输系统，特别涉及一种用于非接触电能传输的自适应谐振控制方法。
背景技术
在科技查新所查的文献范围内，国内只有两篇文献探讨了非接触电能传输系统中谐振控制方面的问题。文献《非接触电能传输系统恒流控制策略》提出了利用分段控制方法来调节控制脉冲的移相角，解决多负载切换过程中原边回路的电流变化问题，但此控制方法复杂，文中没能给出实验分析，也没能解决系统如何获得最大传输功率和最大传输效率的问题；文献《非接触电能传输系统的频率稳定性研究》提出了利用相控电感的动态调谐方式实时调节原边回路的等效固有谐振频率，从而保证系统工作谐振频率的稳定，以实现最大功率传输，但相控电感的控制算法过于复杂，此篇文献中也没能对其进行实验研究，并且只能在确定了负载变化范围后才能设计出使系统固有谐振频率保持稳定的调谐电路。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于非接触电能传输的自适应谐振控制方法，解决因补偿电容的不同和负载的改变，使谐振电路的固有谐振频率发生偏移，导致传输功率和传输效率迅速降低等问题。
为了实现上述任务，本发明采取的技术解决方案如下：
该方法通过对非接触电能传输系统逆变机构的输出电压、电流的检测和计算得到相位差，输入到PI调节器和振荡环节对逆变器的驱动频率进行调整，经过一段暂态过程后，使得逆变输出电压、电流的相位差为零，从而实现电路的自适应谐振控制。
该控制系统主要由检测电路、相位补偿环节、鉴相器PD、环路滤波器LPF、PI调节器、压控振荡器VCO和驱动电路组成。检测电路检测得到非接触电能传输系统中感应耦合器原边电流，输入到相位补偿环节得到对检测电路造成的延时进行补偿后的原边电流信号，该原边电流信号与驱动电路发出的驱动信号同时输入鉴相器PD，鉴相器PD得到与两输入信号的相位差
对应的误差电压Ud(t)，经过环路滤波器LPF、PI调节器后得到变化的输出电压Ue(t)，输入到压控振荡器VCO；压控振荡器VCO的振荡频率随输入电压的变化而变化，并将频率变化信号提供给驱动电路，形成相应频率的驱动信号。经过一段暂态过程后，逆变器输出电压与原边输入电流的相位差为零，电路达到新的谐振状态。
本发明的有益效果是只需对逆变机构的输出电压和电流进行检测，保证了系统接收和发送机构的可分离性，并且自适应谐振控制功能全部由硬件电路实现，不需要复杂的控制算法。该技术不仅对负载变化具有自适应控制能力，而且对逆变输出后的所有元器件参数的变化都具有调节作用，从而保证系统始终工作在谐振状态，使输出功率和传输效率达到最大值，这对非接触电能传输技术的实际应用具有重要的意义。
附图说明
图1是基于锁相环的非接触电能传输系统的自适应谐振控制原理图。
图2是基于MATLAB/SIMULINK的系统仿真模型图。
图3是补偿电容和负载电阻变化时逆变输出的电压电流波形图。
图4是补偿电容和负载电阻变化时逆变输出的电压电流波形扩展图。
图5是自适应控制环节开锁与闭锁情况下的电压电流波形图。
图6是补偿电容分别变为0.2μF和0.1μF时的电压电流波形图。
图7是负载分别变为5Ω和35Ω时的电压电流波形图。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
如图1所示为，图为基于锁相环的非接触电能传输系统的自适应谐振控制原理图。检测电路对原边线圈的电流信号进行检测并转换为符合控制电路标准的输入信号；相位补偿环节用于补偿检测电路造成的时间延迟；鉴相器将检测出的电流信号相位与压控振荡器输出信号的相位进行比较，产生对应于两信号相位差的误差电压Ud(t)；环路滤波器，一方面利用自身的低通特性，滤除误差电压Ud(t)中的高频成分和噪声，以保证环路所要求的性能，增加系统的稳定性；另一方面利用滤波电容的充放电，使压控振荡器VCO的输入电压发生变化，进而改变VCO的振荡频率；PI调节器，使控制系统具有良好的动态稳定性和较小的稳态误差；压控振荡器VCO的输出频率随PI调节器的输出电压Ue(t)的变化而变化。
逆变器工作在谐振状态时，谐振电路的电压与电流同相位，鉴相环输入为零，PI调节器的输出不变，压控振荡器振荡频率保持不变。当负载或其他环节发生变化时，将导致电压与电流相位差发生变化。此时，鉴相器将输入相位差θ转变为对应的误差电压Ud(t)，经过滤波环节和PI调节器后得到变化的输出电压Ue(t)，压控振荡器的振荡频率随输入电压的变化而变化，并将频率变化信号提供给驱动环节形成相应频率的驱动信号。经过一段暂态过程后，输入电压与电流的相位差为零，电路达到新的谐振状态。
根据上述分析，用MATLAB/SIMULINK搭建了仿真系统，如图2所示，仿真系统由桥式逆变电路、感应耦合器、单相桥式整流电路和基于锁相环的自适应谐振控制环节构成。
设定直流输入电压15V，锁相环中心频率30kHz，仿真时间为4ms。在2ms时，电阻负载从60Ω跳变到120Ω，为了验证反馈系统对负载外的其它参数的自适应能力，将串联补偿电容也从0.2μF跳变到1.2μF，得到逆变输出电压、电流波形如图3。图4为电压和电流波形的局部扩展图。由图可知，采用自适应谐振控制可以很好的实现逆变输出电压电流同相位的目的，它不仅对负载变化具有控制能力，而且对逆变输出部分所有元器件参数的变化具有调节能力，从而保证系统始终工作在谐振状态下，使输出功率和传输效率达到最大值。
根据上面的仿真系统搭建了实验平台，图5是补偿电容0.247μF，负载电阻为10Ω时，自适应控制环节开锁与闭锁情况下的电压、电流波形，频率分别为92.2kHz和56.4kHz；图6是负载电阻为10Ω，补偿电容变为0.2μF和0.1μF时，系统自适应调整后的耦合器输入电压、电流波形，入锁频率分别为62.5kHz和89.0kHz；图7是补偿电容为0.247μF，负载电阻分别变为5Ω和35Ω时，系统自适应调整后的耦合器输入电压、电流波形，入锁频率分别为55.8kHz和58.0kHz。从图中可以看出，在没有自适应谐振控制环节的情况下，随着补偿电容或负载等参数的改变，电压与电流会出现明显的相位差，使输入侧功率因数降低，原边输入电流下降，输出功率下降；在自适应谐振控制环节加入后，控制系统能够对补偿电容和负载参数的变化进行自适应调节，保证电压与电流相位差为零，系统工作在谐振状态下，使输入电流在频率轴上始终为最大值，也给逆变机构提供软开关的条件，保证系统始终具有最大的传输功率和传输效率，这对非接触电能传输技术的实际应用具有重要的意义。
Claims (1)
1.一种用于非接触电能传输的自适应谐振控制方法，其特征在于：
控制系统包括检测电路、相位补偿环节、鉴相器PD、环路滤波器LPF、PI调节器、压控振荡器VCO和驱动电路；检测电路检测得到非接触电能传输系统中感应耦合器原边电流，输入到相位补偿环节得到对检测电路造成的延时进行补偿后的原边电流信号，该原边电流信号与驱动电路发出的驱动信号同时输入鉴相器PD，鉴相器PD得到与两输入信号的相位差θ对应的误差电压Ud(t)，经过环路滤波器LPF、PI调节器后得到变化的输出电压Ue(t)，输入到压控振荡器VCO；压控振荡器VCO的振荡频率随输入电压的变化而变化，并将频率变化信号提供给驱动电路，形成相应频率的驱动信号；经过一段暂态过程后，逆变器输出电压与原边输入电流的相位差为零，电路达到新的谐振状态。
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