CN105720701A - 感应耦合式无线能量传输系统及其自抗扰控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种感应耦合式无线能量传输装置及其自抗扰控制方法，装置包括整流单元、发射端逆变单元、发射端谐振单元、电流检测单元、自抗扰控制单元、接收端谐振单元，利用广义状态空间平均法，对感应耦合式无线能量传输装置建立小信号模型用以描述装置内部暂态变化过程，在小信号模型基础上，利用自抗扰控制理论设计应耦合式无线能量传输装置的自抗扰控制单元，实现自抗扰控制单元对因反射电压扰动引起的线圈电流变化的有效抑制，进而实现装置发射端电流高速稳定的控制，并有效弥补因装置参数变化而导致的性能差异，保证整个装置系统具有优良的动态过程和很强的鲁棒性，且不需要接收端与发射端之间的通信。

Description

感应耦合式无线能量传输系统及其自抗扰控制方法

技术领域

本发明涉及一种感应耦合式无线能量传输装置及其自抗扰控制方法，属于无线电能传输技术领域。

背景技术

为了进行无功补偿和增强能量传输效率，感应耦合式无线能量传输系统中一般都会利用由多个储能元件构成的谐振网络之间的耦合来进行能量传输，并且系统在不同的工作状态下会表现出不同的动力学行为，因此感应耦合式无线能量传输系统不可避免的成为一个典型的高阶非线性系统，其数学模型也只能通过一定程度的近似来得到。同时，感应耦合式无线能量传输系统的传输特性与负载状况，谐振频率偏移程度等多种因素密切相关。在感应耦合式无线能量传输系统的应用场景中，接收负载位置不一定是固定的，数量可以是一个或多个，而且可以随时切入和切出系统，具有很强的不确定性。发射和接收谐振网络也可能元器件的因为老化和坏损，导致其谐振频率偏移系统设定的工作频率，而系统的传输性能又对频率偏移非常敏感。因此在大多数情况下，感应耦合式无线能量传输系统都需要根据系统模型及负载特性设计快速有效的控制器，保证系统能够在稳态下工作并具有一定的鲁棒性。

专利1：磁耦合谐振式无线电能传输系统及其双侧自调谐方法，申请号201510777765.0，该发明提供一种磁耦合谐振式无线电能传输系统及其双侧自调谐方法，该系统通过在发射回路中增加一个阻抗调节网络来实现发射回路自动调谐，而无需在接收回路额外增加阻抗调节网络，仅通过调节发射端电源工作频率来间接实现接收回路自动调谐。

专利2：一种磁谐振无线电能传输系统及其阻抗匹配方法，申请号201510390662.9，该发明提供一种磁谐振无线电能传输系统及其阻抗匹配方法，利用自动阻抗匹配模块及阻抗匹配算法，通过控制电机控制器调节匹配网络中的可变电抗元件实现阻抗匹配，解决了磁谐振无线输电系统中随着接收端与发射端相对位置改变导致传输性能急剧降低的问题。

上述专利虽然利用不同的控制器或控制策略，实现系统的稳态运行，但都需要通过调节发射端阻抗来满足发射端与接收端的谐振阻抗匹配，对于发射端的装置不仅成本提高，体积也增大，并且专利1还需要从接收端反馈信息，增加了发射端和接收端通信的难度。在一般的感应耦合式无线能量传输系统设计过程中，设计者都会忽略其动态特性而直接只根据负载模型进行设计。虽然只考虑系统的稳态特性可以简化设计过程，但是已经不能完全满足目前越来越广泛的应用场景。例如，在对高速行进中的车辆进行动态充电的系统中，由于车辆行进速度很快，其运行在某个充电模块作用范围内的时间窗口极其短，这就需要高速稳定的控制器使得充电模块可以在很短的时间内形成稳定的充电磁场。在植入式设备的应用中，由于人的运动会导致发射与接收线圈之间的相对距离变化而引发负载突变，若没有动态性能稳定的控制器对发射装置进行实时调节，由此导致的超调和振荡等问题可能会使设备损坏，甚至发生危险。

发明内容

本发明针对现有技术所存在的问题，提出了一种感应耦合式无线能量传输装置及其自抗扰控制方法。主要目的是利用广义状态空间平均法，对感应耦合式无线能量传输装置建立小信号模型，用以描述装置内部暂态变化过程并向自抗扰控制设计提供参考；在感应耦合式无线能量传输装置的广义状态空间平均模型基础上，利用自抗扰控制理论设计应耦合式无线能量传输装置的自抗扰控制单元，实现自抗扰控制单元对装置发射端电流高速稳定的控制，同时实现自抗扰控制单元对因反射电压扰动引起的线圈电流变化的有效抑制，并有效弥补因装置参数变化而导致的性能差异，保证整个装置系统具有优良的动态过程和很强的鲁棒性，而且不需要接收端与发射端之间的通信。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提出一种感应耦合式无线能量传输装置及其自抗扰控制方法，其特征在于，包括整流单元、发射端逆变单元、发射端谐振单元、电流检测单元、自抗扰控制单元、接收端谐振单元；

自抗扰控制单元包括扩张状态观测器、扰动补偿单元、反馈控制单元组成，装置发射端谐振电流i_track经过电流检测单元转化为相应检测电压信号V_track输入给自抗扰控制单元，自抗扰控制单元采用自抗扰控制算法控制发射端逆变单元；

交流电源与整流单元相连接，整流单元输出稳定直流电压并于发射端逆变单元连接，发射端逆变单元与发射端谐振单元连接并提供能量输入，发射端谐振单元通过发射线圈L_T与接收线圈L_r的耦合谐振向接收端谐振单元传输能量，接收端谐振单元接收能量并向负载阻抗R_L供电。

本发明提出一种感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，所述发射端谐振单元为LC串联谐振网络，包括发射线圈L_T、发射补偿电容C_T、发射线圈电阻R_T。

本发明提出一种感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，所述接收端谐振单元包括接收线圈L_r、接收端补偿单元、负载阻抗R_L。

本发明提出一种感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，感应耦合式无线能量传输装置的自抗扰控制的实现步骤如下：

步骤A：电流检测单元对发射端谐振单元中的谐振电流进行检测，得到的相应信号输入给自抗扰控制单元中的扩张状态观测器；

步骤B：将接收端谐振单元接收端线圈L_r在发射端线圈L_T上形成的反射感应电压V₂视为一个需要抑制的扰动进而简化装置模型，然后利用广义状态平均法对所述感应耦合式无线能量传输装置建立广义状态平均模型，得到的广义状态平均模型状态方程如公式(1)所示，对应谐振电流有效值的小信号表达式如公式(2)所示：

其中，表示简化模型中高频逆变单元的交流输出电压源V₁，经过小信号分解即得到的交流输出电压的小信号分量，V_1,ss即为交流输出电压的稳态分量，和分别表示V_2re和V_2im同样经过小信号分解得到的小信号分量，而V_2re和V_2im为接收谐振单元在发射端产生感应电压矢量的实部和虚部，即θ为发射端交流输出电压与发射线圈上感应电压的相位差，L、C分别为发射线圈电感与其补偿电容，R为交流输出电压源与谐振网络中电阻成分的总和，ω为谐振频率，是广义状态平均模型中的广义状态变量，分别为发射线圈L上电流实部和虚部的小信号分量，分别为发射补偿电容C上电压实部和虚部的小信号分量，

其中表示谐振电流有效值的小信号分量，x_1,ss、x_2,ss分别表示广义状态变量x₁＝i_L1re(t)、x₂＝i_L1im(t)经过小信号分解得到的稳态分量，即

步骤C：扩张状态观测器根据公式(2)表示的谐振电流小信号模型，令并将公式(1)带入公式(2)，得到对谐振电流有效值控制方程如公式(3)所示：

其中表示除与控制输入量V₁有关项以外的部分，扩张状态观测器将其视为扰动，

扩张状态观测器再对谐振电流有效值控制参数即公式(3)建立二阶扩张状态观测器，以便获得接收端负载变化量，如公式(4)所示：

其中表示谐振电流有效值的小信号分量，z₁、z₂为自抗扰控制中对原装置的广义状态平均模型中的状态变量的扩张状态变量，β₁、β₂为可调参数，

步骤D：本发明中的扰动补偿单元利用公式(4)和拉普拉斯变换，得到公式(4)对应的传递函数形式如公式(5)所示：

将扩张状态观测器观测计算出接收端的扰动估计值作为补偿量带入到本发明控制器的传递函数中如公式(6)所示：

其中表示输入控制量即发射端逆变单元交流输出电压

步骤E：反馈控制单元根据系统反馈值为采用比例调节作为误差反馈控制，反馈控制单元将控制信号输入给发射端逆变单元，并控制其内部开关器件动作调节输出交流电压进而消除接收端谐振单元扰动对谐振电流的影响，保持谐振电流的稳定。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

本发明的一个效果在于，利用广义状态空间平均法，对感应耦合式无线能量传输装置建立小信号模型，对装置内部暂态变化过程进行更为准确的描述。

本发明的一个效果在于，利用自抗扰控制理论设计应耦合式无线能量传输装置的自抗扰控制单元，实现自抗扰控制单元对因反射电压扰动引起的线圈电流变化的有效抑制，进而实现装置发射端电流高速稳定的控制。

本发明的一个效果在于，利用自抗扰控制理论设计应耦合式无线能量传输装置的自抗扰控制单元，有效弥补因装置参数变化而导致的性能差异，保证整个装置系统具有优良的动态过程和很强的鲁棒性而且不需要接收端与发射端之间的通信，具有很高的实用价值。

附图说明

图1是本发明中感应耦合式无线能量传输装置的自抗扰控制方法的结构框图；

图2是本发明中感应耦合式无线能量传输装置在自抗扰控制下的结构简化图；

图3是本发明中感应耦合式无线能量传输装置的自抗扰控制的控制框图；

图4是无自抗扰控制的感应耦合式无线能量传输装置在不同工作状态下的开环幅频特性图；

图5是本发明中自抗扰控制的感应耦合式无线能量传输装置在不同工作状态下的开环幅频特性图；

图6是本发明中自抗扰控制的感应耦合式无线能量传输装置在不同工作状态下的闭环幅频特性图；

附图中，各标号所代表的部件：1、交流电源2、整流单元3、发射端逆变单元4、发射端端谐振单元5、发射线圈6、发射补偿电容7、发射线圈电阻8、电流检测单元9、自抗扰控制单元10、扩张状态观测器11、扰动补偿单元12、反馈控制单元13、接收端谐振单元14、接收线圈15、接收端补偿单元16、负载阻抗

附图中，图4、图5、图6中的曲线1、2、3、4都分别代表系统的四个工作状态，即曲线1表示系统工作在谐振频率的状态1，曲线2表示系统接收端发射电压发生变化的状态2，曲线3表示系统工作频率比谐振频率低10％的状态3，曲线4表示系统工作频率比谐振频率高15％的状态4。

具体实施方式

实施例：

一种感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，包括整流单元、发射端逆变单元、发射端谐振单元、电流检测单元、自抗扰控制单元、接收端谐振单元；

自抗扰控制单元包括扩张状态观测器、扰动补偿单元、反馈控制单元组成，装置发射端谐振电流经过电流检测单元转化为相应检测电压信号输入给自抗扰控制单元，自抗扰控制单元采用自抗扰控制算法控制发射端逆变单元；

交流电源与整流单元相连接，整流单元输出稳定直流电压并于发射端逆变单元连接，发射端逆变单元与发射端谐振单元连接并提供能量输入，发射端谐振单元通过发射线圈与接收线圈的耦合谐振向接收端谐振单元传输能量，接收端谐振单元接收能量并向负载阻抗供电。

一种感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，所述发射端谐振单元为LC串联谐振网络，包括发射线圈发射补偿电容发射线圈电阻

一种感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，所述接收端谐振单元包括接收线圈接收端补偿单元、负载阻抗

一种感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，感应耦合式无线能量传输装置的自抗扰控制的实现步骤如下：

步骤A：电流检测单元对发射端谐振单元中的谐振电流进行检测，得到的相应信号输入给自抗扰控制单元中的扩张状态观测器；

步骤B：将接收端谐振单元接收端线圈在发射端线圈上形成的反射感应电压视为一个需要抑制的扰动进而简化装置模型，简化模型如图2所示，然后利用广义状态平均法对所述感应耦合式无线能量传输装置建立广义状态平均模型，得到的广义状态平均模型状态方程如公式(1)所示，对应谐振电流有效值的小信号表达式如公式(2)所示：

其中，表示简化模型中高频逆变单元的交流输出电压源经过小信号分解即得到的交流输出电压的小信号分量，即为交流输出电压的稳态分量，和分别表示和同样经过小信号分解得到的小信号分量，而和为接收谐振单元在发射端产生感应电压矢量的实部和虚部，即为发射端交流输出电压与发射线圈上感应电压的相位差，分别为发射线圈电感与其补偿电容，为交流输出电压源与谐振网络中电阻成分的总和，为谐振频率，是广义状态平均模型中的广义状态变量，分别为发射线圈上电流实部和虚部的小信号分量，分别为发射补偿电容上电压实部和虚部的小信号分量，

其中表示谐振电流有效值的小信号分量，分别表示广义状态变量经过小信号分解得到的稳态分量，即

步骤C：扩张状态观测器根据公式(2)表示的谐振电流小信号模型，令并将公式(1)带入公式(2)，得到对谐振电流有效值控制方程如公式(3)所示：

其中表示除与控制输入量有关项以外的部分，扩张状态观测器将其视为扰动，

扩张状态观测器再对谐振电流有效值控制参数即公式(3)建立二阶扩张状态观测器，以便获得接收端负载变化量，如公式(4)所示：

其中表示谐振电流有效值的小信号分量，为自抗扰控制中对原装置的广义状态平均模型中的状态变量的扩张状态变量，为可调参数，

步骤D：本发明中的扰动补偿单元利用公式(4)和拉普拉斯变换，得到公式(4)对应的传递函数形式如公式(5)所示：

将扩张状态观测器观测计算出接收端的扰动估计值作为补偿量带入到本发明控制器的传递函数中如公式(6)所示：

其中表示输入控制量即发射端逆变单元交流输出电压

步骤E：反馈控制单元根据系统反馈值为采用比例调节作为误差反馈控制，反馈控制单元将控制信号输入给发射端逆变单元，并控制其内部开关器件动作调节输出交流电压进而消除接收端谐振单元扰动对谐振电流的影响，保持谐振电流的稳定。

感应耦合式无线能量传输装置的自抗扰控制框图如图3所示，其中

为系统中电源电压到谐振电流有效值的传递函数：

对本发明提出的一种感应耦合式无线能量传输装置的自抗扰控制方法进行仿真分析，设装置简化模型参数输入交流电压幅值反射电压谐振频率50kHz,计算得到模型中各变量的稳态分量为定义此时系统在状态1,假设发射端谐振网络参数保持不变，由于负载发生变化使得发射额电压改变为 定义此时系统在状态2,当模型参数变化为 交流输入电压频率保持50kHz不变，此时由于模型参数变化装置工作频率偏离谐振频率点，系统谐振频率高于工作频率的10％，定义此时系统在状态3,当模型参数变化为交流输入电压频率保持50kHz不变，此时由于模型参数变化装置工作频率偏离谐振频率点，系统谐振频率低于工作频率的15％，定义此时系统在状态4；

根据以上四组模型参数，得到自抗扰控制的感应耦合式无线能量传输装置在四个不同工作状态下的开环幅频特性和闭环幅频特性分别如图5和图6所示，并与不利用自抗扰控制的感应耦合式无线能量传输装置在四个不同工作状态下的开环幅频特性作比较，无自抗扰控制的系统开环幅频特性如图4所示；

如图4所示，根据工作状态与系统谐振频率的偏移程度，谐振网络的增益会有很大的不同，系统工作频率谐振频率偏移程度越高，开关增益衰减程度越高，频率偏移会严重影响系统的动态性能；而采用自抗扰控制的感应耦合式无线能量传输装置，可以有效提升系统环路增益，同时不论系统是否工作在谐振状态，其开环幅频曲线基本重合，如图5所示，说明自抗扰控制单元还可以有效弥补因系统参数变化而导致的性能差异，具有很强的鲁棒性；从图6中也可得出，采用自抗扰控制的感应耦合式无线能量传输装置在不同的参数和状态下，闭环幅频特性曲线基本重合，说明整个系统在不同的参数条件下有基本相同的控制性能。

本发明的上述实施例可以看出，利用广义状态空间平均法，对感应耦合式无线能量传输装置建立的小信号模型，对装置内部暂态变化过程能进行更为准确的描述，并且利用自抗扰控制理论设计应耦合式无线能量传输装置的自抗扰控制单元，实现自抗扰控制单元对因反射电压扰动引起的线圈电流变化的有效抑制，进而实现装置发射端电流高速稳定的控制，并有效弥补因装置参数变化而导致的性能差异，保证整个装置系统具有优良的动态过程和很强的鲁棒性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，包括整流单元(2)、发射端逆变单元(3)、发射端谐振单元(4)、电流检测单元(9)、自抗扰控制单元(11)、接收端谐振单元(15)；

自抗扰控制单元(11)包括扩张状态观测器(12)、扰动补偿单元(13)、反馈控制单元(14)，装置发射端谐振电流i_track(8)经过电流检测单元(9)转化为相应检测电压信号V_track(10)输入给自抗扰控制单元(11)，自抗扰控制单元(11)采用自抗扰控制算法控制发射端逆变单元(3)；

交流电源(1)与整流单元(2)相连接，整流单元(2)输出稳定直流电压并于发射端逆变单元(3)连接，发射端逆变单元(3)与发射端谐振单元(4)连接并提供能量输入，发射端谐振单元(4)通过发射线圈L_T(5)与接收线圈L_r(16)的耦合谐振向接收端谐振单元(15)传输能量，接收端谐振单元(15)接收能量并向负载阻抗R_L(18)供电。

2.如权利要求1所述的一种感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，发射端谐振单元(4)为LC串联谐振网络，包括发射线圈L_T(5)、发射补偿电容C_T(6)、发射线圈电阻R_T(7)。

3.如权利要求1所述的一种感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，接收端谐振单元(15)包括接收线圈L_r(16)、接收端补偿单元(17)、负载阻抗R_L(18)。

4.一种感应耦合式无线能量传输装置的自抗扰控制方法，其特征在于，感应耦合式无线能量传输装置的自抗扰控制的实现步骤如下：

步骤A：电流检测单元(9)对发射端谐振单元(4)中的谐振电流i_track(8)进行检测，得到的相应检测电压信号V_track(10)输入给自抗扰控制单元(11)中的扩张状态观测器(12)；

步骤B：将接收端谐振单元(15)接收端线圈L_r(16)在发射端线圈L_T(5)上形成的反射感应电压V₂(23)视为一个需要抑制的扰动进而简化装置模型，然后利用广义状态平均法对所述感应耦合式无线能量传输装置建立广义状态平均模型，得到的广义状态平均模型状态方程如公式(1)所示，对应谐振电流有效值的小信号表达式如公式(2)所示：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{\tilde{x}}}_1\\ {\stackrel{\·}{\tilde{x}}}_2\\ {\stackrel{\·}{\tilde{x}}}_3\\ {\stackrel{\·}{\tilde{x}}}_4\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}-\frac{R}{L}& \mathrm{\ω}& -\frac{1}{L}& 0\\ -\mathrm{\ω}& -\frac{R}{L}& 0& -\frac{1}{L}\\ \frac{1}{C}& 0& 0& \mathrm{\ω}\\ 0& \frac{1}{C}& -\mathrm{\ω}& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\tilde{x}}_1\\ {\tilde{x}}_2\\ {\tilde{x}}_3\\ {\tilde{x}}_4\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}0& -\frac{1}{2L}& 0\\ -\frac{2}{\mathrm{\π}L}& 0& \frac{1}{2L}\\ 0& 0& 0\\ 0& 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\tilde{V}}_1\\ {\tilde{V}}_{2re}\\ {\tilde{V}}_{2im}\end{array}\right]---\left(1\right),$

${\tilde{I}}_{track}=\frac{\sqrt{2}{x}_{1,ss}}{\sqrt{x_{1,ss}^2+x_{2,ss}^2}}{\tilde{x}}_1+\frac{\sqrt{2}{x}_{2,ss}}{\sqrt{x_{1,ss}^2+x_{2,ss}^2}}{\tilde{x}}_2---\left(2\right);$

步骤C：扩张状态观测器(12)根据公式(2)表示的谐振电流有效值小信号模型，令并将公式(1)带入公式(2)，得到对谐振电流有效值控制方程如公式(3)所示：

$\stackrel{\·}{y}=f({\tilde{x}}_1,{\tilde{x}}_2,{\tilde{x}}_3,{\tilde{x}}_4,V_{2re},V_{2im},x_{1,ss},x_{2,ss})-\frac{2\sqrt{2}{x}_{2,ss}}{\mathrm{\π}L\sqrt{x_{1,ss}^2+x_{2,ss}^2}}{V}_1---\left(3\right)$

其中表示除与控制输入量V₁有关项以外的部分，扩张状态观测器(12)将其视为扰动，

扩张状态观测器(12)再对谐振电流有效值控制参数即公式(3)建立二阶扩张状态观测器(12)，以便获得接收端负载变化量，如公式(4)所示：

$\left\{\begin{array}{c}e=z_1-y\\ {\stackrel{\·}{z}}_1=z_2-{\mathrm{\β}}_{1}e+b_0{V}_1\\ {\stackrel{\·}{z}}_2=-{\mathrm{\β}}_{2}e\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中表示谐振电流有效值的小信号分量，z₁、z₂为自抗扰控制中对原装置的广义状态平均模型中的状态变量的扩张状态变量，β₁、β₂为可调参数， $b_0=-2\sqrt{2}{x}_{2,ss}/\left(\mathrm{\π}L\sqrt{x_{1,ss}^2+x_{2,ss}^2}\right);$

步骤D：本发明中的扰动补偿单元(13)利用公式(4)和拉普拉斯变换，得到公式(4)对应的传递函数形式如公式(5)所示：

$\begin{array}{c}{z}_1\left(s\right)=\frac{{\mathrm{s\β}}_1+{\mathrm{\β}}_2}{s^2+{\mathrm{s\β}}_1+{\mathrm{\β}}_2}Y\left(s\right)+\frac{b_{0}s}{s^2+{\mathrm{s\β}}_1+{\mathrm{\β}}_2}{V}_1\left(s\right)\\ z_2\left(s\right)=\frac{{\mathrm{s\β}}_2}{s^2+{\mathrm{s\β}}_1+{\mathrm{\β}}_2}Y\left(s\right)-\frac{b_0{\mathrm{\β}}_2}{s^2+{\mathrm{s\β}}_1+{\mathrm{\β}}_2}{V}_1\left(s\right)\end{array}---\left(5\right)$

将扩张状态观测器(12)观测计算出接收端的扰动估计值z₂(s)作为补偿量带入到本发明控制器的传递函数中如公式(6)所示：

$u\left(s\right)=\frac{u_0\left(s\right)-z_2\left(s\right)}{b_0}---\left(6\right)$

其中u(s)表示输入控制量即发射端逆变单元(3)交流输出电压V₁(s)；

步骤E：反馈控制单元(14)根据系统反馈值为z₁(s)，采用比例调节K作为误差反馈控制，反馈控制单元(14)将控制信号输入给发射端逆变单元(3)，并控制其内部开关器件动作调节输出交流电压V₁(19)，进而消除接收端谐振单元(15)扰动对谐振电流i_track(8)的影响，保持谐振电流i_track(8)的稳定。