CN109038860A - 一种wpt系统的pdm控制序列优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种WPT系统的PDM控制序列优化方法，包括应用了基于状态空间法的整流控制建模方法，建立谐振系统各模态的状态映射函数，然后通过改进的遗传算法，以接收端电流的总谐波畸变量最小作为控制目标，将MOSFET的驱动信号序列作为优化变量，以1/THD作为适应度函数值，并保持占空比不变，完成序列优化，提升了脉冲序列的均匀度并大大减少了低频振荡的幅度，最终使得脉冲簇发现象有所减弱，简化系统电路结构，提高传输效率。本发明算法计算便捷，可计算不同要求的占空比以满足序列要求，使输出波形更加稳定，谐波畸变率相对达到最小值，减小电磁干扰。
Description
技术领域
本发明实施例涉及电力系统及其自动化技术领域，尤其涉及一种WPT系统的PDM控制序列优化方法。
背景技术
磁耦合谐振式无线电能传输(MCRWPT)系统对各种干扰因素的反应敏感，特别是在实际中，外界环境的变化可能会引起电路参数改变，导致负载电压偏离额定值使负载无法正常工作，因此负载稳压控制具有非常重要的意义。
目前，国内外对于序列优化问题的研究尚未涉及到MCRWPT系统，主要集中在感应加热电源，其中对控制逆变电路的序列优化进行了研究。采用手动控制的优化序列并非最佳序列。
PDM控制方式为零电压电流通断，通断次数少，最多一个周期一次，因而能够很方便地用于实现负载稳压控制，但是存在输出电流波动较大的问题，为此提出本发明，可以通过PDM控制来优化MOSFET开关序列从而实现输出电流波形平稳且谐波畸变率小。
发明内容
为了克服现有技术方案的不足，本发明提供一种WPT系统的PDM控制序列优化方法，该方法应用了基于状态空间法的整流控制建模方法，建立谐振系统各模态的状态映射函数，然后通过改进的遗传算法，以接收端电流的总谐波畸变量最小作为控制目标，将MOSFET的驱动信号序列作为优化变量，以1/THD作为适应度函数值，并保持占空比不变，完成序列优化，能有效的解决背景技术提出的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种WPT系统的PDM控制序列优化方法，包括如下步骤：
步骤一、建立包括PDM控制模块、MAX17600驱动的MOSFET管以及供电电源模块的MCRWPT系统平台；
步骤二、以MOSFET管接收不同的驱动电压信号对PDM控制模块产生的模态分析，建立MCRWPT系统接收端电路在导通、短路与断流三种状态下的状态空间模型；
步骤三、应用同步开关映射法建立系统的时域模型，据此对稳态MCRWPT系统电路进行时域与谐波特性分析，完成序列优化。
进一步地，在步骤一中设置MCRWPT系统平台的设置的接收端与发射端采用直径为0.6m同轴等径空心铜管缠绕，PDM控制模块中的谐振电容采用具有高耐压和低接枝损耗的陶瓷板型电容，同时PDM控制模块还包括LM311比较器；
MOSFET驱动电源通过电源模块中的MORNSUN URB2415YMD-20W实现，其输入IN 9-39VDC，输出OUT 15VDC/1333mA，PDM控制模块中主要逻辑芯片以及比较器的电源通过供电电源模块的MORNSUN URA2405XD-10WR2实现，输入IN 9-36VDC，输出OUT VDC/1000mA，其中，+5V用于大多数逻辑芯片，±5V用于比较器中，其中供电电源模块还包括用于给单片机进行供电的LM78U03芯片。
进一步地，在步骤二中，以输入MOSFET开关的输入电压视为功率源，并将发射端电源等效为频率恒定、最大值为的正弦电源，其中MOSFET基极的驱动信号作为信号源，由于MOSFET和二极管工作在其特性曲线的大范围内，因此，将MCRWPT接收端电路作为是一个强非线性电路，将MOSFET和二极管作为理想开关处理，即忽略其导通压降和截止电流，并且假设控制脉冲序列为理想序列。
进一步地，MCRWPT系统接收端电路在导通、短路与断流三种状态分别为：
导通：MOSFET断路且接收端谐振回路电流大于零；
断路：MOSFET断路且接收端谐振回路电流小于零；
短路：MOSFET短路。
进一步地，依据基尔霍夫电压、电流定律下的三种状态的微分方程：
导通：
短路：
短路：
进一步地，在基于三种状态的微分方程下，设U＝[us 0 0 0 0]T为MCRWPT系统的接收端输入列向量，为由状态变量构成的列向量，A1，A2，A3分别为三种状态下的状态系数矩阵，B1，B2，B3分别为三种状态下的输入系数矩阵，则三种状态下的状态空间模型为：
上式中：
其中Δ＝M2-L1L2；
求上式中得到，从时刻t0开始的状态变量的解析解为：
进一步地，PDM控制序列优化的算法如下：
a)初始种群：随机生成含有100个序列的初始种群，且须保证每个序列中1或0的个数相等，基于序列循环而减少计算量的目的，将每个序列第一个序列值取为1，为此，设序列长度为l，其占空比为d，将序列补充为2l位且后l位和前l位序列值相同，在2l位序列中确定首个1所在的位置，从此序贯的l位即为所需的l位序列；
b)选择与变异：选择即是以谐波含量的倒数作为适应度；变异就是在每个周期中同时存在两个变异，即1变0和0变1；
c)交叉：要保证每个周期内1或0的个数一样，则任意选取l/2个序列值，若每个序列所选择的l/2个序列值含有1和0的个数一致，则交叉，否则，不予交叉。
进一步地，在步骤三的时域与谐波特性分析中以1/THD作为适度函数值，并保持MOSFET的占空比不变，其中THD为输出信号比输入信号多出的谐波成分的总谐波失真。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
可运用于存在大量的非线性环节的复杂MCRWPT系统，完成了序列优化，提升了脉冲序列的均匀度并大大减少了低频振荡的幅度，最终使得脉冲簇发现象有所减弱，简化系统电路结构，提高传输效率；算法计算便捷，可计算不同要求的占空比以满足序列要求，使输出波形更加稳定，谐波畸变率相对达到最小值，减小电磁干扰。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明的PDM控制序列优化流程图；
图2为本发明的PDM控制模块的控制方法原理图
图3为本发明的MCRWPT系统的PDM控制模块的电路图；
图4为本发明的MOSFET的驱动电路图；
图5为本发明的MOSFET驱动电路电源电路图；
图6为本发明的逻辑芯片以及比较器电路电源电路图；
图7为本发明的MCRWPT系统中的单片机电路电源电路图。
具体实施方式
为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种WPT系统的PDM控制序列优化方法，包括如下步骤：
步骤一、建立包括PDM控制模块、MAX17600驱动的MOSFET管以及供电电源模块的MCRWPT系统平台；
步骤二、以MOSFET管接收不同的驱动电压信号对PDM控制模块产生的模态分析，建立MCRWPT系统接收端电路在导通、短路与断流三种状态下的状态空间模型；
步骤三、应用同步开关映射法建立系统的时域模型，据此对稳态MCRWPT系统电路进行时域与谐波特性分析，完成序列优化。
在步骤一中设置MCRWPT系统平台的设置的接收端与发射端采用直径为0.6m同轴等径空心铜管缠绕，考虑到集肤效应，电流只在铜管表面，所以可以用表面积较大的空心铜管，同时考虑邻近效应，线圈之间要保持一定的间距，PDM控制模块中的谐振电容采用具有高耐压和低接枝损耗的陶瓷板型电容，同时PDM控制模块还包括LM311比较器，以避免死区和过电流保护；
MOSFET驱动电源通过电源模块中的MORNSUN URB2415YMD-20W实现，其输入IN 9-39VDC，输出OUT 15VDC/1333mA，PDM控制模块中主要逻辑芯片以及比较器的电源通过供电电源模块的MORNSUN URA2405XD-10WR2实现，输入IN 9-36VDC，输出OUT VDC/1000mA，其中，+5V用于大多数逻辑芯片，±5V用于比较器中，其中供电电源模块还包括用于给单片机进行供电的LM78U03芯片。
在步骤二中，以输入MOSFET开关的输入电压视为功率源，并将发射端电源等效为频率恒定、最大值为的正弦电源，避免了MOSFET管状态数量过多，其中MOSFET基极的驱动信号作为信号源，由于MOSFET和二极管工作在其特性曲线的大范围内，因此，将MCRWPT接收端电路作为是一个强非线性电路，将MOSFET和二极管作为理想开关处理，即忽略其导通压降和截止电流，并且假设控制脉冲序列为理想序列，因此发射端和接受端电流不会因控制脉冲序列而产生大的波动。
MCRWPT系统接收端电路在导通、短路与断流三种状态分别为：
导通：MOSFET断路且接收端谐振回路电流大于零；断路：MOSFET断路且接收端谐振回路电流小于零；短路：MOSFET短路。
依据基尔霍夫电压、电流定律下的三种状态的微分方程：
导通：
短路：
短路：
在基于三种状态的微分方程下，设U＝[us 0 0 0 0]T为MCRWPT系统的接收端输入列向量，为由状态变量构成的列向量，A1，A2，A3分别为三种状态下的状态系数矩阵，B1，B2，B3分别为三种状态下的输入系数矩阵，则三种状态下的状态空间模型为：
上式中：
其中Δ＝M2-L1L2；
求上式中得到，从时刻t0开始的状态变量的解析解为：
PDM控制序列优化的算法如下：
a)初始种群：随机生成含有100个序列的初始种群，且须保证每个序列中1或0的个数相等，基于序列循环而减少计算量的目的，将每个序列第一个序列值取为1，为此，设序列长度为l，其占空比为d，将序列补充为2l位且后l位和前l位序列值相同，在2l位序列中确定首个1所在的位置，从此序贯的l位即为所需的l位序列。
b)选择与变异：选择即是以谐波含量的倒数作为适应度；变异就是在每个周期中同时存在两个变异，即1变0和0变1。
c)交叉：要保证每个周期内1或0的个数一样，则任意选取l/2个序列值，若每个序列所选择的l/2个序列值含有1和0的个数一致，则交叉，否则，不予交叉。
在步骤三的时域与谐波特性分析中以1/THD作为适度函数值，并保持MOSFET的占空比不变，其中THD为输出信号比输入信号多出的谐波成分的总谐波失真。
进一步说明的是，本文需要优化的为二值化序列，因而在改进的遗传算法中无需编码和解码。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种WPT系统的PDM控制序列优化方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、建立包括PDM控制模块、MAX17600驱动的MOSFET管以及供电电源模块的MCRWPT系统平台；
步骤二、以MOSFET管接收不同的驱动电压信号对PDM控制模块产生的模态分析，建立MCRWPT系统接收端电路在导通、短路与断流三种状态下的状态空间模型；
步骤三、应用同步开关映射法建立系统的时域模型，据此对稳态MCRWPT系统电路进行时域与谐波特性分析，完成序列优化。
2.根据权利要求1所述的一种WPT系统的PDM控制序列优化方法，其特征在于：在步骤一中设置MCRWPT系统平台的设置的接收端与发射端采用直径为0.6m同轴等径空心铜管缠绕，PDM控制模块中的谐振电容采用具有高耐压和低接枝损耗的陶瓷板型电容，同时PDM控制模块还包括LM311比较器；
MOSFET驱动电源通过电源模块中的MORNSUN URB2415YMD-20W实现，其输入IN 9-39VDC，输出OUT 15VDC/1333mA，PDM控制模块中主要逻辑芯片以及比较器的电源通过供电电源模块的MORNSUN URA2405XD-10WR2实现，输入IN 9-36VDC，输出OUT VDC/1000mA，其中，+5V用于大多数逻辑芯片，±5V用于比较器中，其中供电电源模块还包括用于给单片机进行供电的LM78U03芯片。
3.根据权利要求1所述的一种WPT系统的PDM控制序列优化方法，其特征在于：在步骤二中，以输入MOSFET开关的输入电压视为功率源，并将发射端电源等效为频率恒定、最大值为的正弦电源，其中MOSFET基极的驱动信号作为信号源，由于MOSFET和二极管工作在其特性曲线的大范围内，因此，将MCRWPT接收端电路作为是一个强非线性电路，将MOSFET和二极管作为理想开关处理，即忽略其导通压降和截止电流，并且假设控制脉冲序列为理想序列。
4.根据权利要求3所述的一种WPT系统的PDM控制序列优化方法，其特征在于：MCRWPT系统接收端电路在导通、短路与断流三种状态分别为：
导通：MOSFET断路且接收端谐振回路电流大于零；
断路：MOSFET断路且接收端谐振回路电流小于零；
短路：MOSFET短路。
5.根据权利要求3所述的一种WPT系统的PDM控制序列优化方法，其特征在于：依据基尔霍夫电压、电流定律下的三种状态的微分方程：
导通：
短路：
短路：
6.根据权利要求4所述的一种WPT系统的PDM控制序列优化方法，其特征在于：在基于三种状态的微分方程下，设U＝[us 0 0 0 0]T为MCRWPT系统的接收端输入列向量，为由状态变量构成的列向量，A1，A2，A3分别为三种状态下的状态系数矩阵，B1，B2，B3分别为三种状态下的输入系数矩阵，则三种状态下的状态空间模型为：
上式中：
其中Δ＝M2-L1L2；
求上式中得到，从时刻t0开始的状态变量的解析解为：
7.根据权利要求1所述的一种WPT系统的PDM控制序列优化方法，其特征在于：PDM控制序列优化的算法如下：
a)初始种群：随机生成含有100个序列的初始种群，且须保证每个序列中1或0的个数相等，基于序列循环而减少计算量的目的，将每个序列第一个序列值取为1，为此，设序列长度为l，其占空比为d，将序列补充为2l位且后l位和前l位序列值相同，在2l位序列中确定首个1所在的位置，从此序贯的l位即为所需的l位序列；
b)选择与变异：选择即是以谐波含量的倒数作为适应度；变异就是在每个周期中同时存在两个变异，即1变0和0变1；
c)交叉：要保证每个周期内1或0的个数一样，则任意选取l/2个序列值，若每个序列所选择的l/2个序列值含有1和0的个数一致，则交叉，否则，不予交叉。
8.根据权利要求1所述的一种WPT系统的PDM控制序列优化方法，其特征在于：在步骤三的时域与谐波特性分析中以1/THD作为适度函数值，并保持MOSFET的占空比不变，其中THD为输出信号比输入信号多出的谐波成分的总谐波失真。
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