CN109391044A - 一种感应电能传输系统高效稳压综合控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种感应电能传输系统高效稳压综合控制方法，属于无线电能传输技术领域。该系统包括两个闭环回路，分别为最优效率跟踪控制回路和鲁棒恒压控制回路，所述最优效率跟踪控制回路，通过对系统电路建立交流阻抗模型计算出效率表达式，求得最优等效负载，在副边加入阻抗匹配网络，调节其变换器的占空比使得整流输出的等效电阻达到最优负载值实现最优效率跟踪。所述鲁棒恒压控制回路，通过建立系统的参数摄动模型，将负载采集电压与输入参考电压的差值送入鲁棒控制器，得到移相角控制原边的高频全桥逆变器实现恒压。有源阻抗匹配网络的最优效率跟踪控制和闭环的鲁棒控制，可以较好地满足系统的最优效率和输出恒定电压的多性能要求。

Description

一种感应电能传输系统高效稳压综合控制系统及方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，特别是一种感应电能传输系统高效稳压综合控制系统及方法。

背景技术

感应电能传输技术利用电磁耦合原理，高频逆变器通过初级线圈产生的高频交变电流在空间中产生高频交变磁场，拾取线圈在高频交变磁场中感应出高频交流电压，这样利用能量在磁场中的空间转移，实现能量的非接触传输。相比于传统的导线接触的供电模式，ICPT技术具有安全、便捷、易维护、环境适应力强等特点，满足某些特殊环境和特殊场合的需求。在电动汽车、轨道交通、家用电器、植入式医疗设备和便携消费电子设备以及可穿戴移动设备等方面得到广泛的应用和研究。

随着近年来电力电子技术的发展和半导体器件工艺的成熟，ICPT技术逐步从小功率的家具设备、医疗设备等应用拓展到中大功率的电动机车、轨道机车等应用。对于实际应用ICPT系统的设计和分析，通常需要该电路系统同时满足多个性能指标方面的要求，如输出功率、输出电压、系统效率、频率稳定性等。同时，ICPT特定的工作特性决定了其是一个参数易变的高阶非线性系统，因此，对于ICPT系统来说，还要保证系统在参数摄动下具有良好的抗干扰能力，以满足鲁棒性指标。

目前对ICPT系统的研究大都局限于实现单目标(如输出电压、频率跟踪、效率提升、功率均衡分配)控制，然而，由于ICPT系统是一个电磁混杂系统，涉及能量变换、高频变换、谐振耦合等多个环节，具有自治振荡、高阶、非线性、多模态及不确定性特性。随着系统的工作条件或环境的变化，系统元器件的老化或损坏，被控对象本身的特性会随之发生变化，从而偏离它本身的标称特性。系统参数如耦合系数、系统频率、谐振参数有时会随着磁路机构的随机相对位置的移动出现较大的波动，同时负载的切换也会极大的影响电能传输品质，引发传输功率和效率下降、元器件电压电流应力波动、强电磁干扰增加等问题。因此，对于这种高阶、系统多参数易变复杂系统，实现系统稳定输出、提升系统整体效率，并保证系统的鲁棒稳定特性是ICPT技术需要解决的关键技术指标。

发明内容

本发明的目的是要提供一种感应电能传输系统高效稳压综合控制系统及方法，对于高阶、系统多参数易变复杂系统，实现系统稳定输出、提升系统整体效率，保证系统的鲁棒稳定特性。

本发明的目的是这样实现的：感应电能传输系统高效稳压综合控制包括综合控制系统和综合控制方法。

感应电能传输系统包括：主电路和控制电路，控制电路连接在主电路的负载上；

所述的主电路为双LCL补偿感应电能传输系统，包括：直流电压源、高频逆变器、原边LCL谐振网络、副边LCL谐振网络、整流电路、滤波电容和BUCK-BOOST变换器及负载；直流电压源连接在高频逆变器的输入端，为高频逆变器提供电源；高频逆变器的输出端与原边LCL谐振网络输入端相连接，原边LCL谐振网络与副边LCL谐振网络相耦合，副边LCL谐振网络的输出端与整流电路的输入端相连接，整流电路的输出端连接有滤波电容和BUCK-BOOST变换器，BUCK-BOOST变换器的输出端连接有负载；

所述高频逆变器，由四个全控型开关管及其反并联二极管组成，为原边发射线圈提供高频电流从而产生高频磁场，原副边通过线圈耦合传输电能；所述原边LCL谐振网络包括：原边谐振电感L_r、原边谐振电容C_p以及原边发射线圈电感L_p；

所述副边LCL型谐振网络包括：副边接收线圈电感L_s、副边谐振电容C_s及副边谐振电感L₂；通过原边发射线圈L_p和副边接收线圈L_s之间的耦合，在副边接收线圈上L_s感应出电动势并通过副边谐振网络传输高频能量；所述的整流电路由四个不可控二极管组成，用于高频信号的整流，其输出信号通过滤波电容抑制高频信号，减少输出电压的纹波；

所述的BUCK-BOOST变换器电路包括：IGBT开关管、二极管、电感L_d和电容C_d；在电源的正极上串联连接有IGBT开关管和二极管，在IGBT开关管和二极管之间连接有电感L_d的一端，电感L_d的另一端连接在电源负极；电容C_d连接在二极管一端的电源正极上，电容C_d的另一端连接在电源的负极上；

所述的控制电路包括两个闭环控制回路：最优效率跟踪控制回路和鲁棒恒压控制回路。

所述的最优效率跟踪控制回路包括采样模块、乘法器；最优负载值、模拟电路和副边PWM驱动电路；所述的采样模块包括：电压传感器和电流传感器，通过关系式R_L＝U_R/I_R可以得到实时的负载值，与最优负载值一并送入乘法器，输出连接到模拟电路；所述的模拟电路由数学运算模块搭建而成，包括：加法模块、均方根值模块和乘除法模块；采样模块连接在负载上，采样模块、模拟电路和副边PWM驱动电路顺序连接，副边PWM驱动电路的输出端与BUCK-BOOST变换器中的IGBT开关管的控制端连接。

所述的鲁棒恒压控制回路包括电压检测模块、无线通信模块、输出参考电压值、加法器、鲁棒控制器和移相控制电路；电压检测模块的输入端与负载连接，电压检测模块、无线通信模块、加法器、鲁棒控制器、移相控制电路顺序连接，移相控制电路的输出端与高频逆变器的控制端对应连接。

进一步，所述最优效率跟踪控制回路在系统副边加入BUCK-BOOST变换器保证系统整流输入的等效负载值不随负载改变，从而系统工作在最优效率变负载模式下系统参数的设计按照系统在最优负载值时进行设计，参数设计流程为：根据系统采用的谐振网络结构确定参数系统谐振频率ω、原副边线圈之间的互感M、原边谐振电感L_r、原边谐振电容C_p、原边发射线圈电感L_p、副边接收线圈电感L_s、副边谐振电容C_s、副边谐振电感L₂、原边线圈内阻R_p、副边线圈内阻R_s；建立ICPT系统耦合机构的效率计算表达式η，对其求偏导得到最优负载数学表达式R'_Lo_pt；整流电路输入等效负载和整流输出等效负载之间存在关系R'_L＝8R_eq/π2，根据BUCK-BOOST变换器和能量守恒定律建立等效负载Re_q、负载R_L及占空比D之间的关系即D＝1/(1+sqrt(R_eq/R_L))，对于确定的系统来说，最优负载值是确定的，令R'_L＝R'_Lo_pt可得到实时负载与占空比之间的关系即D＝1/(1+sqrt(π^2×R'_Lo_pt/8/R_L))；根据实时检测到具体的负载值，可以调节响应的占空比D，使系统的整流输入等效负载保持不变，系统跟踪最优效率。

进一步，所述鲁棒恒压控制回路中采用鲁棒控制器进行设计完成闭环控制，则鲁棒控制器设计流程为：根据系统建立含摄动反馈的线性状态空间模型得到广义被控对象P；综合考虑系统参数摄动、干扰信号、能量有界的性能指标选择加权函数W_p、W_u；设定控制目标即系统寻找一个稳定的控制器K以满足闭环传递函数的H_∞小于给定值γ；判断所求的控制器是否满足鲁棒指标要求；对高阶控制器进行降阶处理和离散化处理便于数字控制器的实现。

采用感应电能传输系统的控制方法由最优效率跟踪控制方法和鲁棒恒压控制方法实现对感应电能传输系统的控制。

所述的最优效率跟踪控制方法，通过对系统电路建立交流阻抗模型计算出效率表达式，求得最优等效负载，通过采样模块采集负载上电压电流信号得到实时负载值，与系统最优效率下得到的最优负载值送入乘法器进行运算，然后送入表示占空比D、负载R_L和等效负载R'_L的函数关系的模拟电路中，得到实时的占空比D，送入副边PWM驱动电路中产生控制BUCK-BOOST变换器的门控信号。

所述的鲁棒恒压控制方法，通过建立系统的参数摄动模型得到负载输出电压表达式，根据电压检测模块采集负载电压U_R与输出电压参考值U_ref通过加法器计算偏差e，将误差信号送入鲁棒控制器，根据鲁棒控制算法得到移相角α，将移相角α送入移相控制电路，产生的控制信号控制原边高频逆变器的开关管。

进一步的，所述的最优效率跟踪控制方法具体实现步骤为：

步骤一：根据系统的电路拓扑建立交流阻抗模型得到系统的效率表达式，为了分析效率η与整流电路输入等效负载R'_L之间的关系，对其求微分运算得到系统最优效率下的最优负载值为：

步骤二：BUCK-BOOST变换器工作在连续电流模式(CCM)时，得到占空比D、负载R_L和整流输出等效负载R_eq的函数关系对于二极管全桥不可控整流电路，整流输入等效电阻R'_L26和整流输出等效电阻R_eq之间的关系为则可以得到占空比与负载R_L之间的关系

步骤三：采样模块：通过电压传感器和电流传感器检测负载上的电压U_R、电流I_R得到实时负载，经乘法器将负载与最优负载值进行运算，输入到模拟电路中；

步骤四：模拟电路：包含乘法模块、加法模块和数学操作模块；经过搭建的模拟电路，输出占空比D；所得到的占空比D送入副边PWM驱动电路中，输出方波控制BUCK-BOOST电路中的IGBT开关管的控制端S。

进一步的，所述的恒压输出鲁棒控制方法的具体实现步骤为：

步骤一：根据系统的Norton等效电路和傅里叶级数性质建立系统的广义状态空间模型，考虑系统参数R_L摄动，利用线性分式变换原理，得到含摄动反馈的线性动力学系统模型，即广义被控对象P；

步骤二：选取性能加权函数，构造满足系统性能要求的加权函数W_p，W_u，其中，A为允许的最大稳态误差，M为灵敏度峰值，ω₀为期望的带宽，W_u一般为常量；

W_u＝constant

步骤三：根据求得广义被控对象和构造的加权函数，代入鲁棒控制工具箱，得到鲁棒控制器K；满足以上条件的鲁棒控制器K表示为：

其中，Z＝(I-γ^-2YX)^-1。未知矩阵X和Y，可以通过求解以下Riccati方程组得到。

步骤四：基于Hankel范数逼近法的降阶原理对得到的高阶控制器进行降阶处理并离散化，便于数字控制器的实现；

步骤五：根据电压检测模块采集负载上电压信号U_R，通过无线通信模块传输到原边的控制电路中，将电压信号送入加法器，与输出参考电压U_ref计算误差，将误差信号e＝U_ref-U_R送入鲁棒控制器得到电压控制量u并通过鲁棒控制算法得到移相角α，则电压控制量u所对应的移相角α为

其中E_dc为系统输入直流电压；

步骤六：将移相角α送入移相控制电路，得到四路控制信号控制原边高频逆变器的开关管。

有益效果，由于采用了上述方案，该装置通过最优效率跟踪控制策略和恒压输出鲁棒控制策略，实现参数变化的高效恒压多性能目标要求，即在满足系统恒压输出的同时维持系统在最优效率点稳定运行，对于电动车、家用电器以及消费类电子设备的无线电能传输等应用中具有重要意义。

本发明的优点是：

(1)本发明采用移相控制方式，相比于在主电路中附加开关电路，减小开关器件的开关损耗，可以有效地提高系统的传输功率和效率；

(2)本发明设计鲁棒控制方法，根据系统的性能要求设计控制器能够快速获取相应的控制器参数，提高系统的动态跟踪性能、抗干扰能力和鲁棒稳定性；

(3)本发明提出的控制装置和多性能综合控制方法能使ICPT系统在负载摄动情况下满足鲁棒性能指标，保证系统运行在最优效率点，同时使系统稳定的能量传输和恒压输出。

附图说明

图1：本发明的控制装置及控制原理框图。

图2：本发明的最优效率跟踪控制回路原理图。

图3：本发明的鲁棒恒压控制回路原理图。

图4：本发明的最优效率跟踪控制的系统参数设计流程图。

图5：本发明的鲁棒控制器的设计流程图。

图6：本发明的优化前后效率对比图。

图7：本发明的不同负载情况下的逆变器输出电压和原边线圈电流波形图。

图8：本发明的负载切换前后负载电压和原边线圈电流波形图。

图中，1、直流电压源；2、高频逆变器；3、原边LCL谐振网络；4、副边LCL谐振网络；5、整流电路；6、滤波电容C_f；7、BUCK-BOOST变换器；8、IGBT开关管；9、二极管VD；10、电感L_d；11电容C_d；12、负载R_L；13、最优效率跟踪控制回路；14、采样模块；15、乘法器；16、最优负载值R'_Lopt；17、模拟电路；18、副边PWM驱动电路；19鲁棒恒压控制回路；20、电压检测模块；21、无线通信模块；22、输出参考电压值U_ref；23、加法器；24、鲁棒控制器K；25、移相控制电路；26、整流输入等效负载R'_L；27、整流输出等效负载。

具体实施方式

感应电能传输系统高效稳压综合控制包括综合控制系统和综合控制方法。

感应电能传输系统包括：主电路和控制电路，控制电路连接在主电路的负载上；

所述的主电路为双LCL补偿感应电能传输系统，包括：直流电压源1、高频逆变器2、原边LCL谐振网络3、副边LCL谐振网络4、整流电路5、滤波电容6和BUCK-BOOST变换器7及负载12；

直流电压源1连接在高频逆变器2的输入端，为高频逆变器2提供电源；高频逆变器2的输出端与原边LCL谐振网络3输入端相连接，原边LCL谐振网络3与副边LCL谐振网络4相耦合，副边LCL谐振网络4的输出端与整流电路5的输入端相连接，整流电路5的输出端连接有滤波电容6和BUCK-BOOST变换器7，BUCK-BOOST变换器7的输出端连接有负载12；

所述高频逆变器2，由四个全控型开关管及其反并联二极管组成，为原边发射线圈提供高频电流从而产生高频磁场，原副边通过线圈耦合传输电能；所述原边LCL谐振网络3包括：原边谐振电感L_r、原边谐振电容C_p以及原边发射线圈电感L_p；

所述副边LCL型谐振网络4包括：副边接收线圈电感L_s、副边谐振电容C_s及副边谐振电感L₂；通过原边发射线圈L_p和副边接收线圈L_s之间的耦合，在副边接收线圈上L_s感应出电动势并通过副边谐振网络传输高频能量；所述的整流电路5由四个不可控二极管组成，用于高频信号的整流，其输出信号通过滤波电容6抑制高频信号，减少输出电压的纹波；

所述的BUCK-BOOST变换器7电路包括：IGBT开关管8、二极管9、电感L_d10和电容C_d11；在电源的正极上串联连接有IGBT开关管8和二极管9，在IGBT开关管8和二极管9之间连接有电感L_d10的一端，电感L_d10的另一端连接在电源负极；电容C_d11连接在二极管9一端的电源正极上，电容C_d11的另一端连接在电源的负极上；

所述的控制电路包括两个闭环控制回路：最优效率跟踪控制回路和鲁棒恒压控制回路。

所述的最优效率跟踪控制回路13包括采样模块14、乘法器15；最优负载值16、模拟电路17和副边PWM驱动电路18；所述的采样模块14包括：电压传感器和电流传感器，通过关系式R_L＝U_R/I_R可以得到实时的负载值，与最优负载值16一并送入乘法器15，输出连接到模拟电路17；所述的模拟电路17由数学运算模块搭建而成，包括：加法模块、均方根值模块和乘除法模块；采样模块14连接在负载12上，采样模块14、模拟电路17和副边PWM驱动电路18顺序连接，副边PWM驱动电路的输出端与BUCK-BOOST变换器7中的IGBT开关管8的控制端连接。

所述的鲁棒恒压控制回路19包括电压检测模块20、无线通信模块21、输出参考电压值22、加法器23、鲁棒控制器24和移相控制电路25；电压检测模块20的输入端与负载12连接，电压检测模块20、无线通信模块21、加法器23、鲁棒控制器24、移相控制电路25顺序连接，移相控制电路25的输出端与高频逆变器2的控制端对应连接。

进一步，所述最优效率跟踪控制回路13在系统副边加入BUCK-BOOST变换器7保证系统整流输入的等效负载值不随负载改变，从而系统工作在最优效率变负载模式下系统参数的设计按照系统在最优负载值时进行设计，参数设计流程为：根据系统采用的谐振网络结构确定参数系统谐振频率ω、原副边线圈之间的互感M、原边谐振电感L_r、原边谐振电容C_p、原边发射线圈电感L_p、副边接收线圈电感L_s、副边谐振电容C_s、副边谐振电感L₂、原边线圈内阻R_p、副边线圈内阻R_s；建立ICPT系统耦合机构的效率计算表达式η，对其求偏导得到最优负载数学表达式R'_Lopt；整流电路输入等效负载26和整流输出等效负载27之间存在关系R'_L＝8R_eq/π²，根据BUCK-BOOST变换器7和能量守恒定律建立等效负载R_eq、负载R_L及占空比D之间的关系即D＝1/(1+sqrt(R_eq/R_L))，对于确定的系统来说，最优负载值是确定的，令R'_L＝R'_Lopt可得到实时负载与占空比之间的关系即D＝1/(1+sqrt(π^2×R'_Lopt/8/R_L))；根据实时检测到具体的负载值，可以调节响应的占空比D，使系统的整流输入等效负载保持不变，系统跟踪最优效率。

进一步，所述鲁棒恒压控制回路19中采用鲁棒控制器进行设计完成闭环控制，则鲁棒控制器设计流程为：根据系统建立含摄动反馈的线性状态空间模型得到广义被控对象P；综合考虑系统参数摄动、干扰信号、能量有界的性能指标选择加权函数W_p、W_u；设定控制目标即系统寻找一个稳定的控制器K以满足闭环传递函数的H_∞小于给定值γ；判断所求的控制器是否满足鲁棒指标要求；对高阶控制器进行降阶处理和离散化处理便于数字控制器的实现。

采用感应电能传输系统的控制方法由最优效率跟踪控制方法和鲁棒恒压控制方法实现对感应电能传输系统的控制。

所述的最优效率跟踪控制方法，通过对系统电路建立交流阻抗模型计算出效率表达式，求得最优等效负载，通过采样模块14采集负载上电压电流信号得到实时负载值，与系统最优效率下得到的最优负载值16送入乘法器15进行运算，然后送入表示占空比D、负载R_L和等效负载R'_L的函数关系的模拟电路17中，得到实时的占空比D，送入副边PWM驱动电路18中产生控制BUCK-BOOST变换器7的门控信号。

所述的鲁棒恒压控制方法，通过建立系统的参数摄动模型得到负载输出电压表达式，根据电压检测模块20采集负载电压U_R与输出电压参考值U_ref22通过加法器23计算偏差e，将误差信号送入鲁棒控制器24，根据鲁棒控制算法得到移相角α，将移相角α送入移相控制电路25，产生的控制信号控制原边高频逆变器2的开关管。

进一步的，所述的最优效率跟踪控制方法具体实现步骤为：

步骤一：根据系统的电路拓扑建立交流阻抗模型得到系统的效率表达式，为了分析效率η与整流电路输入等效负载R'_L之间的关系，对其求微分运算得到系统最优效率下的最优负载值16为：

步骤二：BUCK-BOOST变换器7工作在连续电流模式(CCM)时，得到占空比D、负载R_L和整流输出等效负载R_eq27的函数关系对于二极管全桥不可控整流电路，整流输入等效电阻R'_L26和整流输出等效电阻R_eq27之间的关系为则可以得到占空比与负载R_L之间的关系

步骤三：采样模块14：通过电压传感器和电流传感器检测负载上的电压U_R、电流I_R得到实时负载12，经乘法器15将负载12与最优负载值16进行运算，输入到模拟电路17中；

步骤四：模拟电路17：包含乘法模块、加法模块和数学操作模块；经过搭建的模拟电路，输出占空比D；所得到的占空比D送入副边PWM驱动电路18中，输出方波控制BUCK-BOOST电路中的IGBT的控制端S。

进一步的，所述的恒压输出鲁棒控制方法的具体实现步骤为：

步骤一：根据系统的Norton等效电路和傅里叶级数性质建立系统的广义状态空间模型，考虑系统参数R_L摄动，利用线性分式变换原理，得到含摄动反馈的线性动力学系统模型，即广义被控对象P；

步骤二：选取性能加权函数，构造满足系统性能要求的加权函数W_p，W_u，其中，A为允许的最大稳态误差，M为灵敏度峰值，ω₀为期望的带宽，W_u一般为常量；

W_u＝constant

步骤三：根据求得广义被控对象和构造的加权函数，代入鲁棒控制工具箱，得到鲁棒控制器K；满足以上条件的鲁棒控制器K表示为：

其中，Z＝(I-γ^-2YX)^-1。未知矩阵X和Y，可以通过求解以下Riccati方程组得到。

步骤四：基于Hankel范数逼近法的降阶原理对得到的高阶控制器进行降阶处理并离散化，便于数字控制器的实现；

步骤五：根据电压检测模块20采集负载上电压信号U_R，通过无线通信模块传输到原边的控制电路中，将电压信号送入加法器23，与输出参考电压U_ref22计算误差，将误差信号e＝U_ref-U_R送入鲁棒控制器24得到电压控制量u并通过鲁棒控制算法得到移相角α，则电压控制量u所对应的移相角α为

其中E_dc为系统输入直流电压；

步骤六：将移相角α送入移相控制电路25，得到四路控制信号控制原边高频逆变器2的开关管。

下面结合附图对实施例做进一步说明。

实施例1：如图1所示，本发明的感应电能传输装置，包括：直流电压源1、高频逆变器2、原边LCL谐振网络3、副边LCL谐振网络4、整流电路5、滤波电容6和BUCK-BOOST变换器7及负载12；直流电压源1连接在高频逆变器2的输入端，为高频逆变器2提供电源；高频逆变器2的输出端与原边LCL谐振网络3输入端相连接，原边LCL谐振网络3与副边LCL谐振网络4相耦合，副边谐振网络4的输出端与整流电路5的输入端相连接，整流电路5的输出端连接有滤波电容6和BUCK-BOOST变换器7，BUCK-BOOST变换器7的输出端连接有负载12；

所述高频逆变器2，由四个全控型开关管及其反并联二极管组成，为原边发射线圈L_r提供高频电流从而产生高频磁场，原副边通过线圈耦合传输电能；所述原边LCL谐振网络3包括：原边谐振电感L_r、原边谐振电容C_p以及原边发射线圈电感L_p；

所述副边LCL型谐振网络4包括：副边接收线圈电感L_s、副边谐振电容C_s及副边谐振电感L₂；通过原边发射线圈L_r和副边接收线圈L_s之间的耦合，在副边接收线圈上感应出电动势并通过副边谐振网络传输高频能量；所述的整流电路由四个不可控二极管组成，用于高频信号的整流，其输出信号通过滤波电容6抑制高频信号，减少输出电压的纹波；所述的BUCK-BOOST变换器7电路包括：IGBT8、二极管9、电感L_d10、电容C_d11。

所述的控制电路包括两个闭环控制回路：最优效率跟踪控制回路和鲁棒恒压控制回路；

所述的最优效率跟踪控制回路13包括采样模块14、乘法器15；最优负载值16、模拟电路17、副边PWM驱动电路18；所述的采样模块14包括：电压传感器和电流传感器；采样模块输出连接乘法器15，与最优负载值16进行运算送入模拟电路17中；所述的模拟电路17由数学运算模块搭建而成，包括：加法模块、均方根值模块和乘除法模块；采样模块14连接负载12上，采样模块14、模拟电路和副边PWM驱动电路18顺序连接，副边PWM驱动电路的输出端与BUCK-BOOST变换器7中的控制调整管S的控制端连接；

所述的鲁棒恒压控制回路19包括电压检测模块20、无线通信模块21；输出参考电压值22；加法器23；鲁棒控制器24；移相控制电路25；电压检测模块20的输入端与负载12连接，电压检测模块20、无线通信模块21、加法器23、鲁棒控制器24、移相控制电路25顺序连接，移相控制电路的输出端与高频逆变器2的控制端对应连接。

图2所示为最优效率跟踪控制回路原理图，通过对系统电路建立交流阻抗模型计算出效率表达式η，求得最优等效负载R'_Lopt，通过采样模块14采集负载上电压电流信号得到实时负载值12，经乘法器15与最优负载值16进行运算，送入表示占空比D、负载R_L和等效负载R'_L的函数关系的模拟电路17中，得到实时的占空比D，送入副边PWM驱动电路18中产生控制BUCK-BOOST变换器7的门控信号。

所述的最优效率跟踪控制回路的具体实现步骤为：

步骤一：根据系统的电路拓扑建立交流阻抗模型得到系统的效率表达式，为了分析效率η与整流输入等效负载R'_L之间的关系，对其求微分运算得到系统最优效率下的最优负载值为：

步骤二：BUCK-BOOST变换器7工作在连续电流模式(CCM)时，得到占空比D、负载R_L和整流输出等效负载R_eq的函数关系对于二极管全桥不可控整流电路，整流输入等效电阻R'_L和整流输出输出电阻R_eq之间的关系为则可以得到占空比与负载R_L之间的关系

步骤三：采样模块14：通过电压传感器和电流传感器检测负载上的电压U_R、电流I_R得到实时负载12，经乘法器15将负载12与最优负载值16进行运算，输入到模拟电路17中；

步骤四：模拟电路17：包含乘法模块、加法模块和数学操作模块；经过搭建的模拟电路，输出占空比D；所得到的占空比D送入副边PWM驱动电路18中，输出方波控制BUCK-BOOST电路中的IGBT的控制端S。

图3所示为鲁棒恒压控制回路原理图，通过建立系统的参数摄动模型得到负载输出电压表达式，根据采集负载电压U_R与输出电压参考值U_ref计算偏差e，将误差信号送入鲁棒控制器产生电压信号u，通过鲁棒控制算法得到移相角α，将移相角α送入移相控制电路，产生的控制信号控制原边高频逆变电路。所述的鲁棒恒压控制回路的具体实现步骤为：

步骤一：根据系统的Norton等效电路和傅里叶级数性质建立系统的广义状态空间模型，考虑系统参数R_L摄动，利用线性分式变换原理，得到含摄动反馈的线性动力学系统模型，即广义被控对象P；

步骤二：选取性能加权函数，构造满足系统性能要求的加权函数W_p，W_u，其中，A为允许的最大稳态误差，M为灵敏度峰值，ω₀为期望的带宽，W_u一般为常量；

W_u＝constant

步骤三：根据求得广义被控对象和构造的加权函数，代入鲁棒控制工具箱，得到鲁棒控制器K；满足以上条件的H鲁棒控制器K表示为：

其中，Z＝(I-γ^-2YX)^-1。未知矩阵X和Y，可以通过求解以下Riccati方程组得到。

步骤四：基于Hankel范数逼近法的降阶原理对得到的高阶控制器进行降阶处理并离散化，便于数字控制器的实现；

步骤五：通过电压检测模块20采集负载上电压信号U_R，将电压信号通过无线通信模块21传输到原边控制电路中，送入加法器23，与输出参考电压U_ref22计算误差e，将误差信号e＝U_ref-U_R送入鲁棒控制器24得到电压控制量u，根据鲁棒控制算法得到移相角α，则电压控制量u所对应的移相角α为其中E_dc为系统输入直流电压；

步骤六：将移相角α送入移相控制电路25，得到四路控制信号控制原边高频逆变器2的开关管。

图4所示为最优效率跟踪控制的系统参数设计流程图，所述最优效率跟踪控制回路13在系统副边加入BUCK-BOOST变换器7保证等效负载值不随负载改变，变负载模式下系统参数的设计按照系统在最优负载值时进行设计，参数设计流程为：根据系统采用的谐振网络结构确定参数系统谐振频率ω、原副边线圈之间的互感M、原边谐振电感L_r、原边谐振电容C_p、原边线圈电感L_p、副边线圈电感L_s、副边谐振电容C_s、副边谐振电感L₂、原边线圈内阻R_p、副边线圈内阻R_s；建立ICPT系统耦合机构的效率计算表达式η，对其求偏导得到最优负载数学表达式R'_Lopt；对于确定的系统来说，最优负载值是确定的，整流电路输入等效负载和输出等效负载之间存在关系R'_L＝π²×R_eq/8，根据BUCK-BOOST变换器7和能量守恒定律建立等效负载R_eq、负载R_L及占空比D之间的关系，令R'_L＝R'_Lopt可得到；根据实时检测到具体的负载值，可以得到占空比D。

图5所示为鲁棒控制器的设计流程图，所述鲁棒恒压控制回路19中采用鲁棒控制器进行设计完成闭环控制，则鲁棒控制器设计流程为：根据系统建立含摄动反馈的线性状态空间模型得到广义被控对象P；综合考虑系统参数摄动、干扰信号、能量有界的性能指标选择加权函数W_p、W_u；设定控制目标即系统寻找一个稳定的控制器K以满足闭环传递函数的H_∞小于给定值γ；判断所求的控制器是否满足鲁棒指标要求；对高阶控制器进行降阶处理和离散化处理便于数字控制器的实现。

以下为本发明的一个具体实施例。

实施例2：如图1为工作频率为85kHz的感应电能传输系统，输入直流电压E_dc为100V，原边线圈自感L_p和原边谐振自感L_r取值相同，均为35.059μH，原边谐振电容为0.1μF，副边线圈电感和副边谐振电感取值均为35.059μH，副边谐振电容取值为0.1μF，互感M为12.271μH，滤波电容C_f为22μF，DC-DC变换器中电感L为50μH，电容C_L为50μF，线圈内阻R_p和R_s均为0.2Ω，负载30Ω，其高效恒压综合控制的过程如下：

根据电路的效率模型，对效率表达式对等效电阻求微分，可以得到系统最优效率下的最优负载值：

BUCK-BOOST变换器工作在软开关模式，根据能量守恒定律以及整流电路输入等效电阻和输出等效电阻之间的关系可以得到BUCK-BOOST变换器占空比D的表达式：

对于任意的负载R_L，均可以得到特定的占空比D，实现整流输入等效电阻达到最优点R'_Lopt，使得系统输出效率最优。

根据系统的Norton等效电路和参数摄动的线性分式变换原理，建立系统的参数不确定模型，得到广义被控对象P；

加权函数W_p和W_u分别选取为：

根据鲁棒控制箱求解高阶控制器和降阶原理得到5阶控制器，控制器K矩阵系数为

C＝[99.1674 302.2208 17.7029 7.7336]

D＝[-0.0083]

图6是本发明的优化前后效率对比图，对比加入DC-DC变换器电路前后效率随负载变化的关系图，加入前负载变化时，效率先升高后逐渐降低；加入DC-DC电路之后，效率几乎维持不变，稳定在94.25％左右。

图7是本发明在不同负载情况下的逆变器输出电压和原边线圈电流波形图，图7(a)是负载阻值为30Ω的逆变器输出电压和原边线圈电流波形图，图7(b)是负载阻值为18.75Ω的逆变器输出电压和原边线圈电流波形图，逆变器输出电压为三电平，原边线圈电流为低畸变度的正弦波，当负载阻值不同时，控制高频逆变器的移相角不同，且原边线圈电流大小也发生变化，通过控制移相角的大小改变逆变器输出电压从而实现负载输出电压的调节。

图8是负载切换前后负载电压和原边线圈电流波形图，负载从30Ω至18.75Ω的切换过程中，经过4ms左右的时间跟踪输出参考电压，达到稳态电压值30V，通过计算效率几乎维持在93％左右，这种高效恒压综合控制方法，一方面利用最优效率跟踪控制技术实现最优负载点的跟踪保证系统运行在最优效率；另一方面，采用鲁棒控制算法的移相控制通过改变移相角控制逆变器输出电压的大小调节输出电压，使系统在负载变化时保证能量的稳定传输和恒压输出。

以上为本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种感应电能传输系统高效稳压综合控制系统，其特征是：感应电能传输系统包括：主电路和控制电路，控制电路连接在主电路的负载上；

所述的主电路为双LCL补偿感应电能传输系统，包括：直流电压源、高频逆变器、原边LCL谐振网络、副边LCL谐振网络、整流电路、滤波电容和BUCK-BOOST变换器及负载；

直流电压源连接在高频逆变器的输入端，为高频逆变器提供电源；高频逆变器的输出端与原边LCL谐振网络输入端相连接，原边LCL谐振网络与副边LCL谐振网络相耦合，副边LCL谐振网络的输出端与整流电路的输入端相连接，整流电路的输出端连接有滤波电容和BUCK-BOOST变换器，BUCK-BOOST变换器的输出端连接有负载；

所述高频逆变器，由四个全控型开关管及其反并联二极管组成，为原边发射线圈提供高频电流从而产生高频磁场，原副边通过线圈耦合传输电能；所述原边LCL谐振网络包括：原边谐振电感L_r、原边谐振电容C_p以及原边发射线圈电感L_p；

所述副边LCL型谐振网络包括：副边接收线圈电感L_s、副边谐振电容C_s及副边谐振电感L₂；通过原边发射线圈L_p和副边接收线圈L_s之间的耦合，在副边接收线圈上L_s感应出电动势并通过副边谐振网络传输高频能量；所述的整流电路由四个不可控二极管组成，用于高频信号的整流，其输出信号通过滤波电容抑制高频信号，减少输出电压的纹波；

所述的BUCK-BOOST变换器电路包括：IGBT开关管、二极管、电感L_d和电容C_d；在电源的正极上串联连接有IGBT开关管和二极管，在IGBT开关管和二极管之间连接有电感L_d的一端，电感L_d的另一端连接在电源负极；电容C_d连接在二极管一端的电源正极上，电容C_d的另一端连接在电源的负极上；

所述的控制电路包括两个闭环控制回路：最优效率跟踪控制回路和鲁棒恒压控制回路。

2.根据权利要求1所述的一种感应电能传输系统高效稳压综合控制系统，其特征是：所述的最优效率跟踪控制回路包括采样模块、乘法器；最优负载值、模拟电路和副边PWM驱动电路；所述的采样模块包括：电压传感器和电流传感器，通过关系式R_L＝U_R/I_R可以得到实时的负载值，与最优负载值一并送入乘法器，输出连接到模拟电路；所述的模拟电路由数学运算模块搭建而成，包括：加法模块、均方根值模块和乘除法模块；采样模块连接在负载上，采样模块、模拟电路和副边PWM驱动电路顺序连接，副边PWM驱动电路的输出端与BUCK-BOOST变换器中的IGBT开关管的控制端连接。

3.根据权利要求1所述的一种感应电能传输系统高效稳压综合控制系统，其特征是：所述的鲁棒恒压控制回路包括电压检测模块、无线通信模块、输出参考电压值、加法器、鲁棒控制器和移相控制电路；电压检测模块的输入端与负载连接，电压检测模块、无线通信模块、加法器、鲁棒控制器、移相控制电路顺序连接，移相控制电路的输出端与高频逆变器的控制端对应连接。

4.根据权利要求1或2所述的一种感应电能传输系统高效稳压综合控制系统，其特征是：所述最优效率跟踪控制回路在系统副边加入BUCK-BOOST变换器保证系统整流输入的等效负载值不随负载改变，从而系统工作在最优效率变负载模式下系统参数的设计按照系统在最优负载值时进行设计，参数设计流程为：根据系统采用的谐振网络结构确定参数系统谐振频率ω、原副边线圈之间的互感M、原边谐振电感L_r、原边谐振电容C_p、原边发射线圈电感L_p、副边接收线圈电感L_s、副边谐振电容C_s、副边谐振电感L₂、原边线圈内阻R_p、副边线圈内阻R_s；建立ICPT系统耦合机构的效率计算表达式η，对其求偏导得到最优负载数学表达式R'_Lo_pt；整流电路输入等效负载和整流输出等效负载之间存在关系R'_L＝8R_eq/π²，根据BUCK-BOOST变换器和能量守恒定律建立等效负载Re_q、负载RL及占空比D之间的关系即D＝1/(1+sqrt(R_eq/R_L))，对于确定的系统来说，最优负载值是确定的，令R'_L＝R'_Lo_pt可得到实时负载与占空比之间的关系即D＝1/(1+sqrt(π^2×R'_Lo_pt/8/R_L))；根据实时检测到具体的负载值，可以调节响应的占空比D，使系统的整流输入等效负载保持不变，系统跟踪最优效率。

5.根据权利要求1或3所述的一种感应电能传输系统高效稳压综合控制系统，其特征是：所述鲁棒恒压控制回路中采用鲁棒控制器进行设计完成闭环控制，则鲁棒控制器设计流程为：根据系统建立含摄动反馈的线性状态空间模型得到广义被控对象P；综合考虑系统参数摄动、干扰信号、能量有界的性能指标选择加权函数W_p、W_u；设定控制目标即系统寻找一个稳定的控制器K以满足闭环传递函数的H_∞小于给定值γ；判断所求的控制器是否满足鲁棒指标要求；对高阶控制器进行降阶处理和离散化处理便于数字控制器的实现。

6.权利要求1所述的一种感应电能传输系统高效稳压综合控制系统的控制方法，其特征是：采用感应电能传输系统的控制方法由最优效率跟踪控制方法和鲁棒恒压控制方法实现对感应电能传输系统的控制。

7.根据权利要求6所述的一种感应电能传输系统高效稳压综合控制系统的控制方法，其特征是：所述的最优效率跟踪控制方法，通过对系统电路建立交流阻抗模型计算出效率表达式，求得最优等效负载，通过采样模块采集负载上电压电流信号得到实时负载值，与系统最优效率下得到的最优负载值送入乘法器进行运算，然后送入表示占空比D、负载R_L和等效负载R'_L的函数关系的模拟电路中，得到实时的占空比D，送入副边PWM驱动电路中产生控制BUCK-BOOST变换器的门控信号。

8.根据权利要求6所述的一种感应电能传输系统高效稳压综合控制系统的控制方法，其特征是：所述的鲁棒恒压控制方法，通过建立系统的参数摄动模型得到负载输出电压表达式，根据电压检测模块采集负载电压U_R与输出电压参考值U_ref通过加法器计算偏差e，将误差信号送入鲁棒控制器，根据鲁棒控制算法得到移相角α，将移相角α送入移相控制电路，产生的控制信号控制原边高频逆变器的开关管。

9.根据权利要求6或7所述的一种感应电能传输系统高效稳压综合控制系统的控制方法，其特征是：所述的最优效率跟踪控制方法具体实现步骤为：

步骤一：根据系统的电路拓扑建立交流阻抗模型得到系统的效率表达式，为了分析效率η与整流电路输入等效负载R'_L之间的关系，对其求微分运算得到系统最优效率下的最优负载值为：

步骤二：BUCK-BOOST变换器工作在连续电流模式(CCM)时，得到占空比D、负载R_L和整流输出等效负载R_eq的函数关系对于二极管全桥不可控整流电路，整流输入等效电阻R'_L和整流输出等效电阻R_eq27之间的关系为则可以得到占空比与负载R_L之间的关系

步骤三：采样模块：通过电压传感器和电流传感器检测负载上的电压U_R、电流I_R得到实时负载，经乘法器将负载与最优负载值进行运算，输入到模拟电路中；

步骤四：模拟电路：包含乘法模块、加法模块和数学操作模块；经过搭建的模拟电路，输出占空比D；所得到的占空比D送入副边PWM驱动电路中，输出方波控制BUCK-BOOST电路中的IGBT开关管的控制端S。

10.根据权利要求6或8所述的一种感应电能传输系统高效稳压综合控制系统的控制方法，其特征是：所述的恒压输出鲁棒控制方法的具体实现步骤为：

步骤一：根据系统的Norton等效电路和傅里叶级数性质建立系统的广义状态空间模型，考虑系统参数R_L摄动，利用线性分式变换原理，得到含摄动反馈的线性动力学系统模型，即广义被控对象P；

步骤二：选取性能加权函数，构造满足系统性能要求的加权函数W_p，W_u，其中，A为允许的最大稳态误差，M为灵敏度峰值，ω₀为期望的带宽，W_u一般为常量；

W_u＝constant

步骤三：根据求得广义被控对象和构造的加权函数，代入鲁棒控制工具箱，得到鲁棒控制器K；满足以上条件的鲁棒控制器K表示为：

其中，Z＝(I-γ^-2YX)^-1；未知矩阵X和Y，可以通过求解以下Riccati方程组得到。

步骤四：基于Hankel范数逼近法的降阶原理对得到的高阶控制器进行降阶处理并离散化，便于数字控制器的实现；

步骤五：根据电压检测模块采集负载上电压信号U_R，通过无线通信模块传输到原边的控制电路中，将电压信号送入加法器，与输出参考电压U_ref计算误差，将误差信号e＝U_ref-U_R送入鲁棒控制器得到电压控制量u并通过鲁棒控制算法得到移相角α，则电压控制量u所对应的移相角α为

其中E_dc为系统输入直流电压；

步骤六：将移相角α送入移相控制电路，得到四路控制信号控制原边高频逆变器的开关管。