CN110103742B - 一种用于电动汽车无线充电的电流锁相及脉冲生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于电动汽车无线充电的电流锁相及脉冲生成方法，包括以下步骤：获取与副边谐振电流信号同相的方波信号i'L2，DSP处理器将所述方波信号i'L2上升沿作为DSP处理器中PWM1模块的同步信号Sn1，用以初始化PWM1模块中计数器CNT1的相位，当计数器CNT1计数至0时，则产生PWM2模块的同步信号Sn2，通过锁相环控制同步信号Sn2的相位，同步信号Sn2初始化计数器CNT2的相位；当计数器CNT2计数至0时，产生PWM3模块的同步信号Sn3，并以PWM2模块及PWM3模块获得驱动信号Q1、Q2、Q3及Q4，再通过驱动信号Q1、Q2、Q3及Q4控制整流器超前桥臂及滞后桥臂的上开关管及下开关管，该方法能够实现稳定可靠的高频谐振电流的锁相及驱动脉冲生成，并且具有抗干扰特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种电流锁相及脉冲生成方法，具体涉及一种用于电动汽车无线充电的电流锁相及脉冲生成方法。
背景技术
无线电能传输技术依照其实现原理可分为近场与远场两大类。近场技术易于实现更高的效率和更大的功率，因而被广泛地应用于电动汽车、智能设备、机器人、无人机、植入式医疗等设备的无线充电。尤其在电动汽车的无线充电中，充电功率高，电磁干扰大，因此在大功率无线充电应用中电动汽车的无线充电成为研究热点。对电动汽车电池进行无线充电时，副边整流器的控制十分关键。而有源整流器的控制技术对于提高系统的传输效率、扩大系统的工作范围和提高功率密度至关重要。稳定、准确的副边谐振电流锁相方法是有源整流控制技术不可缺少的组成部分。为了实现副边有源整流器的稳定控制，需满足以下几个需求：
1)稳定可靠的高频谐振电流的锁相。在有源整流的工况下，由于需准确控制副边整流器MOS管的开通与关断时刻，因此需要精确锁定副边高频谐振电流的相位，并基于此电流相位，精确地产生同步信号。
2)稳定可靠的驱动脉冲生成。要使得副边有源整流器正常工作，需要产生稳定的触发脉冲，避免脉冲丢失，以可靠控制副边整流器的开关管。
3)具有抗干扰特性。在电动汽车电池进行无线充电时，系统不可避免地出现各种强干扰。在产生驱动脉冲时，需要对干扰信号能够有效抑制，使得脉冲的产生更加安全可靠。
为了实现电动汽车无线充电系统中的副边有源整流器的精确控制，需要实时锁定副边高频谐振电流的相位，从而产生稳定的同步信号来同步开关管的触发脉冲。然而，由于同步信号的抖动，目前基于DSP控制器的传统相位同步方法容易产生驱动脉冲丢失，不具有抗干扰特性，无法达到电流相位的精确锁定与驱动脉冲的稳定控制。因而，在实现电动汽车无线充电时，尚未有一种稳定可靠的电流锁相及脉冲生成方法，在副边有源整流器的控制中生成稳定可靠的驱动脉冲。
因此，需要一种电流锁相及脉冲生成方法，以同时实现以上三个需求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种用于电动汽车无线充电的电流锁相及脉冲生成方法，该方法能够实现稳定可靠的高频谐振电流的锁相及驱动脉冲生成，并且具有抗干扰特性。
为达到上述目的，本发明所述的用于电动汽车无线充电的电流锁相及脉冲生成方法包括脉冲生成及电流锁相；
所述脉冲生成的具体过程为：
利用高频电流互感器采样电动汽车无线充电系统中谐振线圈的副边谐振电流iL2，并转发至信号处理单元中，信号处理单元将高频电流互感器输出的电信号转换为带有直流偏置的电压信号uc，然后将所述带有直流偏置的电压信号uc通过滞环比较器进行处理，得到与副边谐振电流信号同相的方波信号i'L2，然后将所述方波信号i'L2输入到DSP处理器中，DSP处理器将所述方波信号i'L2的上升沿作为DSP处理器中PWM1模块的同步信号Sn1，用以初始化PWM1模块中计数器CNT1的相位，计数器CNT1、计数器CNT2及计数器CNT3均采用减计数模式，当计数器CNT1计数至0时，则产生DSP处理器中PWM2模块的同步信号Sn2，通过所述同步信号Sn2初始化PWM2模块中计数器CNT2的相位；当计数器CNT2计数至0时，则产生DSP处理器中PWM3模块的同步信号Sn3，并通过同步信号Sn3初始化PWM3模块中计数器CNT3的相位，其中，计数器CNT1、计数器CNT2及计数器CNT3的初始化值为Pha1、Pha2和Pha3；
当计数器CNT2计数至0时，PWM2模块产生的驱动信号Q1为高电平1，PWM2模块产生的驱动信号Q2为低电平0；当计数器CNT2计数至其最大计数值的一半时，则PWM2模块产生的驱动信号Q1为低电平0，PWM2模块产生的驱动信号Q2为高电平1；当PWM3模块中的计数器CNT3计数至0时，PWM3模块产生的驱动信号Q3为高电平1，PWM3模块产生的驱动信号Q4为低电平0；当PWM3模块中的计数器CNT3计数至其最大计数值的一半时，PWM3模块产生的驱动信号Q3为低电平0，PWM3模块产生的驱动信号Q4为高电平1，通过驱动信号Q1和驱动信号Q2分别控制整流器超前桥臂的上开关管及下开关管；通过驱动信号Q3和驱动信号Q4分别控制整流器滞后桥臂的上开关管及下开关管；
所述电流锁相的具体过程为：
将方波信号i'L2作为PWM1模块的同步信号，将PWM1模块产生的S1A作为参考信号，并使用双D触发器锁定i'L2和S1A的相位差，从而产生相位信号Sph；其次利用DSP处理器中的CAP模块捕捉相位信号Sph的上升沿和下降沿，得相位信息
再通过校准环节，得同步信号Sn2的准确相位信息，其中，
为Sn2的相位参考值，
为Sn2的相位反馈信号，DSP处理器根据
和
通过PID环节，计算计数器CNT1的初始化值Pha1，通过调节计数器CNT1的相位值
控制S1A的相位，以控制同步信号Sn2的相位。
计数器CNT2和计数器CNT3的初始相位值分别为
和
其中，
为Sn2与iz正向过零点的相位差，根据所需要的充电电压和充电电流改变Ds，从而调节
和
PWM1模块产生参考信号S1A，当PWM1模块中的计数器CNT1自然计数至0时，S1A为高电平1，当PWM1模块中的计数器CNT1自然计数至最大计数值的一半时，S1A为低电平0；同时，运用双D触发器获得Sn1与Sn2之间的相位差Sph，并将Sn1与Sn2之间的相位差Sph作为输入信号，利用DSP处理器中的CAP模块得到Sph的相角值
为iL2正向过零点与i'L2上升沿之间的滞环延时角，通过锁相环控制
调节同步信号Sn2的相位。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的用于电动汽车无线充电的电流锁相及脉冲生成方法在具体操作时，通过对耦合线圈的副边谐振电流iL2监控，再基于电流iL2的相位产生准确的同步信号，并根据同步信号控制开关管驱动脉冲的相位，并以此控制副边整流器中开关管的开通与关闭时刻，同时避免整流器开关管的脉冲丢失，实现稳定可靠的高频谐振电流的锁相及驱动脉冲生成，并且具有抗干扰特性，极大地提升了电动汽车无线充电系统的稳定性和可靠性。
附图说明
图1为本发明中系统副边谐振电流锁相及控制的示意图；
图2为本发明中链式触发方式的脉冲生成过程示意图；
图3为本发明中锁相环的工作原理图；
图4为本发明中锁相环的双D触发器电路图；
图5为本发明所提出的基于DSP的电流锁相环控制框图；
图6为本发明中副边谐振电流iL2的过零点检测电路图；
图7为本发明中系统的延时分析图；
图8为原边直流电压V1＝80V时，锁相环的工作波形图；
图9为原边直流电压V1＝80V时，驱动信号的工作波形图；
图10a为原边直流电压V1＝80V，Ds＝0.8时，驱动信号的工作波形图；
图10b为原边直流电压V1＝80V，Ds＝0.5时，驱动信号的工作波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明所述用于电动汽车无线充电的电流锁相及脉冲生成方法包括以下步骤：
所述脉冲生成的具体过程为：
参见图1，利用高频电流互感器采样电动汽车无线充电系统中谐振线圈的副边谐振电流iL2，并转发至信号处理单元中，信号处理单元将高频电流互感器输出的电信号转换为带有直流偏置的电压信号uc，然后将所述带有直流偏置的电压信号uc通过滞环比较器进行处理，得到与副边谐振电流信号同相的方波信号i'L2，然后将所述方波信号i'L2输入到DSP处理器中，DSP处理器将所述方波信号i'L2的上升沿作为DSP处理器中PWM1模块的同步信号Sn1，用以初始化PWM1模块中计数器CNT1的相位。
参见图2，计数器CNT1、计数器CNT2及计数器CNT3均采用减计数模式，当计数器CNT1计数至0时，则产生DSP处理器中PWM2模块的同步信号Sn2，通过所述同步信号Sn2初始化PWM2模块中计数器CNT2的相位；当计数器CNT2计数至0时，则产生DSP处理器中PWM3模块的同步信号Sn3，并通过同步信号Sn3初始化PWM3模块中计数器CNT3的相位，其中，计数器CNT1、计数器CNT2及计数器CNT3的初始化值为Pha1、Pha2和Pha3；
当计数器CNT2计数至0时，PWM2模块产生的驱动信号Q1为高电平1，PWM2模块产生的驱动信号Q2为低电平0；当计数器CNT2计数至其最大计数值的一半时，则PWM2模块产生的驱动信号Q1为低电平0，PWM2模块产生的驱动信号Q2为高电平1；当PWM3模块中的计数器CNT3计数至0时，PWM3模块产生的驱动信号Q3为高电平1，PWM3模块产生的驱动信号Q4为低电平0；当PWM3模块中的计数器CNT3计数至其最大计数值的一半时，PWM3模块产生的驱动信号Q3为低电平0，PWM3模块产生的驱动信号Q4为高电平1，通过驱动信号Q1和驱动信号Q2分别控制整流器超前桥臂的上开关管及下开关管；通过驱动信号Q3和驱动信号Q4分别控制整流器滞后桥臂的上开关管及下开关管；
所述电流锁相的具体过程为：
将方波信号i'L2作为PWM1模块的同步信号，将PWM1模块产生的S1A作为参考信号，并使用双D触发器锁定i'L2和S1A的相位差，从而产生相位信号Sph；其次利用DSP处理器中的CAP模块捕捉相位信号Sph的上升沿和下降沿，得相位信息
再通过校准环节，得同步信号Sn2的准确相位信息，其中，
为Sn2的相位参考值，
为Sn2的相位反馈信号，DSP处理器根据
和
通过PID环节，计算计数器CNT1的初始化值Pha1，通过调节计数器CNT1的相位值
控制S1A的相位，以控制同步信号Sn2的相位。
计数器CNT2和计数器CNT3的初始相位值分别为
和
其中，
其中，
为Sn2与iz正向过零点的相位差，根据所需要的充电电压和充电电流改变Ds，从而调节
和
PWM1模块产生参考信号S1A，当PWM1模块中的计数器CNT1自然计数至0时，S1A为高电平1，当PWM1模块中的计数器CNT1自然计数至最大计数值的一半时，S1A为低电平0；同时，运用双D触发器获得Sn1与Sn2之间的相位差Sph，并将Sn1与Sn2之间的相位差Sph作为输入信号，利用DSP处理器中的CAP模块得到Sph的相角值
为iL2正向过零点与i'L2上升沿之间的滞环延时角，通过锁相环控制
调节同步信号Sn2的相位。
参见图3，为观测和控制Sn2的相位，PWM1模块产生参考信号S1A，当PWM1模块中的计数器CNT1自然计数至0，PWM1模块产生参考信号S1A为高电平1，当计数器CNT1自然计数至PRD/2，PWM1模块产生参考信号S1A为低电平0，同时运用双D触发器来获得Sn1与Sn2之间的相位差Sph，将Sph作为输入信号，运用DSP的CAP模块得到Sn1与Sn2之间的相位差
图2中
为：
其中，
为iL2正向过零点与i'L2上升沿之间的延时角，通过锁相环控制
可以调节同步信号Sn2的相位。
参见图4，双D触发器由两个单独的边沿触发器构成，输入信号为i'L2信号和S1A信号，输出信号为Sph，输出信号与输入信号同频率，占空比代表两个输入信号之间的相位信息，实际上为图3中的
参见图5，本发明用于调节同步信号Sn2的相位，首先，将方波信号i'L2作为PWM1模块的同步信号，PWM1模块产生的S1A作为参考信号，并使用双D触发器锁定i'L2和S1A的相位差从而产生相位信号Sph。其次，用DSP处理器中的CAP模块捕捉Sph信号的上升沿和下降沿，得相位信息
再通过公式(2)校准环节，得同步信号Sn2的准确相位信息，其中，
为Sn2的相位参考值，
为Sn2的相位反馈信号，DSP处理器根据
和
通过PID环节，计算计数器CNT1的初始化值Pha1，通过调节计数器CNT1的相位值
可以准确控制S1A的相位，从而控制同步信号Sn2的相位。
参见图6，设i2s为电流互感器的输出信号，并通过电阻R1转换为电压信号us，us加上偏置2.5V得uc，将uc与参考电压2.5V作比较，通过滞环比较器产生相应的方波信号i'L2。
参见图7，虚线框内为本发明中所提出锁相环的延迟分析，锁相环的延迟部分主要包括两个部分：电流互感器和信号处理单元延时tCT_SP以及滞环比较器延时tHY，电流互感器和信号处理单元延时tCT_SP与硬件电路参数相关，近似为定值，其对应的相位延迟角为
实际物理意义为uc的交流分量与iL2的相位差，相位延迟角
为：
滞环比较器延时tHY与谐振电流的幅值和频率相关，其对应的相位延迟角为
实际物理意义为信号i'L2上升沿与uc的交流分量u'c正向过零点的相位差，滞环比较器延时主要包含两部分：一部分延时thyst是由滞环比较器本身特性决定，其与输入信号的幅值和频率相关；另一部分延时tac则来自于比较器的响应延时，其由器件本身决定，在实际系统中一般采用高速比较器，因此这一部分延时可近似为恒定值，因此
可定义为：
其中，NI为信号iL2与u'c的有效值之比，IL2为信号iL2的有效值，Vref为偏置电压。因此，综合考虑锁相环中的所有延迟，对应的相位差为
其物理意义为信号i'L2上升沿和iL2正向过零点的相位差，其表示为：
为了说明本发明的有效性，采用表1的参数对本发明进行实验验证。
表1
参见图8，采用本发明所述的锁相方法，S1A的上升沿位于iz的正向过零点，S1A的下降沿超前iz的负向过零点tDT，其中，tDT为所设置的驱动脉冲死区时间，通过公式(2)校准环节后，当谐振电流幅值发生变化时，参考信号S1A的上升沿始终跟踪iz的正向过零点，S1A的下降沿超前iz的负向过零点267ns，即为tDT。
参见图9，以同步整流为例，应用本发明后，产生驱动信号Q1和Q3，iz的正向过零点正好位于死区中点，死区时间设为267ns。
参见图10a及图10b，采用本发明后，当整流器占空比Ds改变时，可以精确控制驱动脉冲的相位。
综上所述，采用本发明后，可以实现对电动汽车无线充电系统的高频有源整流器的精确稳定控制，采用滞环比较器获取谐振电流的相位，可以有效地抑制电动汽车无线充电过程中电流在过零点附近的扰动，提升了电流锁相方法的可靠性；采用锁相环可以精确控制同步信号的相位，进而精确地控制驱动脉冲的相位；采用链式触发方式，可以避免驱动脉冲丢失，以保证整流器的稳定可靠运行，具体表现为：1)可以实现副边高频谐振电流的精确锁相；2)可以稳定地产生高频整流器的驱动脉冲，避免驱动脉冲的丢失；3)在电流锁相环中引入滞环比较环节，使得电动汽车无线充电系统具有较强的抗干扰性能。
Claims (2)
1.一种用于电动汽车无线充电的电流锁相及脉冲生成方法，其特征在于，包括脉冲生成及电流锁相；
所述脉冲生成的具体过程为：
利用高频电流互感器采样电动汽车无线充电系统中谐振线圈的副边谐振电流iL2，并转发至信号处理单元中，信号处理单元将高频电流互感器输出的电信号转换为带有直流偏置的电压信号uc，然后将所述带有直流偏置的电压信号uc通过滞环比较器进行处理，得到与副边谐振电流信号同相的方波信号i'L2，然后将所述方波信号i'L2输入到DSP处理器中，DSP处理器将所述方波信号i'L2的上升沿作为DSP处理器中PWM1模块的同步信号Sn1，用以初始化PWM1模块中计数器CNT1的相位，计数器CNT1、计数器CNT2及计数器CNT3均采用减计数模式，当计数器CNT1计数至0时，则产生DSP处理器中PWM2模块的同步信号Sn2，通过所述同步信号Sn2初始化PWM2模块中计数器CNT2的相位；当计数器CNT2计数至0时，则产生DSP处理器中PWM3模块的同步信号Sn3，并通过同步信号Sn3初始化PWM3模块中计数器CNT3的相位，其中，计数器CNT1、计数器CNT2及计数器CNT3的初始化值为Pha1、Pha2和Pha3；
当计数器CNT2计数至0时，PWM2模块产生的驱动信号Q1为高电平1，PWM2模块产生的驱动信号Q2为低电平0；当计数器CNT2计数至其最大计数值的一半时，则PWM2模块产生的驱动信号Q1为低电平0，PWM2模块产生的驱动信号Q2为高电平1；当PWM3模块中的计数器CNT3计数至0时，PWM3模块产生的驱动信号Q3为高电平1，PWM3模块产生的驱动信号Q4为低电平0；当PWM3模块中的计数器CNT3计数至其最大计数值的一半时，PWM3模块产生的驱动信号Q3为低电平0，PWM3模块产生的驱动信号Q4为高电平1，通过驱动信号Q1和驱动信号Q2分别控制整流器超前桥臂的上开关管及下开关管；通过驱动信号Q3和驱动信号Q4分别控制整流器滞后桥臂的上开关管及下开关管；
所述电流锁相的具体过程为：
将方波信号i'L2作为PWM1模块的同步信号，将PWM1模块产生的S1A作为参考信号，并使用双D触发器锁定i'L2和S1A的相位差，从而产生相位信号Sph；其次利用DSP处理器中的CAP模块捕捉相位信号Sph的上升沿和下降沿，得相位信息
再通过校准环节，得同步信号Sn2的准确相位信息，其中，
为Sn2的相位参考值，
为Sn2的相位反馈信号，DSP处理器根据
和
通过PID环节，计算计数器CNT1的初始化值Pha1，通过调节计数器CNT1的相位值
控制S1A的相位，以控制同步信号Sn2的相位。
2.根据权利要求1所述的用于电动汽车无线充电的电流锁相及脉冲生成方法，其特征在于，计数器CNT2和计数器CNT3的初始相位值分别为
和
其中，
为Sn2与iz正向过零点的相位差，根据所需要的充电电压和充电电流改变Ds，从而调节
和
PWM1模块产生参考信号S1A，当PWM1模块中的计数器CNT1自然计数至0时，S1A为高电平1，当PWM1模块中的计数器CNT1自然计数至最大计数值的一半时，S1A为低电平0；同时，运用双D触发器获得Sn1与Sn2之间的相位差Sph，并将Sn1与Sn2之间的相位差Sph作为输入信号，利用DSP处理器中的CAP模块得到Sph的相角值
为iL2正向过零点与i'L2上升沿之间的滞环延时角，通过锁相环控制
调节同步信号Sn2的相位。
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