CN112072941B - 一种基于ipt并联多逆变器的相位同步检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于IPT并联多逆变器的相位同步检测方法和装置，装置包括n个逆变器模块，其中一个逆变器模块为主逆变器模块，其他n‑1个逆变器模块为从逆变器模块；n个驱动电路分别与n个外部的耦合电感ICT_i并联连接，1≤i≤n；每个驱动电路包括4个半桥开关臂，4个半桥开关臂分别与4个耦合电感ICT_ij并联连接，1≤j≤4；本发明根据逆变器输出相位与所有输出相位的平均值之间的误差来反映逆变器电压相位的同步状态，并调节其输出电压相位，实现了并联多逆变器的相位同步，并正确测量并联多逆变器的电压相位的功能。

Description

一种基于IPT并联多逆变器的相位同步检测方法和装置

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种基于IPT并联多逆变器的相位同步检测方法和装置。

背景技术

当前，IPT(inductive power transfer，无线电能传输技术)在现代社会的运用越来越广泛。并联多逆变器拓扑结构是为了实现无线电能传输高功率的一种有效方法，但是对于并联多逆变器，电流平衡是一个主要问题。并联多逆变器拓扑要在各个逆变器之间共享总电流，而电流不平衡则通过适当设计的循环抑制控制器或电路拓扑加以抑制。

在多逆变器并联运行中，电压相位同步也是其中的关键问题。尽管逆变器各个输出电压之间的相位偏差直接反映了相位同步的状态，但由于工作频率高以及被测信号的传播延迟的不一致，使得输出电压相位很难正确测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于IPT并联多逆变器的相位同步检测方法和装置，用于实现并联多逆变器的相位同步，并正确测量并联多逆变器的电压相位的功能。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于IPT并联多逆变器的相位同步检测方法，包括以下步骤：

S1：搭建基于IPT并联多逆变器的相位同步检测装置，包括n个逆变器模块，每个逆变器模块包括控制器、运算器和驱动电路，运算器的信号收发端分别与控制器的信号收发端和驱动电路的信号收发端连接；其中一个逆变器模块为主逆变器模块，其他n-1个逆变器模块为从逆变器模块；主逆变器模块和从逆变器模块的控制器均挂接在CAN总线上；n个驱动电路分别与n个外部的耦合电感ICT_i并联连接，1≤i≤n；每个驱动电路包括4个半桥开关臂，4个半桥开关臂分别与4个耦合电感ICT_ij并联连接，1≤j≤4；

S2：每个逆变器模块的运算器通过过零检测采集所属逆变器模块的驱动电路的电压和电流之间的输出相位，并通过SPI通讯将检测到的输出相位发送给所属逆变器模块的控制器；

S3：从逆变器模块的控制器将所属逆变器模块的输出相位通过CAN通讯或其他通信方式发送给主逆变器模块的控制器；

S4：主逆变器模块计算n个逆变器模块的平均输出相位、输出相位与平均输出相位的偏差，并通过CAN通讯将输出相位与平均输出相位的偏差发送给从逆变器；

S5：从逆变器根据相位偏差调节相角，实现相角同步。

按上述方案，所述的步骤S2中，具体步骤为：

S21：建立驱动电路的等效电路模型；

S22：计算第i个驱动电路的输出电流i_oi；

S23：计算第i个驱动电路的输出电压v_oi；

S24：计算第i个驱动电路的输出阻抗Z_oi；

S25：计算第i个驱动电路的输出相位φ_i；

S26：逆变器模块的运算器将检测到的输出相位发送给所属逆变器模块的控制器。

进一步的，所述的步骤S21中，具体步骤为：设驱动电路外部的耦合电感ICT_i包括一个初级侧电感L_ip、次级侧电感L_is、漏感L_leak和寄生电阻r_ict；设初级侧的运行频率为ω，则总等效串联阻抗的分支阻抗Z_b为：

Z_b＝2jωL_leak+2r_ICT (1)；

设ICT_i的绕组具有相同的匝数，则ICT_i的初级侧电感和次级侧电感的电感等于励磁电感L_M，ICT_i的两个绕组之间的互感M_ICT为：

M_ICT＝L_M (3)，

设第i个驱动电路的输出电流为i_oi，IPT并联多逆变器的总输出电流为i_o，根据频域的基尔霍夫定律，第i个驱动电路的输出电压v_oi和输出电流i_oi之间的关系为：

进一步的，所述的步骤S22中，具体步骤为：设Z_load为输入阻抗，将式(3)代入式(2)得到第i个驱动电路产生的输出电流i_oi；设n＝2，第1个驱动电路的输出电流i_o1和第2个驱动电路的输出电流i_o2分别为：

在支路阻抗Z_b远低于输入阻抗Z_load的条件下，将式(4)简化为：

进一步的，所述的步骤S23中，具体步骤为：设所有驱动电路都由一个公共的直流电压源V_DC供电，驱动电路的输出电压具有相同的幅值V_amp；设θ₁是电压v_o2落后于电压v_o1的相角，则第1个驱动电路的输出电压v_o1和第2个驱动电路的输出电压v_o2分别为：

进一步的，所述的步骤S24中，具体步骤为：第1个驱动电路的输出阻抗Z_o1和第2个驱动电路的输出阻抗Z_o2分别为：

将式(5)和式(6)代入式(7)得到：

进一步的，所述的步骤S25中，具体步骤为：设函数imag和real分别表示虚部和实部，atan2是带有两个参数的反正切函数，输出范围为-π到π；则第1个驱动电路的输出相位φ₁和第2个驱动电路的输出相位φ₂分别为：

进一步的，所述的步骤S4中，具体步骤为：

S41：主逆变器模块的控制器将输出相位发送给主逆变器模块的运算器；

S41：主逆变器模块的运算器计算每个逆变器模块的驱动电路的平均输出相位和输出相位与平均输出相位的偏差，并发送给主逆变器模块的控制器。

进一步的，所述的步骤S5中，具体步骤为：

S51：主逆变器模块的控制器通过CAN通讯将偏差发送给从逆变器模块的控制器；

S52：从逆变器模块的控制器使用PI控制向所属逆变器模块的运算器输出相应补偿后的时钟信号；设K_p和K_i是比例系数和积分系数，∑(Err_{2_avg}(k))代表直到第k次计算为止的偏差Err_{2_avg}的累积，则PI控制算法的公式为：

φ_c2(k+1)＝K_p×Err_{2_avg}(k)+K_i×∑(Err_{2_avg}(k)) (16)；

S53：从逆变器模块的运算器生成驱动器信号控制所属逆变器模块的驱动电路的开关频率，实现相位同步。

一种基于IPT并联多逆变器的相位同步检测装置，包括n个逆变器模块；每个逆变器模块包括控制器、运算器和驱动电路；运算器用于通过过零检测采集驱动电路的电压和电流之间的输出相位，并通过SPI通讯将检测到的输出相位发送给控制器；其中一个逆变器模块为主逆变器模块，其他n-1个逆变器模块为从逆变器模块；主逆变器模块的控制器和从逆变器模块的控制器均挂接在CAN总线上；从逆变器模块的控制器用于通过CAN总线将输出相位发给主逆变器模块的控制器，并根据收到的相位偏差采用PI控制向从逆变器模块的运算器发送补偿后的时钟信号；主逆变器模块的控制器用于接收输出相位并发送给主逆变器模块的运算器，并通过CAN总线将相位偏差发送给从逆变器模块的控制器；主逆变器模块的运算器计算n个逆变器模块的驱动电路的平均输出相位和输出相位与平均输出相位的偏差，并发送给主逆变器模块的控制器；从逆变器模块的运算器用于根据收到的时钟信号生成驱动信号并发送给所述逆变器模块的驱动电路、控制驱动电路的开关频率、实现相位同步；n个驱动电路分别与n个外部的耦合电感ICT_i并联连接，1≤i≤n；每个驱动电路包括4个半桥开关臂，4个半桥开关臂分别与4个耦合电感ICT_ij并联连接，1≤j≤4。

本发明的有益效果为：

本发明的一种基于IPT并联多逆变器的相位同步检测方法和装置，根据逆变器输出相位与所有输出相位的平均值之间的误差来反映逆变器电压相位的同步状态，并调节其输出电压相位，实现了并联多逆变器的相位同步，并正确测量并联多逆变器的电压相位的功能。

附图说明

图1是本发明实施例的IPT并联多逆变器的驱动电路的功能框图。

图2是本发明实施例的IPT并联多逆变器的驱动电路的等效电路图。

图3是本发明实施例的单个驱动电路的电路图。

图4是本发明实施例的通讯功能框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

为了给IPT系统提供稳定的电源，组成并联多逆变器系统的所有逆变器应同相运行；采用主从方案可以实现并行多逆变器系统的相位同步，通过将其中一台逆变器充当引导器，使其他逆变器的频率和相位跟随引导器。尽管各个输出电压之间的相位偏差直接反映了相位同步的状态，但由于工作频率高以及被测信号的传播延迟的不一致，使得输出电压相位很难正确测量；相反，由于所有信号路径都在同一块PCB板上，因此逆变器输出相位的测量更为精确。

参见图4，本发明的一种基于IPT并联多逆变器的相位同步检测装置包括n个逆变器模块，每个逆变器模块包括控制器、运算器和驱动电路，运算器用于通过过零检测采集驱动电路的电压和电流之间的输出相位，并通过SPI通讯将检测到的输出相位发送给控制器；其中一个逆变器模块为主逆变器模块，其他n-1个逆变器模块为从逆变器模块；主逆变器模块的控制器和从逆变器模块的控制器均挂接在CAN总线上，从逆变器模块的控制器用于将输出相位通过CAN总线发给主逆变器模块的控制器，主逆变器模块的控制器用于接收输出相位并发送给主逆变器模块的运算器，主逆变器模块的运算器计算n台逆变器的平均输出相位和输出相位与平均输出相位的偏差并发送给主逆变器模块的控制器，主逆变器模块的控制器通过CAN总线将相位偏差发送给从逆变器模块的控制器；从逆变器模块的控制器用于根据收到的相位偏差采用PI控制向从逆变器模块的运算器发送补偿后的时钟信号；从逆变器模块的运算器用于根据收到的时钟信号生成驱动信号并发送给驱动电路、控制驱动电路的开关频率、实现相位同步。

参见图1，n个驱动电路分别与n个外部的耦合电感ICT_i并联连接，第i个驱动电路的输出电压为v_oi，1≤i≤n，IPT并联多逆变器的总输出电压为v_o；

参见图3，采用直流电源V_DC为每个驱动电路供电，每个驱动电路包括4个半桥开关臂，即4个半桥开关臂拥有一个公共的直流电压源V_DC；为了提供更高的输出电流，4个半桥开关臂分别与4个耦合电感ICT_ij并联连接，第ij个半桥开关臂的输出电压为v_ij，1≤j≤4，如第1个驱动电路中，v₁₁至v₁₄分别是这4个半桥开关臂产生的电压的基本分量；在这些电压中仅有基波分量可以通过LC谐振电路，因此不考虑高次谐波分量和直流分量。

一种基于IPT并联多逆变器的相位同步检测方法，包括以下步骤：

S1：搭建基于IPT并联多逆变器的相位同步检测装置，包括n个逆变器模块，每个逆变器模块包括控制器、运算器和驱动电路，本发明实施例的控制器选用XC6SLX9-3TQG144I或其他类似型号的FPGA，运算器选用STM32F407VGT或其他类似型号ARM；运算器的信号收发端分别与控制器的信号收发端和驱动电路的信号收发端连接，本发明实施例的FPGA与ARM通过SPI通信；其中一个逆变器模块为主逆变器模块，其他n-1个逆变器模块为从逆变器模块；主逆变器模块和从逆变器模块的控制器均挂接在CAN总线上；n个驱动电路分别与n个外部的耦合电感ICT_i并联连接；每个驱动电路包括4个半桥开关臂，4个半桥开关臂分别与4个耦合电感ICT_ij并联连接。

S2：每个逆变器模块的运算器通过过零检测采集所属逆变器模块的驱动电路的电压和电流之间的输出相位，并通过SPI通讯将检测到的输出相位发送给所属逆变器模块的控制器：

S21：建立驱动电路的等效电路模型；

参见图2为图1的等效电路，其中每个ICT_i(例如ICT₁)都包括一个初级侧电感L_ip(例如L_1p)、次级侧电感L_is(例如L_1s)、漏感(两侧漏感为L_leak)和寄生电阻r_ict(例如r_1ct)；设初级侧的运行频率为ω，则表示总等效串联阻抗的分支阻抗Z_b为：

Z_b＝2jωL_leak+2r_ICT (1)；

设驱动电路外部的ICT的所有绕组(即ICT₁至ICT_n)具有相同的匝数，则ICT的初级侧电感和次级侧电感的电感等于励磁电感L_M，ICT的两个绕组之间的互感M_ICT为：

M_ICT＝L_M (3)，

设第i个驱动电路的输出电流为i_oi，IPT并联多逆变器的总输出电流为i_o，根据频域的基尔霍夫定律，第i个驱动电路的输出电压v_oi和输出电流i_oi之间的关系为：

S22：计算第i个驱动电路的输出电流i_oi；

设Z_load为输入阻抗，将式(3)代入式(2)得到第i个驱动电路产生的输出电流i_oi；

本发明的实施例一采用具有两个并联逆变器的系统，第1个驱动电路的输出电流i_o1和第2个驱动电路的输出电流i_o2分别为：

在支路阻抗Z_b远低于输入阻抗Z_load的条件下，将式(4)简化为：

S23：计算第i个驱动电路的输出电压v_oi；

当所有驱动电路都由一个公共的直流电压源V_DC供电时，驱动电路的输出电压具有相同的幅值V_amp；设θ₁是电压v_o2落后于电压v_o1的相角，则第1个驱动电路的输出电压v_o1和第2个驱动电路的输出电压v_o2分别为：

S24：计算第i个驱动电路的输出阻抗Z_oi；

第1个驱动电路的输出阻抗Z_o1和第2个驱动电路的输出阻抗Z_o2分别为：

将式(5)和式(6)代入式(7)得到：

S25：计算第i个驱动电路的输出相位φ_i；

设函数imag和real分别表示虚部和实部，atan2是带有两个参数的反正切函数，输出范围为-π到π；则第1个驱动电路的输出相位φ₁和第2个驱动电路的输出相位φ₂分别为：

本发明的实施例二采用具有三个并联逆变器的系统，由式(2)得到第1个驱动电路的输出电流i_o1、第2个驱动电路的输出电流i_o2和第3个驱动电路的输出电流i_o3分别为：

为了分析输出电压延迟对输出相角的影响，设第1个驱动电路从属于主逆变器模块，设第2个驱动电路和第3个驱动电路的输出电压v_o2、v_o3相同，v_o2～3＝v_o2＝v_o3；设第1个驱动电路的输出电压v_o1超前第2个驱动电路、第3个驱动电路的输出电压v_o2～3θ₁度，则：

第1个驱动电路的输出阻抗Z_o1、第2个驱动电路的输出阻抗Z_o2和第3个驱动电路的输出阻抗Z_o3分别为：

类似的，考虑到所有从逆变器在驱动信号传播延迟方面的等效性，假设所有从逆变器的输出电压都相同；在下面的分析中，v_o1是指主逆变器的输出电压，而其他电压(即v_o2，v_o3，v_o4等)是指从逆变器的电压。

使用与式(11)相同的假设，具有4、5或6个并联逆变器的系统的第i个驱动电路的输出阻抗Z_oi分别在式(13)至式(15)中给出：

通过式(2)中推导出更多数量的并联逆变器的驱动电路的阻抗表达式，在此不再赘述；通过式(9)表示的相同方法推导得到各个逆变器的驱动电路的输出相位；

S26：逆变器模块的运算器将检测到的输出相位发送给所属逆变器模块的控制器。

S3：从逆变器模块的控制器将所属逆变器模块的输出相位通过CAN通讯或其他通信方式发送给主逆变器模块的控制器。

S4：主逆变器模块计算n个逆变器模块的平均输出相位、输出相位与平均输出相位的偏差，并通过CAN通讯将输出相位与平均输出相位的偏差发送给从逆变器：

S41：主逆变器模块的控制器将输出相位发送给主逆变器模块的运算器；

S42：主逆变器模块的运算器计算每个逆变器模块的驱动电路的平均输出相位和输出相位与平均输出相位的偏差，并发送给主逆变器模块的控制器。

S5：从逆变器根据相位偏差调节相角，实现相角同步：

S51：主逆变器模块的控制器通过CAN通讯将偏差发送给从逆变器模块的控制器；

S52：从逆变器模块的控制器使用PI控制向所属逆变器模块的运算器输出相应补偿后的时钟信号；设K_p和K_i是比例系数和积分系数，∑(Err_{2_avg}(k))代表直到第k次计算为止的偏差Err_{2_avg}的累积，则PI控制算法为：

φ_c2(k+1)＝K_p×Err_{2_avg}(k)+K_i×∑(Err_{2_avg}(k)) (16)；

S53：从逆变器模块的运算器生成驱动器信号控制所属逆变器模块的驱动电路的开关频率，实现相位同步。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于IPT并联多逆变器的相位同步检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：搭建基于IPT并联多逆变器的相位同步检测装置，包括n个逆变器模块，每个逆变器模块包括控制器、运算器和驱动电路，运算器的信号收发端分别与控制器的信号收发端和驱动电路的信号收发端连接；其中一个逆变器模块为主逆变器模块，其他n-1个逆变器模块为从逆变器模块；主逆变器模块和从逆变器模块的控制器均挂接在CAN总线上；n个驱动电路分别与n个外部的耦合电感ICT_i并联连接，1≤i≤n；每个驱动电路包括4个半桥开关臂，4个半桥开关臂分别与4个耦合电感ICT_ij并联连接，1≤j≤4；

S2：每个逆变器模块的运算器通过过零检测采集所属逆变器模块的驱动电路的电压和电流之间的输出相位，并通过SPI通讯将检测到的输出相位发送给所属逆变器模块的控制器；

S3：从逆变器模块的控制器将所属逆变器模块的输出相位通过CAN通讯或其他通信方式发送给主逆变器模块的控制器；

S4：主逆变器模块计算n个逆变器模块的平均输出相位、输出相位与平均输出相位的偏差，并通过CAN通讯将输出相位与平均输出相位的偏差发送给从逆变器模块 ；

S5：从逆变器模块 根据相位偏差调节相角，实现相角同步。

2.根据权利要求1所述的一种基于IPT并联多逆变器的相位同步检测方法，其特征在于：所述的步骤S2中，具体步骤为：

S21：建立驱动电路的等效电路模型；

S22：计算第i个驱动电路的输出电流i_oi；

S23：计算第i个驱动电路的输出电压v_oi；

S24：计算第i个驱动电路的输出阻抗Z_oi；

S25：计算第i个驱动电路的输出相位φ_i；

S26：逆变器模块的运算器将检测到的输出相位发送给所属逆变器模块的控制器。

3.根据权利要求2所述的一种基于IPT并联多逆变器的相位同步检测方法，其特征在于：所述的步骤S21中，具体步骤为：设驱动电路外部的耦合电感ICT_i包括一个初级侧电感L_ip、次级侧电感L_is、漏感L_leak和寄生电阻r_ICT；设初级侧的运行频率为ω，则总等效串联阻抗的分支阻抗Z_b为：

Z_b＝2jωL_leak+2r_ICT (1)；

设ICT_i的绕组具有相同的匝数，则ICT_i的初级侧电感和次级侧电感的电感等于励磁电感L_M，ICT_i的两个绕组之间的互感M_ICT为：

M_ICT＝L_M (3)，

设第i个驱动电路的输出电流为i_oi，输入阻抗为Z_load，IPT并联多逆变器的总输出电流为i_o，根据频域的基尔霍夫定律，第i个驱动电路的输出电压v_oi和输出电流i_oi之间的关系为：

4.根据权利要求3所述的一种基于IPT并联多逆变器的相位同步检测方法，其特征在于：所述的步骤S22中，具体步骤为：将式(3)代入式(2)得到第i个驱动电路产生的输出电流i_oi；设n＝2，第1个驱动电路的输出电流i_o1和第2个驱动电路的输出电流i_o2分别为：

在支路阻抗Z_b远低于输入阻抗Z_load的条件下，将式(4)简化为：

5.根据权利要求4所述的一种基于IPT并联多逆变器的相位同步检测方法，其特征在于：所述的步骤S23中，具体步骤为：设所有驱动电路都由一个公共的直流电压源V_DC供电，驱动电路的输出电压具有相同的幅值V_amp；设θ₁是电压v_o2落后于电压v_o1的相角，则第1个驱动电路的输出电压v_o1和第2个驱动电路的输出电压v_o2分别为：

6.根据权利要求5所述的一种基于IPT并联多逆变器的相位同步检测方法，其特征在于：所述的步骤S24中，具体步骤为：第1个驱动电路的输出阻抗Z_o1和第2个驱动电路的输出阻抗Z_o2分别为：

将式(5)和式(6)代入式(7)得到：

7.根据权利要求6所述的一种基于IPT并联多逆变器的相位同步检测方法，其特征在于：所述的步骤S25中，具体步骤为：设函数imag和real分别表示虚部和实部，atan2是带有两个参数的反正切函数，输出范围为-π到π；则第1个驱动电路的输出相位φ₁和第2个驱动电路的输出相位φ₂分别为：

8.根据权利要求7所述的一种基于IPT并联多逆变器的相位同步检测方法，其特征在于：所述的步骤S4中，具体步骤为：

S41：主逆变器模块的控制器将输出相位发送给主逆变器模块的运算器；

S41：主逆变器模块的运算器计算每个逆变器模块的驱动电路的平均输出相位和输出相位与平均输出相位的偏差，并发送给主逆变器模块的控制器。

9.根据权利要求8所述的一种基于IPT并联多逆变器的相位同步检测方法，其特征在于：所述的步骤S5中，具体步骤为：

S51：主逆变器模块的控制器通过CAN通讯将偏差发送给从逆变器模块的控制器；

S52：从逆变器模块的控制器使用PI控制向所属逆变器模块的运算器输出相应补偿后的时钟信号；设K_p和K_i是比例系数和积分系数，∑(Err_{2_avg}(k))代表直到第k次计算为止的偏差Err_{2_avg}的累积，则PI控制算法的公式为：

φ_c2(k+1)＝K_p×Err_{2_avg}(k)+K_i×∑(Err_{2_avg}(k)) (16)；

S53：从逆变器模块的运算器生成驱动器信号控制所属逆变器模块的驱动电路的开关频率，实现相位同步。

10.用于权利要求1到9所述的任意一种基于IPT并联多逆变器的相位同步检测方法的基于IPT并联多逆变器的相位同步检测装置，其特征在于：

包括n个逆变器模块；

每个逆变器模块包括控制器、运算器和驱动电路；

运算器用于通过过零检测采集驱动电路的电压和电流之间的输出相位，并通过SPI通讯将检测到的输出相位发送给控制器；

其中一个逆变器模块为主逆变器模块，其他n-1个逆变器模块为从逆变器模块；

主逆变器模块的控制器和从逆变器模块的控制器均挂接在CAN总线上；

从逆变器模块的控制器用于通过CAN总线将输出相位发给主逆变器模块的控制器，并根据收到的相位偏差采用PI控制向从逆变器模块的运算器发送补偿后的时钟信号；

主逆变器模块的控制器用于接收输出相位并发送给主逆变器模块的运算器，并通过CAN总线将相位偏差发送给从逆变器模块的控制器；

主逆变器模块的运算器计算n个逆变器模块的驱动电路的平均输出相位和输出相位与平均输出相位的偏差，并发送给主逆变器模块的控制器；

从逆变器模块的运算器用于根据收到的时钟信号生成驱动信号并发送给所述逆变器模块的驱动电路、控制驱动电路的开关频率、实现相位同步；

n个驱动电路分别与n个外部的耦合电感ICT_i并联连接，1≤i≤n；

每个驱动电路包括4个半桥开关臂，4个半桥开关臂分别与4个耦合电感ICT_ij并联连接，1≤j≤4。

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