CN113141062B - 无线电能传输系统及其移相键控通信前馈补偿方法 - Google Patents

Abstract

无线电能传输系统及其移相键控通信前馈补偿方法，包括直流电源、逆变器、发射侧LC谐振单元、接收侧LC谐振单元、整流器、负载、发射侧通信及控制电路和接收侧通信及控制电路，二者的通信及控制电路分别在两个FPGA板上实现；直流电源通过逆变器连接发射侧LC谐振单元；接收侧LC谐振单元通过整流器连接负载；负载的输出电压经PI控制器连接接收侧脉冲密度控制器，发射侧PDM控制器连接逆变器，接收侧脉冲密度调制器连接整流器。前馈模块的位置在脉冲密度调制器的上一级，其作用为仅改变脉冲密度调制器的输入信号，通过提高接收侧的脉冲密度来弥补相位改变引起的输出电压波动。在不影响接收侧频率调制器的正常工作的基础上，为用户侧提供更加稳定的电压。

Description

无线电能传输系统及其移相键控通信前馈补偿方法

技术领域

本发明涉及近场无线电力传输技术领域，特别涉及无线电能传输系统及其移相键控通信前馈补偿方法。

背景技术

无线电力传输技术可分为远场与近场两大类。其中近场磁耦合谐振式无线电力传输技术实现了距离与效率的最佳平衡，因而被用于电动汽车、手机、植入式医疗等设备的无线充电与供电。在这些应用中，对无线电力传输系统有以下几个需求：

(1)有效的通信手段。无线电力传输系统的闭环控制需要功率发送器和功率接收器之间的通信链接以进行双边合作，因此需要使用近场通信的方法使系统稳定运行。

(2)稳定的输出电压。无线电力传输系统一般情况下作为一种电源用于设备充电，因此接收侧需要提供稳定的输出电压。

在实际工作过程中，无线电能传输系统的传输距离由用户侧决定，负载阻抗会随着充电时间的变化而变化，系统的工作点将与预定的工作点有所差别，因此需要通过近场通信对系统进行有效的控制。然而目前的控制方法往往只针对发射侧与接收侧之间的通信合作，而忽视了输出电压的稳定。尚未有将上述需求同时满足的控制方法论述。

发明内容

本发明的目的是提供无线电能传输系统及其移相键控通信前馈补偿方法，以解决无线电能传输系统的移相键控通信导致的输出电压波动的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

无线电能传输系统，包括直流电源、逆变器、发射侧LC谐振单元、接收侧LC谐振单元、整流器、负载、发射侧通信及控制电路和接收侧通信及控制电路，二者的通信及控制电路分别在两个FPGA板上实现；直流电源通过逆变器连接发射侧LC谐振单元；接收侧LC谐振单元通过整流器连接负载；负载的输出电压经PI控制器连接接收侧脉冲密度控制器，发射侧PDM控制器连接逆变器，接收侧脉冲密度调制器连接整流器。

进一步的，发射侧通信及控制电路包括脉冲信号、PDM控制器、频率解调器、鉴相器和锁相环；脉冲信号输入到PDM控制器，锁相环、鉴相器和频率调节器依次连接，频率调节器连接到PDM控制器，PDM控制器连接逆变器。

进一步的，锁相环连接到发射侧LC谐振单元。

进一步的，接收侧通信及控制电路包括PI调节器、前馈控制器、PDM控制器、频率调制器、移相器和锁相环；PI调节器通过前馈控制器连接到PDM控制器，频率调制器通过移相器连接到PDM控制器，锁相环连接移相器。

进一步的，负载通过模数转换器和PI调节器连接，锁相环连接到接收侧LC谐振单元。

进一步的，提取的发射侧LC谐振单元的电流和发射侧锁相环之间，以及提取的接收侧LC谐振单元的电流和接收侧锁相环之间均连接有过零比较器。

进一步的，发射侧LC谐振单元和接收侧LC谐振单元均包括自感线圈、等效串联电阻和谐振电容；谐振电容、自感线圈和等效串联电阻依次串联。

进一步的，无线电能传输系统的移相键控通信前馈补偿方法，包括以下步骤：

S1：直流电源V_in向系统供电，逆变器将直流电转换为交流电，产生谐振电流i₁，经过磁耦合谐振，感应出电流i₂，经过整流器将交流电转换为负载所需的直流电V_o；

S2：V_o经过数模转化器进入PI调节器，与预设的参考电压比较，PI调节器输出一个控制量，即脉冲密度d₂；

S3：将信号d₂送入接收侧的频率调制器，得到一个调制信号：相位角α₂；将提取的谐振电流i₂经过发射侧过零比较器与锁相环，得到一个和它同频率同相位的脉冲信号p₂，再通过移相器将其移相α₂得到脉冲信号c₂；

S5：谐振电流i₁经过接收侧过零比较器与锁相环，得到脉冲信号p₁；c₁是系统产生的一个脉冲信号，其频率与系统谐振频率一致；将p₁和c₁送入鉴相器，得到二者的相位差α₁，将其送入频率解调器，解调过程与S3中的调制过程是完全可逆的，得到脉冲密度 d₁；

S6：将所得信号d₁与c₁送入发射侧的ΔΣPDM控制器，产生相应的驱动信号V_gs-S1-4制逆变器，实现WPT系统中移相键控通信的目的；

S7：与此同时，将信号d₂输入至前馈补偿器，通过计算得到新的输入信号d₂’；

S8：将所得信号c₂和d₂’送入接收侧的ΔΣPDM控制器，产生相应的驱动信号V_gs-S5-8控制整流器，达到提高输出电压稳定性的目的。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明通过在接收侧的PI控制器与脉冲密度调制器之间增加一个前馈补偿模块。将PI控制器计算得到的脉冲密度d2送入频率调制器；以此同时，经过前馈装置准确地计算，实时调整脉冲密度调制器的输入信号。可以做到在不影响无线电能传输系统移相键控通信的同时，有效补偿发射侧输出电压的波动，为负载提供更加稳定可靠的电能。

本发明前馈模块的位置在脉冲密度调制器的上一级，其作用为仅改变脉冲密度调制器的输入信号，通过提高接收侧的脉冲密度来弥补相位改变引起的输出电压波动。在不影响接收侧频率调制器的正常工作的基础上，为用户侧提供更加稳定的电压。

附图说明

图1是本发明控制方法的无线电力传输系统的结构图；

图2是移相键控通信前馈补偿的无线电能传输系统的理想工作波型；

图3是前馈控制器的控制框图。

图4是不含前馈补偿装置的WPT系统工作波形。

图5是含前馈补偿装置的WPT系统工作波形。

图6为含移相键控通信WPT系统与加设前馈补偿结构的WPT系统的输出电压的对比。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

结合附图1至6，通过在接收侧的PI控制器与ΔΣPDM调制器之间增加一个前馈补偿模块。将PI控制器计算得到的脉冲密度d₂送入频率调制器；以此同时，经过前馈装置准确地计算，实时调整脉冲密度调制器的输入信号。可以做到在不影响无线电能传输系统移相键控通信的同时，有效补偿发射侧输出电压的波动，为负载提供更加稳定可靠的电能。

对所述前馈补偿模块的具体描述为：

前馈补偿装置的输入信号为PI控制器的计算结果d₂。补偿原理为接收侧的电压u₂与谐振电流i₂之间的相位差的改变，在开环运行的情况下，二者的相位差应为л；闭环移相键控通信要求通过一个相位差达到发射侧与接收侧近场通信的目的，即Δα，这会导致二者相位差在л-Δα与л之间切换，从而使得输出电压产生波动。通过分析d₂与相位差和输出功率三者之间的联系，经过功率平衡原理精确的计算设计出一个前馈补偿模块。

首先通过计算可以得到系统的输出功率

由上式可知，当Δα＝0时，系统的输出功率全部为有功功率；当Δα≠0时，由于无功功率的存在，输出功率会有所降低。通信过程中要求Δα不断变化，因此会导致输出电压的波动。

为满足通信的要求，Δα的值需要在零和一个固定值之间持续切换，Δα的动态变化过程会导致输出功率的波动。为了保证功率平衡，应满足函数关系f(Δα＝0,d₂)＝f(Δα≠0,d₂’)，我们根据功率守恒原理来设计前馈功率补偿器。

可以推导得出d₂’与d₂的函数关系为:

前馈补偿装置的输出信号为d₂’。当电压与谐振电流的相位差为л时，前馈补偿输出信号等于输入信号，即d₂’等于d₂；当二者的相位差改变为л-Δα时，为了补偿输出电压的波动，前馈补偿进过计算得到一个新的输出信号d₂’。

前馈模块的位置在ΔΣ脉冲密度调制器的上一级，其作用为仅改变脉冲密度调制器的输入信号，通过适当提高接收侧的脉冲密度来弥补相位改变引起的输出电压波动。在不影响接收侧频率调制器的正常工作的基础上，为用户侧提供更加稳定的电压。

图1是本发明控制方法的无线电力传输系统的结构图，其中V_in和V_o分别是系统的输入和输出直流电压，R_L是负载电阻，M是两侧线圈的耦合系数，L₁和L₂为两侧线圈的自感，R₁和R₂为两侧线圈的等效串联电阻，C₁和C₂为两侧的谐振电容，d₁和d₂分别为发射侧与接收侧的脉冲密度，d₂’为前馈补偿计算的接收侧的脉冲密度，c₁和c₂分别为发射侧与接收侧的脉冲信号，α₁和α₂分别为发射侧与接收侧的电压与谐振电流的相位差。

图2是移相键控通信前馈补偿的无线电能传输系统的理想工作波型，其中电压u₁与谐振电流i₁为接收侧的波形，α₁为二者的相位差；其中电压u₂与谐振电流i₂为接收侧的波形，α₂为二者的相位差。

本发明所述无线电能传输系统的移相键控通信前馈补偿方法满足对系统的主要要求：在保证接收侧与发射侧的近场通信正常进行的同时，提供稳定的输出电压。本发明方法完整的步骤如下

S1：直流电源V_in向系统供电，逆变器将直流电转换为交流电，产生谐振电流i₁，经过磁耦合谐振，感应出电流i₂，经过整流器将交流电转换为负载所需的直流电V_o；

S2：V_o经过数模转化器进入PI调节器，与预设的参考电压比较，PI调节器输出一个控制量，即脉冲密度d₂；

S3：将信号d₂送入接收侧的频率调制器，得到一个调制信号：相位角α₂。将提取的谐振电流i₂经过发射侧过零比较器与锁相环，得到一个和它同频率同相位的脉冲信号p₂，再通过移相器将其移相α₂得到脉冲信号c₂；

S5：谐振电流i₁经过接收侧过零比较器与锁相环，得到脉冲信号p₁。c₁是系统产生的一个脉冲信号，其频率与系统谐振频率一致。将p₁和c₁送入鉴相器，得到二者的相位差α₁，将其送入频率解调器，解调过程与S3中的调制过程是完全可逆的，得到脉冲密度 d₁；

S6：将所得信号d₁与c₁送入发射侧的ΔΣPDM控制器，产生相应的驱动信号V_gs-S1-4制逆变器。可实现WPT系统中移相键控通信的目的；

S7：与此同时，将信号d₂输入至前馈补偿器，通过计算得到新的输入信号d₂’；

S8：将所得信号c₂和d₂’送入接收侧的ΔΣPDM控制器，产生相应的驱动信号V_gs-S5-8控制整流器。可达到有效提高输出电压稳定性的目的；

参见图1，系统的能量传输部分由直流电源、逆变器、发射侧LC谐振单元、接收侧LC谐振单元、整流器、负载组成。逆变器与整流器分别由发射侧与接收侧的ΔΣPDM调制器控制。发射侧调制器的输入信号有两个：与谐振频率相同的独立脉冲信号c₁、经过解调α₁得到的脉冲密度d₁；接收侧调制器的输入信号也有两个：经过将p₂移相α₂得到的脉冲信号c₂，PI调节器输出的脉冲密度d₂，但为了补偿输出电压，将d₂经过一个前馈控制器计算得到d₂’，将此信号作为调制器最终的输入信号。

参见图2，u₁与i₁为发射侧的电压与电流，正常运行时其相位差为0；u₂与i₂为接收侧的电压与电流，正常运行时其相位差为л。为了实现系统的移相键控通信的目的，必须需要制造一个小的相位差Δα，这会使得u₁与i₁相位差变为Δα，u₂与i₂变为л-Δα。而相位差的改变会导致接收侧的等效电阻从一个纯阻性的电阻变为一个带有一定容性的电阻，并反射给发射侧，这一过程会使得系统输出电压有所降低。而在系统运行过程中，相位差发生变化导致输出电压的波动，为了不影响系统的近场通信，需要一个前馈控制器来提高输出电压的稳定性。

参见图3，V_o经过一个数模转化器进入PI调节器，与参考电压比较，PI调节器输出脉冲密度d₂，将信号输入至前馈控制器。前馈控制器的计算公式为

当u₂与i₂的相位差为л时，即Δα＝0，说明系统的输出电压为正常的，不需要进行补偿，输出d₂’＝d₂；当u₂与i₂的相位差为л时，即Δα≠0，此时的输出电压会有所降低，为了维持输出电压的稳定，需要适当提高脉冲密度，经过前馈控制器计算得到一个新的脉冲密度d₂’。

为了说明本发明所述控制方法的有效性，利用表1的参数对系统进行仿真。

表1用于仿真计算的系统参数

谐振电感L<sub>1</sub>,L<sub>2</sub>	63.3μH
		谐振电容C<sub>1</sub>,C<sub>2</sub>	400pF
等效串联电阻R<sub>1</sub>,R<sub>2</sub>	1Ω
		耦合系数k	0.03
负载电阻R<sub>L</sub>	20Ω
		滤波电容C<sub>f</sub>	6μF
谐振频率f<sub>r1</sub>，f<sub>r2</sub>	1MHZ
		开关频率fs	1MHZ
调制信号Δα深度	7.2°
		输入直流电压V<sub>in</sub>	50V
给定输出电压V<sub>o-ref</sub>	50V

参见图4，当采用无线电能传输系统采用移相键控通信，且没有采用前馈补偿装置时，调制信号Δα在0°与7.2°之间不断切换，当Δα＝0°时，输出电压为正常；当Δα＝7.2°时，此时的输出电压会有所降低，因此系统的输出电压会产生明显的波动，

参见图5，当采用无线电能传输系统采用移相键控通信，且采用前馈补偿装置时，调制信号Δα在0°与7.2°之间不断切换，其电压电流相位关系与图4一致，说明满足了系统的近场通信的要求。由于前馈补偿装置实时调整接收侧ΔΣPDM控制器的d₂’，有效消除了系统输出电压的波动。

参见图6，当采用无线电能传输系统采用移相键控通信时，应用本发明的前馈补偿方法后，输出电压基本保持稳定，而未进行补偿的系统的输出电压会产生明显的波动。

总之，应用本发明的控制方法之后，无线电能传输系统的性能会有明显的提高，具体表现为：(1)系统能够通过移相键控通信达到理想的工作状态，(2)系统能够向负载提供更加可靠稳定的输出电压。

Claims (5)

1.无线电能传输系统的移相键控通信前馈补偿方法，其特征在于，基于无线电能传输系统，所述系统包括：

直流电源、逆变器、发射侧LC谐振单元、接收侧LC谐振单元、整流器、负载、发射侧通信及控制电路和接收侧通信及控制电路，二者的通信及控制电路分别在两个FPGA板上实现；直流电源通过逆变器连接发射侧LC谐振单元；接收侧LC谐振单元通过整流器连接负载；负载的输出电压经PI调节器连接接收侧PDM控制器，发射侧PDM控制器连接逆变器，接收侧脉冲密度调制器连接整流器；

发射侧通信及控制电路包括脉冲信号、PDM控制器、频率解调器、鉴相器和锁相环；脉冲信号输入到PDM控制器，锁相环、鉴相器和频率调节器依次连接，频率调节器连接到PDM控制器，PDM控制器连接逆变器；

接收侧通信及控制电路包括PI调节器、前馈控制器、PDM控制器、频率调制器、移相器和锁相环；PI调节器通过前馈控制器连接到PDM控制器，频率调制器通过移相器连接到PDM控制器，锁相环连接移相器；

包括以下步骤：

S1：直流电源V_in向系统供电，逆变器将直流电转换为交流电，产生谐振电流i₁，经过磁耦合谐振，感应出电流i₂，经过整流器将交流电转换为负载所需的直流电V_o；

S2：V_o经过数模转化器进入PI调节器，与预设的参考电压比较，PI调节器输出一个控制量，即脉冲密度信号d₂；

S3：将脉冲密度信号d₂送入接收侧的频率调制器，得到一个调制信号：相位角α₂；将提取的谐振电流i₂经过接收侧过零比较器与锁相环，得到一个和它同频率同相位的脉冲信号p₂，再通过移相器将其移相α₂得到脉冲密度信号c₂；

S4：谐振电流i₁经过发射侧过零比较器与锁相环，得到脉冲信号p₁；c₁是系统产生的一个脉冲信号，其频率与系统谐振频率一致；将p₁和c₁送入鉴相器，得到二者的相位差α₁，将其送入频率解调器，解调过程与S3中的调制过程是完全可逆的，得到脉冲密度信号d₁；

S5：将所得脉冲密度信号d₁与c₁送入发射侧的PDM控制器，产生相应的驱动信号V_gs-S1-4控制逆变器，实现WPT系统中移相键控通信的目的；

S6：与此同时，将脉冲密度信号d₂输入至前馈控制器，通过计算得到新的输入信号d₂‘；

S7：将所得脉冲密度信号c₂和d₂‘送入接收侧的PDM控制器，产生相应的驱动信号V_gs-S5-8控制整流器，达到提高输出电压稳定性的目的。

2.根据权利要求1所述的无线电能传输系统的移相键控通信前馈补偿方法，其特征在于，锁相环连接到发射侧LC谐振单元。

3.根据权利要求1所述的无线电能传输系统的移相键控通信前馈补偿方法，其特征在于，负载通过模数转换器和PI调节器连接，锁相环连接到接收侧LC谐振单元。

4.根据权利要求1所述的无线电能传输系统的移相键控通信前馈补偿方法，其特征在于，提取的发射侧LC谐振单元的电流和发射侧锁相环之间，以及提取的接收侧LC谐振单元的电流和接收侧锁相环之间均连接有过零比较器。

5.根据权利要求1所述的无线电能传输系统的移相键控通信前馈补偿方法，其特征在于，发射侧LC谐振单元和接收侧LC谐振单元均包括自感线圈、等效串联电阻和谐振电容；谐振电容、自感线圈和等效串联电阻依次串联。

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