CN114362387A - 复合pwm控制无线电能传输系统多参数在线识别系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线电能传输技术领域，具体公开一种复合PWM控制无线电能传输系统多参数在线识别系统及方法，系统包括直流电源、高频逆变器、原边能量发射模块、副边能量接收模块、系统负载以及原边信号处理模块；原边信号处理模块包括电流检测电路、DSP模块以及复合调制波SPWM控制电路；DSP模块根据需要识别的参数数量控制复合调制波控制电路输出对应数量不同频率的复合PWM调制波来驱动高频逆变器工作；根据采集的电流信号识别出系统参数。本发明通过检测复合PWM控制电路控制高频逆变器输入的电流，可以实时进行多参数辨识，提升了系统的动态性能；仅在系统发射端进行检测即可进行多参数动态辨识，无需额外的通讯装置，硬件成本低；控制灵活，识别精度高。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及一种复合PWM控制无线电能传输系统多参数在线识别系统及方法。
背景技术
传统的电能传输方式通常采用电缆等连接装置来让用电设备从电网中获取电能。其连接部分会因为裸露在外而受到摩擦从而产生破损和电火花，这不仅会降低电气设备使用寿命，还会威胁到供电的安全，尤其在矿井、油田开采等环境恶劣的场合，甚至会造成重大安全事故。
针对上述问题，无线电能传输方式应运而生。无线电能传输技术，即电网与用电设备之间不需要电缆等连接装置直接连接，极大程度解决了传统供电方式的不足。目前研究最多的无线电能传输方式为感应耦合电能传输(ICPT)技术。随着研究的推进，研究学者们逐渐关注到系统的参数适应性。无线电能传输系统的互感和负载参数存在可变和未知特性，互感和负载参数的变化会导致系统的工作频率发生漂移，偏离系统的谐振频率，让系统稳定性变差，进而给ICPT系统的研究造成困难。
为解决这个难题，目前采用的方法多为根据能量守恒定律，由原副边的能量公式得到负载参数大小，但是由于能量的不可见性，而且此法忽略的因素较多，所以由此法算得的负载参数值并不十分精确。例如，文献《感应电能传输系统参数辨识与恒流控制》通过测得系统原边谐振电压和电流的波形过零点，根据过零点系统储存能量相等测得系统的负载参数大小，但是这种方法由于过零点准确性的问题，测得的阻抗并不精确；文献《非接触电能传输系统的负载识别算法》根据负载参数性质不同时应用不同的系统模型来算出负载参数的大小，但是这种方法没有对原副边互感参数进行测量，次级回路的拾取磁芯与初级回路导轨线圈之间的耦合程度以及导轨线圈的等效电阻和系统的谐振频率的变化都会影响对负载参数的识别，所以对负载参数的识别精度有一定的影响。另外，目前已有的无线电能传输系统互感和负载参数识别算法普遍存在的缺陷在于：在参数识别的同时，无法进行功率的传输，即参数识别与功率传输两种工作状态不可同时进行，无法动态识别互感和负载参数。
发明内容
鉴于上述缺陷，本发明首要目的在于提供一种识别精度高，电路结构简单，而且能够实现互感和负载参数在正常供电模式下进行参数动态识别的系统，通过直接对原边电流进行准确测量，就可以算出互感和负载参数的大小，实现无线电能传输系统互感和负载参数的在线识别。
为实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
一种复合PWM控制无线电能传输系统多参数在线识别系统，其关键在于，包括直流电源、高频逆变器、原边能量发射模块、副边能量接收模块、系统负载以及原边信号处理模块；
所述原边信号处理模块包括用于连接所述原边能量发射模块并采集发射侧电流的电流检测电路、连接所述电流检测电路的DSP模块、以及与所述DSP模块连接并用于驱动所述高频逆变器的复合调制波SPWM控制电路；
所述DSP模块根据需要识别的参数数量控制所述复合调制波控制电路输出对应数量不同频率的复合PWM调制波来驱动所述高频逆变器工作；所述DSP模块根据所述电流检测电路采集的电流信号识别出系统参数，并结合所识别出的系统参数控制所述复合调制波控制电路来改变高频逆变器的输出功率。
可选地，所述原边能量发射模块采用滤波电容Cp和原边磁能发射线圈Lp构成的串联谐振电路。
可选地，所述副边能量接收模块包括顺序连接的副边磁能拾取线圈Ls和副边补偿电容Cs。
可选地，所述原边能量发射模块(3)和所述副边能量接收模块(4)在系统工作频率f0下发生谐振，滤波电容Cp和原边磁能发射线圈Lp之间满足
副边磁能拾取线圈Ls和副边补偿电容Cs之间满足
可选地，当需要识别的参数数量为n时，所述复合调制波控制电路输出n个不同频率的复合PWM调制波；其中一个作为供能调制波，其频率为系统工作频率f0；其余n-1个作为识别调制波，且仅在需要参数识别的暂态内控制所述高频逆变器(2)。
可选地，需要识别的参数包括互感系数M；或/和单个感性负载的电感值和电阻值；或/和单个容性负载的电容值和电阻值；或/和纯阻性负载的电阻值。
可选地，在进行参数识别时，所述DSP模块将所述电流检测电路采集的电流信号进行FFT分析，分解后得到不同频率下发射侧的电流有效值，并基于需要识别的参数构建不同频率下电压、电流等式关系，从而解析得出需要识别的参数。
基于上述系统，本发明的另一目的还在于提供一种复合PWM控制无线电能传输系统多参数在线识别方法，包括以下步骤：
S1：DSP模块根据需要识别的参数数量控制所述复合调制波控制电路输出对应数量不同频率的复合PWM调制波来驱动所述高频逆变器工作，其中一个频率为系统工作频率，使得原边能量发射模块和副边能量接收模块在所述系统工作频率下谐振，副边磁能拾取线圈接收来自原边能量发射模块中的能量并传递给系统负载；
S2：DSP模块通过电流检测电路获取原边能量发射模块中的电流信号，通过快速傅里叶变换FFT分解得到各个频率下的电流有效值；
S3：基于需要识别的参数构建不同频率下电压、电流等式关系，从而解析得出需要识别的参数；
S4：根据识别的参数改变高频逆变器的工作状态使其适应当前负载需求。
可选地，系统周期性进入参数识别状态，执行步骤S1-S4；在非参数识别状态，复合调制波控制电路停止发出非系统工作频率的PWM调制波。
可选地，系统设定能量传输状态和参数识别暂态，系统启动后先进入参数识别暂态，按照步骤S1-S4进行参数识别；然后复合调制波控制电路停止发出非系统工作频率的PWM调制波，系统进入能量传输状态，DSP模块根据电流检测电路继续在线检测电流变化情况，当电流变化超过预设阈值时，系统重新进入参数识别暂态。
本发明的显著效果是：
相比于传统的无线电能传输系统的参数识别方法，本发明解决了传统方法不精确，电路复杂检测困难等问题，并且能够在主电路不切断的情况下根据需要识别的参数数量控制所述复合调制波控制电路输出对应数量不同频率的复合PWM调制波来驱动所述高频逆变器工作，通过检测原边电流直接识别出系统原副边之间互感参数大小以及负载参数的性质和大小，即实现多参数识别和功率传输的同时进行；而且本发明频率和功率调节方便，可以根据需求进行调整，满足负载的需要；同时由于高频逆变器由复合PWM控制方法输出电压，谐波容易消除，提高了参数识别精度。该系统采用复合调制PWM控制方法进行互感和负载参数识别，其步骤简单，对互感和负载参数的识别精度高。
附图说明
图1是本发明的系统电路结构示意图；
图2是本发明的逆变输出电压波形图；
图3是本发明的原边能量发射模块电流波形图；
图4是本发明某一互感和负载参数下的原边能量发射模块电流FFT分析图；
图5是本发明具体实施例中互感和负载参数识别效果对比表(给定互感和负载与识别结果对比表)。
图中标注：1-直流电源；2-高频逆变器；3-原边能量发射模块；4-副边能量接收模块；5-系统负载；6-原边信号处理模块。
具体实施方式
下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
如图1所示，本实施例提供一种复合PWM控制无线电能传输系统多参数在线识别系统，包括直流电源1、高频逆变器2、原边能量发射模块3、副边能量接收模块4、系统负载5以及原边信号处理模块6；
具体实施时，高频逆变器2采用全桥逆变电路，以获得更大的功率输出；直流电源1输出的直流信号经过高频逆变器2进行高频逆变后进入原边能量发射模块3中；以系统工作频率为20kHz的无线电能传输系统为例，原边能量发射模块3采用滤波电容Cp和原边磁能发射线圈Lp构成的串联谐振电路，副边能量接收模块4包括顺序连接的副边磁能拾取线圈Ls和副边补偿电容Cs，其中原边磁能发射线圈Lp电感取值为291μH，滤波电容Cp电容值为0.2176μF，副边磁能拾取线圈Ls电感取值为291μH，副边补偿电容Cs电容值为0.2176μF，直流电源1电压值为24V。使得原边能量发射模块3和副边能量接收模块4在系统工作频率f0下发生谐振，且滤波电容Cp和原边磁能发射线圈Lp之间满足
副边磁能拾取线圈Ls和副边补偿电容Cs之间满足
原边信号处理模块6包括用于连接所述原边能量发射模块3并采集发射侧电流的电流检测电路、连接所述电流检测电路的DSP模块、以及与所述DSP模块连接并用于驱动所述高频逆变器2的复合调制波SPWM控制电路；
所述DSP模块根据需要识别的参数数量控制所述复合调制波控制电路输出对应数量不同频率的复合PWM调制波来驱动所述高频逆变器2工作；所述DSP模块根据所述电流检测电路采集的电流信号识别出系统参数，并结合所识别出的系统参数控制所述复合调制波控制电路来改变高频逆变器2的输出功率，具体可以改变高频逆变器2的工作频率和占空比来实现高频逆变器2输出功率控制和电压调节。
具体实施时，当需要识别的参数数量为n时，所述复合调制波控制电路输出n个不同频率的复合PWM调制波；其中一个作为供能调制波，其频率为系统工作频率f0；其余n-1个作为识别调制波，且仅在需要参数识别的暂态内控制所述高频逆变器2。
下面以识别互感和单个感性负载(M、R、L)三个参数为例来进一步介绍本发明提供的复合PWM控制无线电能传输系统多参数在线识别方法，具体包括以下步骤：
S1：DSP模块根据需要识别的参数数量控制所述复合调制波控制电路输出对应数量不同频率的复合PWM调制波来驱动所述高频逆变器2工作，其中一个频率为系统工作频率，使得原边能量发射模块3中的原边磁能发射线圈和副边能量接收模块4中的副边磁能拾取线圈相耦合，副边磁能拾取线圈接收来自原边能量发射模块中的能量并传递给系统负载5；
本例中需要识别3个参数，M为互感系数、R为单个感性负载的电阻值，L为单个感性负载的电感值；原边信号处理模块控制高频逆变器输出三个不同频率f0、f1和f2的电能，其中一个频率f0为系统传输能量的频率，另外两个频率f1和f2为系统进行参数识别时的频率；
S2：DSP模块通过电流检测电路获取原边能量发射模块3中的电流信号，通过快速傅里叶变换FFT分解得到各个频率下的电流有效值；
此时通过分析可以得到系统原边电流中的传能频率f0下的电流值Ip0，在调制波频率f1下的电流值Ip1以及调制波频率f2下的电流值Ip2；
S3：基于需要识别的参数构建不同频率下电压、电流等式关系，从而解析得出需要识别的参数；
由叠加定理可知，系统原边能量发射模块上分解出的三个频率f0、f1、f2的电流Ip0、Ip1、Ip2，可以看成由电流Ip0、Ip1、Ip2分别单独作用产生，利用叠加定理，建立关于互感参数以及电阻参数的方程组，电阻以阻感性负载为例，建立的方程组为：
根据该方程组即可得到系统互感参数M值以及系统负载的电阻R值和电感L值；式中U0、U1、U2分别为电流Ip0、Ip1、Ip2单独作用时的高频逆变器2输出的电压有效值，ω0、ω1和ω2分别是电流Ip0、Ip1、Ip2单独作用时系统的工作频率；
S4：根据识别的参数改变高频逆变器(2)的工作状态使其适应当前负载需求。
副边阻抗折射到原边后，在谐振状态下，原边总阻抗为：
非谐振状态下，原边总阻抗为：
结合上述过程，当系统设定一个互感和负载(如互感M＝171μH，负载R＝100Ω，L＝100μH)时，根据以上数据，可以得出原边电压为：
U0＝U1＝U2＝0.3Ud＝0.3×24＝7.2V
系统工作频率为：
ω0＝2πf0＝2π×20000＝40000πHz
统进行互感和负载参数检测时加入另外两个频率电能，分别是40kHz和60kHz频率，角频率计算为：
ω1＝2πf1＝2π×40000＝80000πHz
ω2＝2πf2＝2π×60000＝120000πHz
结合上文分析的计算公式，即有：
其中，Ip0、Ip1和Ip2由原边电流的FTT分析结果得出。
由公式：算出
误差为：
算出的互感和负载参数的误差均在工程误差5％以内，即本发明所提系统和方法可以实现无线电能传输系统互感和负载参数识别方法；图2为本发明的逆变输出电压，图3为本发明的原边能量发射模块导轨电流波形，图4为本发明某一互感和负载参数下的原边能量发射模块电流FFT分析图。
此外，通过替换不同的负载还做了多次实验，其统计结果如图5所述，可以看出，系统参数的识别误差均在可接受范围内，充分验证了本发明的可行性。
除了针对单个感性负载的参数识别，系统还可以实现单个容性负载、单个纯阻性负载甚至多个负载接入系统时的参数识别。
具体实施时，系统可以周期性进入参数识别状态，执行步骤S1-S4；在非参数识别状态，复合调制波控制电路停止发出非系统工作频率的PWM调制波。作为另一种实施方式，系统也设定能量传输状态和参数识别暂态，系统启动后先进入参数识别暂态，按照步骤S1-S4进行参数识别；然后复合调制波控制电路停止发出非系统工作频率的PWM调制波，系统进入能量传输状态，DSP模块根据电流检测电路继续在线检测电流变化情况，当电流变化超过预设阈值时，系统重新进入参数识别暂态。
综上可以看出，本发明提供的复合PWM控制无线电能传输系统多参数在线识别系统及方法，通过检测系统输入电流的大小，可以实时进行多参数辨识，提升了系统的动态性能；仅在系统发射端进行检测即可进行多参数动态辨识，无需额外的通讯装置，硬件成本低；控制灵活，识别精度高。
最后需要说明的是，上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种复合PWM控制无线电能传输系统多参数在线识别系统，其特征在于，包括直流电源(1)、高频逆变器(2)、原边能量发射模块(3)、副边能量接收模块(4)、系统负载(5)以及原边信号处理模块(6)；
所述原边信号处理模块(6)包括用于连接所述原边能量发射模块(3)并采集发射侧电流的电流检测电路、连接所述电流检测电路的DSP模块、以及与所述DSP模块连接并用于驱动所述高频逆变器(2)的复合调制波SPWM控制电路；
所述DSP模块根据需要识别的参数数量控制所述复合调制波控制电路输出对应数量不同频率的复合PWM调制波来驱动所述高频逆变器(2)工作；所述DSP模块根据所述电流检测电路采集的电流信号识别出系统参数，并结合所识别出的系统参数控制所述复合调制波控制电路来改变高频逆变器(2)的输出功率。
2.根据权利要求1所述的复合PWM控制无线电能传输系统多参数在线识别系统，其特征在于，所述原边能量发射模块(3)采用滤波电容Cp和原边磁能发射线圈Lp构成的串联谐振电路。
3.根据权利要求2所述的复合PWM控制无线电能传输系统多参数在线识别系统，其特征在于，所述副边能量接收模块(4)包括顺序连接的副边磁能拾取线圈Ls和副边补偿电容Cs。
4.根据权利要求3所述的复合PWM控制无线电能传输系统多参数在线识别系统，其特征在于，所述原边能量发射模块(3)和所述副边能量接收模块(4)在系统工作频率f0下发生谐振，滤波电容Cp和原边磁能发射线圈Lp之间满足
副边磁能拾取线圈Ls和副边补偿电容Cs之间满足
5.根据权利要求1-4任一所述的复合PWM控制无线电能传输系统多参数在线识别系统，其特征在于，当需要识别的参数数量为n时，所述复合调制波控制电路输出n个不同频率的复合PWM调制波；其中一个作为供能调制波，其频率为系统工作频率f0；其余n-1个作为识别调制波，且仅在需要参数识别的暂态内控制所述高频逆变器(2)。
6.根据权利要求5所述的复合PWM控制无线电能传输系统多参数在线识别系统，其特征在于，需要识别的参数包括互感系数M；或/和单个感性负载的电感值和电阻值；或/和单个容性负载的电容值和电阻值；或/和纯阻性负载的电阻值。
7.根据权利要求5所述的复合PWM控制无线电能传输系统多参数在线识别系统，其特征在于，在进行参数识别时，所述DSP模块将所述电流检测电路采集的电流信号进行FFT分析，分解后得到不同频率下发射侧的电流有效值，并基于需要识别的参数构建不同频率下电压、电流等式关系，从而解析得出需要识别的参数。
8.一种复合PWM控制无线电能传输系统多参数在线识别方法，采用权利要求1-7任一所述的复合PWM控制无线电能传输系统多参数在线识别系统，其特征在于，包括以下步骤：
S1：DSP模块根据需要识别的参数数量控制所述复合调制波控制电路输出对应数量不同频率的复合PWM调制波来驱动所述高频逆变器(2)工作，其中一个频率为系统工作频率，使得原边能量发射模块(3)和副边能量接收模块(4)在所述系统工作频率下谐振，副边磁能拾取线圈接收来自原边能量发射模块中的能量并传递给系统负载(5)；
S2：DSP模块通过电流检测电路获取原边能量发射模块(3)中的电流信号，通过快速傅里叶变换FFT分解得到各个频率下的电流有效值；
S3：基于需要识别的参数构建不同频率下电压、电流等式关系，从而解析得出需要识别的参数；
S4：根据识别的参数改变高频逆变器(2)的工作状态使其适应当前负载需求。
9.根据权利要求8所述的复合PWM控制无线电能传输系统多参数在线识别方法，其特征在于，系统周期性进入参数识别状态，执行步骤S1-S4；在非参数识别状态，复合调制波控制电路停止发出非系统工作频率的PWM调制波。
10.根据权利要求8所述的复合PWM控制无线电能传输系统多参数在线识别方法，其特征在于：系统设定能量传输状态和参数识别暂态，系统启动后先进入参数识别暂态，按照步骤S1-S4进行参数识别；然后复合调制波控制电路停止发出非系统工作频率的PWM调制波，系统进入能量传输状态，DSP模块根据电流检测电路继续在线检测电流变化情况，当电流变化超过预设阈值时，系统重新进入参数识别暂态。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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