CN115656627A - 一种磁耦合无线电能传输系统频率跟踪方法 - Google Patents

一种磁耦合无线电能传输系统频率跟踪方法 Download PDF

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transmission system
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power transmission
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谢顺利
李中启
陈元华
陈新
李阳政
张瑞宾
闫军
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Guilin University of Aerospace Technology
Hunan University of Technology
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Guilin University of Aerospace Technology
Hunan University of Technology
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Abstract

本发明公开了一种磁耦合无线电能传输系统频率跟踪方法，该方法采用相交S变换检测原边电流与电压的相位差；首先将原边电流与电压检测得到的电压信号和分别通过低通滤波器，得到两路正弦信号，对这两路信号采样得到两路离散信号，然后对两路离散信号做相交S变换，提过提取变换结果确定原边电流与电压的相位差，最后根据相位差调节逆变器开关管的工作频率使系统达到谐振频率，实现频率跟踪。本发明能够快速精确地实现频率跟踪，为磁耦合无线电能传输系统工作在谐振工作状态提供条件。

Description

一种磁耦合无线电能传输系统频率跟踪方法
技术领域
本发明涉及磁耦合无线电能传输系统谐振频率跟踪领域，具体涉及一种频率跟踪的相位差检测方法。
背景技术
无线电能传输技术也称为非接触电能传输技术，是一种借助于空间无线软介质(如电场、磁场、微波等)实现将电能由电源传递至用电设备的一种传输模式，磁耦合谐振式无线电能传输系统具有传输效率高、传输距离较大的优点，在电动汽车充电、家电、医疗设备及工业应用等众多领域具有很大的应用价值。因此，对于磁耦合谐振式无线电能传输的研究具有重要的实际意义。
磁耦合谐振式无线电能传输系统是非线性多参数相交影响的耦合系统，系统的传输性能受系统参数变化的影响很大。在众多参数中，系统的运行频率是影响系统传输性能的关键因素之一。系统是否工作在谐振状态决定了系统能否高效率地传输电能，即系统运行过程中工作频率与谐振频率需要保持一致。然而，当谐振电路的参数、负载大小和传输距离发生变化时，将导致系统的谐振频率偏离原固有谐振频率。当谐振频率发生偏移时，需要采取必要的控制方法使系统工作频率和谐振频保持一致，保证系统高效传输。原边信号的相位差检测是实现频率跟踪的基础，传统的频率跟踪采用模拟锁相环芯片实现，但模拟芯片的抗噪声性能差、可靠性低，难以保证系统可靠运行。本专利针对该问题提供了一种有效方法。
发明内容
本发明给出了一种磁耦合无线电能传输系统频率跟踪方法，用于提取原边电流电压的相位差，为系统工作在谐振状态提供支持条件。
本发明所述的一种磁耦合无线电能传输系统频率跟踪方法，包括低通滤波器模块和相交S变换模块，其中低通滤波器模块用于将两路主电路电流和电压信号滤波，生成两路正弦信号，并将该两路信号采样输出至相交S变换模块。
本发明所述的一种磁耦合无线电能传输系统频率跟踪方法，利用相交S变换检测磁耦合无线电能传输系统主电路原边电流电压的相位差，该方法采用如下步骤：
S1：给定主电路开关频率fr＝85kHz、误差容限值EΦ，进入步骤S2；
S2：利用传感器和信号调理电路得到磁耦合无线电能传输系统的原边电流
Figure BDA0003899150310000011
和原边电压
Figure BDA0003899150310000012
的两路电压信号
Figure BDA0003899150310000013
和
Figure BDA0003899150310000014
进入步骤S3；
S3：将
Figure BDA0003899150310000015
和
Figure BDA0003899150310000016
分别通过截止频率fC＝100kHz的模拟低通滤波器，得到两路正弦电压信号f1(t)和f2(t)，t表示时间，进入步骤S4；
S4：对f1(t)和f2(t)分别采样得到离散信号f1(n)和f2(n)，n是采样序号，进入步骤S5；
S5：对离散信号f1(n)和f2(n)做相交S变换，得到复数向量CST(n)，进入步骤S6；
S6：计算CST(n)的相位得到相位向量
Figure BDA0003899150310000021
进入步骤S7；
S7：计算向量
Figure BDA0003899150310000022
的中间段的均值得到f1(n)和f2(n)的相位差Φ，即：
Figure BDA0003899150310000023
式中N为向量
Figure BDA0003899150310000024
的总长度，round()是取整函数，进入步骤S8；
S8：判断Φ是否小于设定的误差容限值EΦ，若是，进入步骤S10，若否，则进入步骤S9；
S9：更新主电路开关频率：
fr＝fr+kΦ
式中k为修正系数，返回至步骤S2；
S10：输出fr的值，即为磁耦合无线电能传输系统的谐振频率。
本发明所述的一种磁耦合无线电能传输系统频率跟踪方法，其相交S变换模块采用如下步骤：
T1：初始化离散高斯窗g(n)及其频域结果G(m)，进入步骤T2；
T2：输入离散信号f1(n)和f2(n)，进入步骤T3；
T3：对f1(n)和f2(n)分别做离散傅立叶变换得到F1(m)和F2(m)，m为频域采样序号，进入步骤T4；
T4：将F1(m)、F2(m)按mr移位后得到F1(m+mr)和F2(m+mr)，mr是对应于频率fr的频域频率序号，进入步骤T5；
T5：采用下式分别计算两信号f1(n)和f2(n)的单向量S变换Sx(n)：
Sx(n)＝IFFT{G[m]×Fx(m+mr)}
其中IFFT()为快速傅里叶逆变换，x表是1或2，进入步骤T6；
T6：将S2(n)求共轭得到S2 *(n)，进入步骤T7；
T7：将S2 *(n)与S1(n)相乘得到相交S变换CST(n)。
本发明的有益效果是，通过提供磁耦合无线电能传输系统频率跟踪相位差检测方法，能够给磁耦合无线电能传输系统工作在谐振状态提供良好基础，克服硬件方法的高成本和电路复杂等缺点。
附图说明
图1为本发明的磁耦合无线电能传输系统频率跟踪方法实施框图。
图2为本发明的磁耦合无线电能传输系统频率跟踪方法的流程图。
图3为本发明的相交S变换模块的流程图。
图4为本发明的实施举例说明。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施实例进行阐述，需要说明的是，优选实施实例是为了进一步说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
本发明所述的一种磁耦合无线电能传输系统频率跟踪方法，包括低通滤波器模块和相交S变换模块，其中低通滤波器模块用于将主电路的两路原始信号滤波，生成两路正弦信号，并将该两路信号采样输出至相交S变换模块。
图1为本发明的方法磁耦合无线电能传输系统频率跟踪方法实施框图。拓扑结构是无线电能传输4种基础结构的一种，其具有传输距离远和带载能力强的优点。电路主要包括直流电源、高频逆变环节、接收发射线圈、补偿网络、整流环节、滤波及负载等组成。直流电经高频逆变环节产生高频电流送入发射线圈，经发射线圈与接收线圈耦合在副边产生同频率的感应电流，再经整流滤波结构供负载消耗。本发明的磁耦合无线电能传输系统频率跟踪方法根据检测到的原边电流电压，提供两者的相位差Φ，输出到控制器，控制器根据Φ调整PWM发生器的频率进而控制逆变器。
图2为本发明所述的磁耦合无线电能传输系统频率跟踪方法所采用的步骤：
S1：给定主电路开关频率fr＝85kHz、误差容限值EΦ，进入步骤S2；
S2：利用传感器和信号调理电路得到磁耦合无线电能传输系统的原边电流
Figure BDA0003899150310000031
和原边电压
Figure BDA0003899150310000032
的两路电压信号
Figure BDA0003899150310000033
和
Figure BDA0003899150310000034
进入步骤S3；
S3：将
Figure BDA0003899150310000035
和
Figure BDA0003899150310000036
分别通过截止频率fc＝100kHz的模拟低通滤波器，得到两路正弦电压信号f1(t)和f2(t)，t表示时间，进入步骤S4；
S4：对f1(t)和f2(t)分别采样得到离散信号f1(n)和f2(n)，n是采样序号，进入步骤S5；
S5：对离散信号f1(n)和f2(n)做相交S变换，得到复数向量CST(n)，进入步骤S6；
S6：计算CST(n)的相位得到相位向量
Figure BDA0003899150310000037
进入步骤S7；
S7：计算向量
Figure BDA0003899150310000038
的中间段的均值得到f1(n)和f2(n)的相位差Φ，即：
Figure BDA0003899150310000039
式中N为向量
Figure BDA00038991503100000310
的总长度，round()是取整函数，进入步骤S8；
S8：判断Φ是否小于设定的误差容限值EΦ，若是，进入步骤S10，若否，则进入步骤S9；
S9：更新主电路开关频率：
fr＝fr+kΦ
式中k为修正系数，返回至步骤S2；
S10：输出fr的值，即为磁耦合无线电能传输系统的谐振频率。
图3为本发明所述的相交S变换模块采用的步骤：
T1：初始化离散高斯窗g(n)及其频域结果G(m)，进入步骤T2；
T2：输入离散信号f1(n)和f2(n)，进入步骤T3；
T3：对f1(n)和f2(n)分别做离散傅立叶变换得到F1(m)和F2(m)，m为频域采样序号，进入步骤T4；
T4：将F1(m)、F2(m)按mr移位后得到F1(m+mr)和F2(m+mr)，mr是对应于频率fr的频域频率序号，进入步骤T5；
T5：采用下式分别计算两信号f1(n)和f2(n)的单向量S变换Sx(n)：
Sx(n)＝IFFT{G[m]×Fx(m+mr)}
其中IFFT()为快速傅里叶逆变换，x表是1或2，进入步骤T6；
T6：将S2(n)求共轭得到S2 *(n)，进入步骤T7；
T7：将S2 *(n)与S1(n)相乘得到相交S变换CST(n)。
图4为本发明的磁耦合无线电能传输系统频率跟踪方法的应用实例，图4(a)为待分析的电流电压信号；图4(b)为对图3(a)中两个信号通过滤波器的效果，可以看出，两路相位的误差没有变化；图4(c)为用本发明方法对图4(b)经过滤波器后的信号进行相位差检测的结果。
以上所述的本发明的实施方式，并非成为本发明保护范围的限定，倘若对本发明实施方式进行各种变形或修改，但尚在本发明的精神和原则之内，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种磁耦合无线电能传输系统频率跟踪方法，该方法包括低通滤波器模块和相交S变换模块两部分，其特征在于采用如下步骤：
S1：给定主电路开关频率fr＝85kHz、误差容限值EΦ，进入步骤S2；
S2：利用传感器和信号调理电路得到磁耦合无线电能传输系统主电路的原边电流
Figure FDA0003899150300000011
和原边电压
Figure FDA0003899150300000012
的两路电压信号
Figure FDA0003899150300000013
和
Figure FDA0003899150300000014
进入步骤S3；
S3：将
Figure FDA0003899150300000015
和
Figure FDA0003899150300000016
分别通过截止频率fc＝100kHz的模拟低通滤波器，得到两路正弦电压信号f1(t)和f2(t)，t表示时间，进入步骤S4；
S4：对f1(t)和f2(t)分别采样得到离散信号f1(n)和f2(n)，n是采样序号，进入步骤S5；
S5：对离散信号f1(n)和f2(n)做相交S变换，得到复数向量CST(n)，进入步骤S6；
S6：计算CST(n)的相位得到相位向量
Figure FDA0003899150300000017
进入步骤S7；
S7：计算向量
Figure FDA0003899150300000018
中间段的均值得到f1(n)和f2(n)的相位差Φ，即：
Figure FDA0003899150300000019
式中N为向量
Figure FDA00038991503000000110
的总长度，round()是取整函数，进入步骤S8；
S8：判断Φ是否小于设定的误差容限值EΦ，若是，进入步骤S10，若否，则进入步骤S9；
S9：更新主电路开关频率：
fr＝fr+kΦ
式中k为修正系数，返回至步骤S2；
S10：输出fr的值，即为磁耦合无线电能传输系统的谐振频率。
2.根据权利要求1所述的一种磁耦合无线电能传输系统频率跟踪方法，其特征在于，其相交S变换模块采用如下步骤：
T1：初始化离散高斯窗g(n)及其频域结果G(m)，进入步骤T2；
T2：输入离散信号f1(n)和f2(n)，进入步骤T3；
T3：对f1(n)和f2(n)分别做离散傅立叶变换得到F1(m)和F2(m)，m为频域采样序号，进入步骤T4；
T4：将F1(m)、F2(m)按mr移位后得到F1(m+mr)和F2(m+mr)，mr是对应于频率fr的频域频率序号，进入步骤T5；
T5：采用下式分别计算信号f1(n)和f2(n)的单向量S变换Sx(n)：
Sx(n)＝IFFT{G[m]×Fx(m+mr)}
其中IFFT()为快速傅里叶逆变换，x表是1或2，进入步骤T6；
T6：对S2(n)求共轭得到S2 *(n)，进入步骤T7；
T7：将S2 *(n)与S1(n)相乘得到相交S变换CST(n)。
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