CN117022005A - 一种用于能源自治的无人平台无线充电控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于能源自治的无人平台无线充电控制系统，包括：包括：无线充电系统发射端、无线充电系统接收端、风光互补基站和无人平台；无线充电系统发射端安装在风光互补基站内，无线充电系统接收端安装在无人平台内；风光互补基站为无线充电系统提供电能，无线充电系统发射端为无线充电系统接收端供电，无线充电系统接收端接收发射端耦合线圈的磁场并转换为电能，电能经过整流电路和Buck电路后为锂电池充电，锂电池为无人平台供电。本发明的优点是：具有动态调节能力强和鲁棒性好，保证了充电电池的安全可靠性，提高充电效率。

Description

一种用于能源自治的无人平台无线充电控制系统

技术领域

本发明涉及无人平台无线充电技术领域，特别涉及一种用于能源自治的无人平台无线充电控制系统。

背景技术

近年来，随着人工智能和信息技术的发展，无人平台在无人巡检领域应用日益增多，它具有牵引力大、爬坡能力强等优点，能胜任多种环境下的巡检任务，

而能源自治无人平台不仅具备了自主巡检能力，并且在巡检过程中能够实现能量的自我补充，无需人工干预。该平台装有基于三维激光雷达、双目相机、超声波、和组合导航融合的环境感知系统，车载光伏电池、锂电池、无线充电二次测装置能源系统，履带式电机驱动系统等，并在巡检线路中布置固定充电基站及无线充电一次侧装置，实现无人平台能源自治下的智能自主巡检。车载光伏、锂电池和无线充电(Wireless Power Transfer,WPT)系统构成了无人平台的能源系统，工作过程中能量供应一般由锂电池提供，车载光伏在应急情况下为锂电池充电，而无线充电系统保证了平台在没有人工干预的情况下能独立完成在充电基站充电，提高了无人平台的灵活性、自主性、安全性。

无线充电系统是一种利用磁场形式实现电能在空间传播的新型技术，其输出电流电压受互感、阻值等参数扰动影响大，是一个非线性、时变和不确定性系统。受充电场地平坦程度以及停靠角度等因素的影响，无人平台在自主停车过程中会存在偏差，使得无线充电系统中的互感耦合系数会发生小范围扰动，充电过程中锂电池电阻值会随充电时间的变化而发生变化。针对这些因素引起的无线充电系统输出电流电压不稳定对锂电池损坏问题，

无人平台无线充电系统的发射线圈一般铺设在地面上，与无人平台底盘接收线圈有一定距离，这就会导致线圈耦合系数下降，系统传输效率降低。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种用于能源自治的无人平台无线充电控制系统。提出了无线充电系统二次侧闭环恒流恒压自抗扰控制(Automatic DisturbanceRejection Control,ADRC)。通过控制升降装置抬升，缩短两耦合线圈间距，从而提升锂电池充电效率。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种用于能源自治的无人平台无线充电控制系统，包括：无线充电系统发射端、无线充电系统接收端、风光互补基站和无人平台；

所述无线充电系统发射端安装在风光互补基站内，无线充电系统接收端安装在无人平台内；

所述无线充电系统发射端包括：发射端DSP控制系统、逆变电路、谐振电路、发射端耦合线圈；

风光互补基站为无线充电系统提供电能，电能经逆变电路、谐振电路后由发射线圈产生高频磁场，发射端DSP控制系统实现对逆变电路的控制，谐振电路用于提升电能传输效率。

无线充电系统接收端位于无人平台内，无线充电系统接收端包括：接收端DSP控制系统、接收端耦合线圈、采样电路、PWM发生器、驱动电路、Buck电路、整流电路和锂电池；

其中接收端耦合线圈安装于无人平台底部，用于接收发射端耦合线圈的磁场并转换为电能，电能经过整流电路和Buck电路后为锂电池充电，锂电池为无人平台供电；

采样电路实时采集输入至锂电池中的负载电流电压信号并传递给ADRC控制器，ADRC控制器通过估计各状态变量以及总扰动并进行扰动补偿，最后将输出的控制信号作用于PWM发生器，经驱动电路后控制Buck变换器进行PWM脉宽调制，完成系统恒流恒压闭环输出；

进一步地，所述ADRC控制器包括：二阶非线性跟踪微分器、三阶非线性扩张状态观测器和非线性状态误差反馈控制器；

二阶非线性跟踪微分器(TD)，用来对充电电流电压目标值进行平滑处理；

三阶非线性扩张状态观测器(ESO)，用来对输出电流电压值进行估计，并估计出系统总扰动量；

非线性状态误差反馈控制器(NLSEF)，通过计算目标值与实际输出的误差得到控制量并作用于被控对象来消除误差。

进一步地，TD的具体形式为：

式中，v₁为电流电压目标值的跟踪信号；v₂为v₁的微分信号，I_4-ref为恒流输出目标值，U_5-ref为恒压输出目标值，U_T为恒流恒压控制切换电压值，r为速度因子,h₀为滤波因子，fhan为非线性最速控制综合函数。

ESO的具体形式为：

式中，z₁为输出电流I_L、输出电压U_L的估计值；z₂为输出量微分信号的估计值；z₃系统总扰动的估计值；β₁，β₂，β₃为观测器增益；b为控制增益；fal为非线性函数；δ为函数线性区域的长度；α为误差指数变化参数。

NLSEF的具体形式为：

式中，u_o为非线性组合的输出，k_p为比例系数，k_d为微分系数，u为总扰动估计补偿后的控制量。

进一步地，所述无人平台无线充电控制系统还包括线圈升降装置；

发射端DSP控制系统实现对线圈升降装置的控制，发射端耦合线圈安装在线圈升降装置上，当无人平台到达充电位置时，发射端DSP控制系统通过PWM控制线圈升降装置抬升发射端耦合线圈，进而调节发射端耦合线圈和接收端耦合线圈的距离。

进一步地，发射线圈升降装置包括底座和电机控制系统。底座安装有直流电机、同步连杆、剪式传动连杆、滑槽、支撑板、超声波模块，将发射端耦合线圈安装于支撑板上，直流电机的驱动轴与同步连杆相连，同步连杆与剪式传动连杆相连接，直流电机通过正反转带动同步连杆在滑槽上往复运动，进而带动剪式传动连杆上下运动，实现发射端耦合线圈的升降。超声波模块用于准确测量发射端耦合线圈和接收端耦合线圈间距。DSP控制器不断接收超声波模块传递的距离信息，进而控制直流电机进行正传或反转来完成两线圈距离的调整，使得线圈间距达到最佳。

本发明还公开了一种用于能源自治的无人平台无线充电控制方法，包括以下步骤：

S1：将DSP控制器中系统时钟、GPIO端口、AD采样程序、ePWM程序、ADRC控制器参数以及中断程序进行初始化，ePWM是DSP控制器程序里的ePWM子程序，用来配置PWM发生器输出波形。

S2：设置中端程序：将Buck变换器输出电流、电压通过AD采样电路转化成数字量，并判断系统是否过流过压，接着判断输出模式是否转换，最后通过ADRC控制器计算更新PWM占空比。

进一步地，ADRC控制器实现的流程如下：

首先是读入目标值v和AD模块采样值y，然后分别计算TD和ESO来跟踪给定信号和采样信号及微分信号，估计出系统总扰动量，最后对电流或电压的误差以及微分信号的误差进行非线性控制运算，并对扰动量进行补偿，输出最终的控制量信号u。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.可以有效降低由于耦合线圈发生偏移或电池负载变化所造成系统输出电流、电压的波动，具有动态调节能力强和鲁棒性好的优点。

2.采用恒流恒压二段式闭环充电方式，保证了充电电池的安全可靠性。

3.采用可升降式装置，通过对线圈距离的准确把控可有效提高无人平台无线充电系统的充电效率。

附图说明

图1是本发明实施例无人平台无线充电控制系统结构示意图；

图2是本发明实施例LCC-S的WPT系统恒流恒压控制原理框图；

图3是本发明实施例ADRC控制框图；

图4是本发明实施例主程序流程图；

图5是本发明实施例中断流程图；

图6是本发明实施例ADRC控制流程图；

图7是本发明实施例线圈可升降式装置结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。

为实现WPT系统恒流恒压二段式闭环控制，本发明基于DSP28335控制器进行系统设计，具体包括无线充电闭环控制系统设计、发射线圈升降装置设计，系统整体结构如图1所示。

在一次侧发射端系统中，风光互补基站为无线充电系统提供电能，经逆变、谐振电路后由发射线圈产生高频磁场，发射线圈安装于升降装置上方，实现对两线圈距离的调节。二次侧接收端系统中，接收线圈安装于无人平台底盘，感应一次侧线圈高频磁场后产生电能，经整流、Buck电路后为锂电池充电。

一、无人平台无线充电控制系统

1、无线充电系统二次侧闭环恒流恒压自抗扰控制器(Automatic DisturbanceRejection Control,ADRC)核心思想是将系统未建模的部分和未知的外部扰动等不确定因素都归结于系统的总扰动并进行估计和补偿。为了在LCC-S的WPT系统中实现闭环精准调控输出电流电压，采用二次侧闭环控制的Buck变换器，如图2所示，控制原理为：采样电路实时采集负载电流电压信号并传递给ADRC控制器，控制器通过估计各状态变量以及总扰动并进行扰动补偿，最后将输出的控制信号作用于PWM发生器，经驱动电路后控制Buck变换器进行输出调节，完成系统恒流恒压闭环输出。

如图3所示，根据WPT系统模型对ADRC控制器进行设计，包括三部分：

(1)二阶非线性跟踪微分器(TD)，用来对充电电流电压目标值进行平滑处理，具体形式为：

式中，v₁为电流电压目标值的跟踪信号；v₂为v₁的微分信号，I_4-ref为恒流输出目标值，U_5-ref为恒压输出目标值，U_T为恒流恒压控制切换电压值。

(2)三阶非线性扩张状态观测器(ESO)，用来对系统输出电流电压值进行估计，并估计出系统总扰动量，具体形式为：

式中，z₁为输出电流I_L、输出电压U_L的估计值；z₂为输出量微分信号的估计值；z₃系统总扰动的估计值；β₁，β₂，β₃为观测器增益；b为控制增益；fal为非线性函数。

(3)非线性状态误差反馈控制器(NLSEF)，通过计算目标值与实际输出的误差得到控制量并作用于被控对象来消除误差，具体形式为：

式中，u_o为非线性组合的输出，k_p为比例系数，k_d为微分系数，u为总扰动估计补偿后的控制量。

2、无线充电系统按功能划分主要分为主电路和辅助电路。主电路包括一次侧高频逆变电路、谐振网络、耦合线圈，二次侧谐振网络、耦合线圈、高频整流电路、Buck电路。辅助电路包括采样电路、控制电路和驱动电路。

(1)耦合线圈是无线充电系统的核心机构，用来实现能量的发送和接收。

(2)谐振补偿网络用来使WPT系统发生谐振提升传输效率。

(3)WPT系统中高频逆变电路是将直流电转变为高频交流电的电气装置。

(4)二次侧线圈接收到单相高频交流电后，需要整流为直流电供负载使用，所以系统在二次侧加入了高频整流电路。

(5)WPT系统依靠Buck电路调节系统输出来实现恒流恒压二段式闭环控制。

3、WPT系统二次侧闭环控制程序的功能是实时检测系统输出电压电流，通过ADRC控制器对后级Buck变换器进行PWM脉宽调制，实现系统恒流恒压闭环控制。本发明基于DSP28335控制器；

程序设计主要包括：主程序，中断程序，ADRC算法程序。主程序如图4所示，其中，将系统时钟、GPIO端口、AD采样、ePWM、控制器参数以及中断程序进行初始化。中断程序如图5所示，其中，将Buck变换器输出电流、电压通过AD转换模块转化成数字量，并判断系统是否过流过压，接着判断输出模式是否转换，最后通过ADRC控制器计算更新PWM占空比。系统时钟、GPIO端口的初始化是DSP控制器程序中的子程序。AD采样是DSP控制器程序里的AD采样子程序；AD转换模块为硬件电路中的AD采样电路。ePWM是DSP控制器程序里的ePWM子程序，用来配置PWM发生器输出波形；PWM发生器是硬件电路。

ADRC控制器实现的流程图如图6所示，首先是读入目标值v和AD模块采样值y，然后分别计算TD和ESO来跟踪给定信号和采样信号及它们的微分信号，估计出系统总扰动量，最后对电流或电压的误差以及微分信号的误差进行非线性控制运算，并对扰动量进行补偿，输出最终的控制量信号u。

二、无线充电系统发射端和无线充电系统接收端位

无线充电系统发射端位于风光互补基站内，包括DSP28335控制系统，逆变电路，谐振电路，耦合线圈，线圈升降装置，其中发射端耦合线圈安装于升降装置上便于调节两线圈间距，发射端DSP控制系统实现对逆变电路以及升降装置的控制。无线充电系统接收端位于无人平台内，包括DSP28335控制系统，耦合线圈，谐振电路，整流电路，Buck电路，其中接收端耦合线圈安装于无人平台底部，接收端DSP控制系统实现闭环恒流恒压自抗扰控制。

如图7所示，本发明设计的发射线圈升降装置包括底座和电机控制系统。底座安装有直流电机1、同步连杆2、剪式传动连杆3、滑槽4、支撑板5、超声波模块6，将发射线圈安装于支撑板上，电机的驱动轴与同步连杆相连，同步连杆与剪式传动连杆相连接，直流电机通过正反转带动同步连杆在滑槽上往复运动，进而带动传动连杆上下运动，实现发射线圈的升降。电机控制系统包括电源模块、电机驱动模块、一次侧DSP28335控制器，当无人平台到达充电位置时，DSP控制器通过PWM控制驱动电机正转抬升发射线圈，调节两线圈距离。

为了准确把控升降装置调节过程中两线圈间距，防止线圈间距过近导致系统存在过压过流风险，或线圈距离过远导致系统传输效率不足等问题，本发明采样HC-SRO4超声波模块准确测量两线圈间距。在升降装置工作时，一次侧DSP28335控制器不断接收超声波模块传递的距离信息，进而控制直流电机进行正传或反转来完成两线圈距离的调整，使得线圈间距达到最佳，实现系统传输效率的提升。线圈升降式装置。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于能源自治的无人平台无线充电控制系统，其特征在于，包括：无线充电系统发射端、无线充电系统接收端、风光互补基站和无人平台；

所述无线充电系统发射端安装在风光互补基站内，无线充电系统接收端安装在无人平台内；

所述无线充电系统发射端包括：发射端DSP控制系统、逆变电路、谐振电路、发射端耦合线圈；

风光互补基站为无线充电系统提供电能，电能经逆变电路、谐振电路后由发射线圈产生高频磁场，发射端DSP控制系统实现对逆变电路的控制，谐振电路用于提升电能传输效率；

无线充电系统接收端位于无人平台内，无线充电系统接收端包括：接收端DSP控制系统、接收端耦合线圈、采样电路、PWM发生器、驱动电路、Buck电路、整流电路和锂电池；

其中接收端耦合线圈安装于无人平台底部，用于接收发射端耦合线圈的磁场并转换为电能，电能经过整流电路和Buck电路后为锂电池充电，锂电池为无人平台供电；

采样电路实时采集输入至锂电池中的负载电流电压信号并传递给ADRC控制器，ADRC控制器通过估计各状态变量以及总扰动并进行扰动补偿，最后将输出的控制信号作用于PWM发生器，经驱动电路后控制Buck变换器进行PWM脉宽调制，完成系统恒流恒压闭环输出。

2.根据权利要求1所述的一种用于能源自治的无人平台无线充电控制系统，其特征在于：所述ADRC控制器包括：二阶非线性跟踪微分器、三阶非线性扩张状态观测器和非线性状态误差反馈控制器；

二阶非线性跟踪微分器(TD)，用来对充电电流电压目标值进行平滑处理；

三阶非线性扩张状态观测器(ESO)，用来对输出电流电压值进行估计，并估计出系统总扰动量；

非线性状态误差反馈控制器(NLSEF)，通过计算目标值与实际输出的误差得到控制量并作用于被控对象来消除误差。

3.根据权利要求2所述的一种用于能源自治的无人平台无线充电控制系统，其特征在于：TD的具体形式为：

式中，v₁为电流电压目标值的跟踪信号；v₂为v₁的微分信号，I_4-ref为恒流输出目标值，U_5-ref为恒压输出目标值，U_T为恒流恒压控制切换电压值，r为速度因子,h₀为滤波因子，fhan为非线性最速控制综合函数；

ESO的具体形式为：

式中，z₁为输出电流I_L、输出电压U_L的估计值；z₂为输出量微分信号的估计值；z₃系统总扰动的估计值；β₁，β₂，β₃为观测器增益；b为控制增益；fal为非线性函数；δ为函数线性区域的长度；α为误差指数变化参数；

NLSEF的具体形式为：

式中，u_o为非线性组合的输出，k_p为比例系数，k_d为微分系数，u为总扰动估计补偿后的控制量。

4.根据权利要求1所述的一种用于能源自治的无人平台无线充电控制系统，其特征在于：所述无人平台无线充电控制系统还包括线圈升降装置；

发射端DSP控制系统实现对线圈升降装置的控制，发射端耦合线圈安装在线圈升降装置上，当无人平台到达充电位置时，发射端DSP控制系统通过PWM控制线圈升降装置抬升发射端耦合线圈，进而调节发射端耦合线圈和接收端耦合线圈的距离。

5.根据权利要求4所述的一种用于能源自治的无人平台无线充电控制系统，其特征在于：发射线圈升降装置包括底座和电机控制系统；底座安装有直流电机、同步连杆、剪式传动连杆、滑槽、支撑板、超声波模块，将发射端耦合线圈安装于支撑板上，直流电机的驱动轴与同步连杆相连，同步连杆与剪式传动连杆相连接，直流电机通过正反转带动同步连杆在滑槽上往复运动，进而带动剪式传动连杆上下运动，实现发射端耦合线圈的升降；超声波模块用于准确测量发射端耦合线圈和接收端耦合线圈间距；DSP控制器不断接收超声波模块传递的距离信息，进而控制直流电机进行正传或反转来完成两线圈距离的调整，使得线圈间距达到最佳。

6.一种用于能源自治的无人平台无线充电控制方法，其特征在于：所述无人平台无线充电控制方法是在权利要求1至5其中一项所述的无人平台无线充电控制系统的基础上实现的；

无人平台无线充电控制方法包括以下步骤：

S1：将DSP控制器中系统时钟、GPIO端口、AD采样程序、ePWM程序、ADRC控制器参数以及中断程序进行初始化；

S2：设置中端程序：将Buck变换器输出电流、电压通过AD采样电路转化成数字量，并判断系统是否过流过压，接着判断输出模式是否转换，最后通过ADRC控制器计算更新PWM占空比。

7.根据权利要求6所述的无人平台无线充电控制方法，其特征在于：ADRC控制器实现的流程如下：

首先是读入目标值v和AD模块采样值y，然后分别计算TD和ESO来跟踪给定信号和采样信号及微分信号，估计出系统总扰动量，最后对电流或电压的误差以及微分信号的误差进行非线性控制运算，并对扰动量进行补偿，输出最终的控制量信号u。