基于定頻擾動的ipt系統分岔頻率輸送控制系統及控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及感應電能傳輸（Inductive Power Transfer,簡稱IPT)的頻率控制技 術領域，具體涉及一種基于定頻擾動的IPT系統分岔頻率輸送控制系統及控制方法。
【背景技術】
[0002] 在IPT系統中，系統各主要參數的變化，例如互感、原副邊諧振網絡參數以及負載 阻抗發生變化時均可能導致系統產生多個自治振蕩頻率，即發生多吸引子分岔。由于系統 的高階非線性特性導致各極限環吸引子的吸引域在高維空間的分布異常復雜，一個小的參 數擾動就可能導致系統相軌跡流在各穩定極限環吸引子間轉移，體現在系統外特性上即是 工作頻率跳變，從而使得系統工作頻率具有一定的不確定性。因此讓系統能穩定收斂到指 定的工作頻率上，對IPT系統的控制具有十分重要的意義。
[0003] 為了實現對工作頻率的控制，需要通過采用一定的控制措施，目前的方法主要是 在反饋回路上加延時干擾的方法，這種方法在反饋回路上加上延遲，系統依然工作在閉環 作用下，控制復雜；可靠性弱，容易出現失諧的情況。
【發明內容】
[0004] 本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題，特別創新地提出了一種基于定 頻擾動的IPT系統分岔頻率輸送控制系統及控制方法，解決IPT系統的分岔頻率輸送控制 問題。
[0005] 為實現本發明的上述目的，根據本發明的第一個方面，本發明提供了一種基于定 頻擾動的IPT系統分岔頻率輸送控制系統，其包括電源模塊、開關網絡、原邊諧振補償電 路、發射線圈、接收線圈、副邊諧振補償電路以及負載，所述原邊諧振補償電路上連接有過 零檢測電路，該過零檢測電路的輸出端連接有控制器，該控制器的輸出端經過驅動電路與 所述開關網絡相連。
[0006] 在所述控制器上還連接有擾動頻率控制模塊；在系統運行過程中，如果期望系統 工作在指定的穩定分岔頻率點，則啟動擾動頻率控制模塊，控制器將系統切換為定頻運行 模式，輸出指定的擾動控制頻率，持續一定時間后結束擾動，控制器重新將系統切換回浮頻 控制模式，系統運行頻率將自動收斂到期望的頻率點上。本發明的基于定頻擾動的IPT系 統分岔頻率輸送控制系統通過頻率擾動使系統收斂到指定的頻率上，基于定頻擾動的輸送 控制策略是將系統切換為開環狀態，在定頻驅動下做強迫振蕩運動；不同于延時擾動的輸 送控制策略在反饋回路上加上延遲，但系統依然工作在閉環作用下。基于定頻擾動相對于 基于延時擾動的控制策略，具有以下優勢：1)相比于延遲要通過計數器實現，定頻的控制 實現容易，結構簡單；2)定頻的控制可靠性強，穩定性好，不容易出現失諧的情況；3)基于 定頻的擾動如果頻率值選取接近系統軟開關頻率，切換過程快速，損耗小，延遲擾動很難做 到。
[0007] 為實現本發明的上述目的，根據本發明的第二個方面，本發明提供了一種利用本 發明的基于定頻擾動的IPT系統分岔頻率輸送控制系統的控制方法，其包括如下步驟：
[0008] Sl，預先確定IPT系統的兩個穩定分岔頻率Π 和f3 ;
[0009] S2,分別確定收斂為兩個穩定分岔頻率的擾動頻率上下界；
[0010] S3,確定兩個分岔頻率收斂域的分界線f2,結合擾動頻率上下界得到兩個穩定分 岔頻率的控制域；
[0011] S4,在系統運行過程中，如果期望系統工作在指定的穩定分岔頻率點，則從控制域 中選擇合適的控制參數，即擾動頻率，啟動擾動頻率控制模塊，使得控制器將系統切換為定 頻運行模式，輸出指定的擾動控制頻率，持續一定時間后結束擾動，控制器重新將系統切換 回浮頻控制模式，系統運行頻率將自動收斂到期望的頻率點上。
[0012] 本發明的控制方法可靠性強，穩定性好，不容易出現失諧的情況；切換過程快速， 損耗小。
[0013] 在本發明的一種優選實施方式中，對于PS系統，步驟Sl中確定IPT系統的軟開關 分岔頻率的方法為：
[0014] 工頻整流濾波后的直流電源為Edc，其串聯直流電感Ld形成準電流源，分別取電 感L d電流i d、原副邊的諧振電流ip、is及諧振電壓u p、Us組成系統狀態向量，即X = [i d Up ip is us]T，u = [EdJ 為輸入變量；
[0015] 將系統工作周期分段線性化為兩個工作模態并建立這兩個工作模態的微分方程， 可表示為狀態空間描述：
[0016]
[0017] 其中狀態矩陣
[0018]
[0019]
[0020] ?
[0021]
[0022] 其中，，M為互感值，Rd是輸入大電感的電阻值，Cp為原邊補償電容，Lp為副邊諧 振電感的值，Ls為副邊諧振電感的值，Rp為原邊串聯電阻值，Rs為副邊串聯電阻值，&為 負載阻值，Cs為副邊電容值；
[0023] det = M2-LpXLs
[0024] 得出系統的周期不動點為：
[0025]
[0027] 取出不動點f中原邊補償電容電壓分量，令電容電壓狀態投影矩陣Y = [0, 1，0, 0, 0]，得到用于分析軟開關頻率工作點的系統不動點函數：
[0028]
[0029] 令方程./.>〇=0的所有解為Ti (i = 1，2. . . η)，以這些非零解作為系統的開關周期
得出系統η個軟開關工作點的Ti，這些點即為滿足ZVS軟開關條件的解，篩選掉其中多次過 零的解，只保留在單個周期內單次過零的解，則在IPT系統常見拓撲中通常會存在1或3個 軟開關工作點；考慮IPT系統中存在3個軟開關工作點時的情況，則可得系統軟開關工作頻 率：
[0030]
[0031] 這三個軟開關頻率中，Π 和f3具有自治振蕩穩定性，稱之為穩定分岔頻率，f2不 具有自治振蕩穩定性，稱之為不穩定分岔頻率。
[0032] 與傳統方法相比，本發明的頻閃映射具有運算量小，精度高，結果完備等優點。
[0033] 在本發明的一種優選實施方式中，步驟S2中確定收斂為兩個穩定分岔頻率的擾 動頻率上下界的方法為：
[0034] 令系統在擾動頻率控制下，其振蕩電路的實際響應頻率為fs，則收斂為低頻穩定 分岔頻率Π 的頻率下界f_為使得實際響應頻率fs小于f2的最小控制頻率；
[0035] 收斂為高頻穩定分岔頻率f3的頻率上界為使得實際響應頻率fs大于f2的 最大控制頻率，理論上接近無窮。
[0036] 在本發明另外的優選實施方式中，f_實際操作時取Π 的0. 75倍，實際操作 時取f3的1. 25倍。通過確定擾動頻率的上下界，便于選取擾動頻率。
[0037] 在本發明的優選實施方式中，步驟S3中確定收斂為兩個穩定分岔頻率的頻率控 制域的方法為：
[0038] 兩個分岔頻率收斂域的分界線即為不具有自治振蕩穩定性的軟開關頻率f2,結合 擾動頻率上下界可確定對應低頻穩定分岔頻率Π 的控制域為fmin〈f〈f2,對應高頻穩定分 岔頻率f3的控制域為f2〈f〈fmax。實際擾動頻率可以在期望分岔頻率的控制域內任意選 取，選擇接近期望頻率值的頻率可以獲得較好的系統動態響應特性。
【附圖說明】
[0039] 圖1是本發明的基于定頻擾動的IPT系統分岔頻率輸送控制系統的結構示意圖；
[0040] 圖2是本發明一種優選實施方式中IPT系統的結構示意圖；
[0041] 圖3是本發明一種優選實施方式的擾動結果示意圖。
【具體實施方式】
[0042] 下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
[0043] 在本發明的描述中，除非另有規定和限定，需要說明的是，術語"安裝"、"相連"、 "連接"應做廣義理解，例如，可以是機械連接或電連接，也可以是兩個元件內部的連通，可 以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對于本領域的普通技術人員而言，可以根據 具體情況理解上述術語的具體含義。
[0044] 本發明提供了一種基于定頻擾動的IPT系統分岔頻率輸送控制系統，如圖1所示， 其包括電源模塊、開關網絡、原邊諧振補償電路、發射線圈、接收線圈、副邊諧振補償電路以 及負載。其中，原邊諧振補償電路上連接有過零檢測電路，該過零檢測電路的輸出端連接有 控制器，該控制器的輸出端經過驅動電路與開關網絡相連，在控制器上還連接有擾動頻率 控制模塊。
[0045] 在系統運行過程中，如果期望系統工作在指定的穩定分岔頻率點，則啟動擾動頻 率控制模塊，控制器將系統切換為定頻運行模式，輸出指定的擾動控制頻率，持續一定時間 后結束擾動，控制器重新將系統切換回浮頻控制模式，系統運行頻率將自動收斂到期望的 頻率點上。在本實施方式中，定頻運行模式和浮頻控制模式是IPT系統領域中常用的控制 模式，本發明中的含義是指其在本領域中的通常的含義。
[0046] 本發明的基于定頻擾動的IPT系統分岔頻率輸送控制系統通過頻率擾動使系統 收斂到指定的頻率上，基于定頻擾動的輸送控制策略是將系統切換為開環狀態，在定頻驅 動下做強迫振蕩運動；不同于延時擾動的輸送控制策略在反饋回路上加上延遲，但系統依 然工作在閉環作用下。基于定頻擾動相對于基于延時擾動的控制策略，具有以下優勢：1) 相比于延遲要通過計數器實現，定頻的控制實現容易，結構簡單；2)定頻的控制可靠性強， 穩定性好，不容易出現失諧的情況；3)基于定頻的擾動如果頻率值選取接近系統軟開關頻 率，切換過程快速，損耗小，延遲擾動很難做到。
[0047] 如圖2所示，本發明提供了一種基于定頻擾動的IPT系統分岔頻率輸送控制系統 的控制方法，其包括如下步驟：
[0048] Sl，預先確定IPT系統的兩個穩定分岔頻率Π 和f3 ;
[0049] S2,分別確定收斂為兩個穩定分岔頻率的擾動頻率上下界；
[0050] S3,確定兩個分岔頻率收斂域的分界線f2,結合擾動頻率上下界得到兩個穩定分 岔頻率的控制域；
[0051] S4,在系統運行過程中，如果期望系統工作在指定的穩定分岔頻率點，則從控制域 中選擇合適的控制參數，即擾動頻率，啟動擾動頻率控制模塊，使得控制器將系統切換為定 頻運行模式，輸出指定的擾動控制頻率，持續一定時間后結束擾動，控制器重新將系統切換 回浮頻控制模式，系統運行頻率將自動收斂到期望的頻率點上。
[0052] 在本實施方式中，具體包括如下步驟：
[0053] 第一步：當副邊諧振補償電路為串聯，原邊諧振補償電路為并聯電路時（PS型）， 如圖2所示的結構，工頻整流濾波后的直流電源為Edc，其串聯直流電感Ld形成準電流源， 開關S1-S4為