感應耦合式無線能量傳輸系統及其自抗擾控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種感應耦合式無線能量傳輸裝置及其自抗擾控制方法，屬于無線電 能傳輸技術領域。
【背景技術】
[0002] 為了進行無功補償和增強能量傳輸效率，感應耦合式無線能量傳輸系統中一般都 會利用由多個儲能元件構成的諧振網絡之間的耦合來進行能量傳輸，并且系統在不同的工 作狀態下會表現出不同的動力學行為，因此感應耦合式無線能量傳輸系統不可避免的成為 一個典型的高階非線性系統，其數學模型也只能通過一定程度的近似來得到。同時，感應耦 合式無線能量傳輸系統的傳輸特性與負載狀況，諧振頻率偏移程度等多種因素密切相關。 在感應耦合式無線能量傳輸系統的應用場景中，接收負載位置不一定是固定的，數量可以 是一個或多個，而且可以隨時切入和切出系統，具有很強的不確定性。發射和接收諧振網絡 也可能元器件的因為老化和壞損，導致其諧振頻率偏移系統設定的工作頻率，而系統的傳 輸性能又對頻率偏移非常敏感。因此在大多數情況下，感應耦合式無線能量傳輸系統都需 要根據系統模型及負載特性設計快速有效的控制器，保證系統能夠在穩態下工作并具有一 定的魯棒性。
[0003] 專利1 :磁耦合諧振式無線電能傳輸系統及其雙側自調諧方法，申請號 201510777765.0,該發明提供一種磁耦合諧振式無線電能傳輸系統及其雙側自調諧方法， 該系統通過在發射回路中增加一個阻抗調節網絡來實現發射回路自動調諧，而無需在接收 回路額外增加阻抗調節網絡，僅通過調節發射端電源工作頻率來間接實現接收回路自動 調諧。
[0004] 專利2 : -種磁諧振無線電能傳輸系統及其阻抗匹配方法，申請號 201510390662.9,該發明提供一種磁諧振無線電能傳輸系統及其阻抗匹配方法，利用自動 阻抗匹配模塊及阻抗匹配算法，通過控制電機控制器調節匹配網絡中的可變電抗元件實現 阻抗匹配，解決了磁諧振無線輸電系統中隨著接收端與發射端相對位置改變導致傳輸性能 急劇降低的問題。
[0005] 上述專利雖然利用不同的控制器或控制策略，實現系統的穩態運行，但都需要通 過調節發射端阻抗來滿足發射端與接收端的諧振阻抗匹配，對于發射端的裝置不僅成本提 高，體積也增大，并且專利1還需要從接收端反饋信息，增加了發射端和接收端通信的難度。 在一般的感應耦合式無線能量傳輸系統設計過程中，設計者都會忽略其動態特性而直接只 根據負載模型進行設計。雖然只考慮系統的穩態特性可以簡化設計過程，但是已經不能完 全滿足目前越來越廣泛的應用場景。例如，在對高速行進中的車輛進行動態充電的系統中， 由于車輛行進速度很快，其運行在某個充電模塊作用范圍內的時間窗口極其短，這就需要 高速穩定的控制器使得充電模塊可以在很短的時間內形成穩定的充電磁場。在植入式設備 的應用中，由于人的運動會導致發射與接收線圈之間的相對距離變化而引發負載突變，若 沒有動態性能穩定的控制器對發射裝置進行實時調節，由此導致的超調和振蕩等問題可能 會使設備損壞，甚至發生危險。
【發明內容】
[0006] 本發明針對現有技術所存在的問題，提出了一種感應耦合式無線能量傳輸裝置及 其自抗擾控制方法。主要目的是利用廣義狀態空間平均法，對感應耦合式無線能量傳輸裝 置建立小信號模型，用以描述裝置內部暫態變化過程并向自抗擾控制設計提供參考;在感 應耦合式無線能量傳輸裝置的廣義狀態空間平均模型基礎上，利用自抗擾控制理論設計 應耦合式無線能量傳輸裝置的自抗擾控制單元，實現自抗擾控制單元對裝置發射端電流高 速穩定的控制，同時實現自抗擾控制單元對因反射電壓擾動引起的線圈電流變化的有效抑 制，并有效彌補因裝置參數變化而導致的性能差異，保證整個裝置系統具有優良的動態過 程和很強的魯棒性，而且不需要接收端與發射端之間的通信。
[0007] 本發明的目的是這樣實現的：
[0008] 本發明提出一種感應耦合式無線能量傳輸裝置及其自抗擾控制方法，其特征在 于，包括整流單元、發射端逆變單元、發射端諧振單元、電流檢測單元、自抗擾控制單元、接 收端諧振單元；
[0009] 自抗擾控制單元包括擴張狀態觀測器、擾動補償單元、反饋控制單元組成，裝置發 射端諧振電流itrd經過電流檢測單元轉化為相應檢測電壓信號V trac；k輸入給自抗擾控制單 元，自抗擾控制單元采用自抗擾控制算法控制發射端逆變單元；
[0010] 交流電源與整流單元相連接，整流單元輸出穩定直流電壓并于發射端逆變單元連 接，發射端逆變單元與發射端諧振單元連接并提供能量輸入，發射端諧振單元通過發射線 圈Lt與接收線圈Lr的耦合諧振向接收端諧振單元傳輸能量，接收端諧振單元接收能量并向 負載阻抗Rl供電。
[0011] 本發明提出一種感應耦合式無線能量傳輸裝置，其特征在于，所述發射端諧振單 元為LC串聯諧振網絡，包括發射線圈Lt、發射補償電容Ct、發射線圈電阻Rt。
[0012] 本發明提出一種感應耦合式無線能量傳輸裝置，其特征在于，所述接收端諧振單 元包括接收線圈Lr、接收端補償單元、負載阻抗Rl。
[0013] 本發明提出一種感應耦合式無線能量傳輸裝置，其特征在于，感應耦合式無線能 量傳輸裝置的自抗擾控制的實現步驟如下：
[0014]步驟A:電流檢測單元對發射端諧振單元中的諧振電流進行檢測，得到的相應信號 輸入給自抗擾控制單元中的擴張狀態觀測器；
[0015]步驟B:將接收端諧振單元接收端線圈Lr在發射端線圈Lt上形成的反射感應電壓V2 視為一個需要抑制的擾動進而簡化裝置模型，然后利用廣義狀態平均法對所述感應耦合式 無線能量傳輸裝置建立廣義狀態平均模型，得到的廣義狀態平均模型狀態方程如公式（1) 所示，對應諧振電流有效值的小信號表達式如公式(2)所示：
[0017]其中，^表示簡化模型中高頻逆變單元的交流輸出電壓源Vi，經過小信號分解即 6 =氣《 +巧得到的交流輸出電壓的小信號分量，v1>ss即為交流輸出電壓的穩態分量，和 @_分別表示WPV 2im同樣經過小信號分解得到的小信號分量，而WPV2im為接收諧振單 元在發射端產生感應電壓矢量的實部和虛部，即g=co?丨sin?)G = K2n/fF2mi，0 為發射端交流輸出電壓與發射線圈上感應電壓的相位差，L、C分別為發射線圈電感與其補 償電容，R為交流輸出電壓源與諧振網絡中電阻成分的總和，《為諧振頻率， 又二^毛&文^^⑴^仏^^夂^⑴^是廣義狀態平均模型中的廣義 狀態變量，U4、分別為發射線圈L上電流實部和虛部的小信號分量， 分別為發射補償電容C上電壓實部和虛部的小信號分量，
[0019] 其中|^^表不諧振電流有效值的小信號分量，xi,ss、X2,ss分另U表不廣義狀態變量xi =iLlre ( t)、X2 = iLlim( t)經過小信號分解得到的穩態分量，即A =氣35}+為.，X2 =X2，SS +毛
[0020] 步驟C:擴張狀態觀測器根據公式(2)表示的諧振電流小信號模型，令3； = ]^1并 將公式(1)帶入公式(2)，得到對諧振電流有效值控制方程如公式(3)所示：
[0022] 其中/匕，毛；，毛,F2rc,F2im, A ss，x2<ss)表示除與控制輸入量關項以外的部 分，擴張狀態觀測器將其視為擾動，
[0023] 擴張狀態觀測器再對諧振電流有效值控制參數即公式(3)建立二階擴張狀態觀測 器，以便獲得接收端負載變化量，如公式(4)所示：
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