一种阶数大于1的大功率可调高频分数阶电容及其控制方法技术

本发明专利技术提供一种阶数大于1的大功率可调高频分数阶电容及其控制方法。分数阶电容包括交流输入模块、耦合阻抗、高频交流受控电压源、控制器、交流输入采样模块。控制器根据交流输入采样模块采集到的输入电压信号和输入电流信号，产生相应的控制信号，控制受控电压源的输出电压，使输入电流和输入电压之间符合分数阶电容的电流电压关系。本发明专利技术的可调高频分数阶电容，可工作在输入电压即分数阶电容电压为高频的时候，所得到的输入电流输入电压之间的关系在所需工作频率处与阶数大于1的分数阶电容的定义完全一致，还可以通过调整控制器的参数，灵活调节实现不同分数阶电容的阶数和容值，还可选用不同功率等级的受控电压源以适应不同的功率应用场合。

【技术实现步骤摘要】

涉及分数阶器件构造
，具体涉及一种阶数大于1的大功率可调高频分数阶电容及其控制方法。
技术介绍
分数阶微积分已经有300多年的历史，其将微积分的阶次从整数阶推广到分数甚至复数。分数阶微积分可以更真实的揭示自然界中的一些现象。事实上，整数阶电容器在本质上是不存在的，它是具有分数阶性质的元件，只是目前实际中用的电容器，大部分都是阶数接于1，对于分数阶的情况可以完全忽略。但是，如果可以利用电容器的分数阶性质，有目的的设计不同阶数、容值和功率的分数阶电容，那么就可以开辟电容器的新的应用领域。1964年，美国学者G.ECarlson在论文中根据分数阶微积分的定义首次使用了“分数阶电容”这个概念，并利用牛顿叠代法给出了特定阶次的分数阶电容的无源电路等效模型；此后国内外众多学者利用传统的电阻、电容、电感和运算放大器等提出了多种构造分数阶电容的方案，但都只能适用于毫瓦级的功率，严重地限制了分数阶电容在各种功率场合的应用。也有学者基于分形几何的概念并通过硅工艺制造分数阶电容，但只能在电容阶数小于1的特定范围内实现。
技术实现思路
针对目前现有技术的缺点与不足，本专利技术提供阶数大于1的大功率可调高频分数阶电容及其控制方法，具体是用控制器产生的控制信号控制高频受控电压源输出的基波电压，使输入电流与输入电压满足分数阶电容的定义，通过设置控制器，可实现不同容值和阶数的分数阶电容。高频交流受控电压源是由可输出高频率交流电压的高频交流逆变电路构成，具有工作特性灵活，容值、阶数在线可调的特点，且分数阶电容功率由高频交流逆变电路决定，故本专利技术可以实现不同功率等级的分数阶电容。本专利技术的目的通过如下技术方案实现。一种阶数大于1的大功率可调高频分数阶电容，包括交流输入模块、耦合阻抗、高频交流受控电压源、交流输入采样模块、控制器，交流输入模块的一端与耦合阻抗的一端连接，耦合阻抗的另一端与高频交流受控电压源的正输出端连接,高频交流受控电压源的负输出端与交流输入模块的另一端连接，交流输入采样模块采样输入电流Iin和输入电压Vin得到输入电流Iin的幅值Iinm和相位及输入电压Vin的幅值Vinm和相位并送入控制器，控制器依据分数阶电容电流闭环控制算法对采样到的信号进行处理并产生控制信号D送至高频交流受控电压源，高频交流受控电压源根据控制信号D在正输出端和负输出端之间产生基波电压VF。在上述所述的分数阶电容中，由基尔霍夫定律可知：由式可知在输入电压Vin已知的情况下，控制受控电压源输出基波电压VF可以使输入电流Iin为任意波形。因此，正确的控制输出基波电压VF，可以使输入电流Iin与输入电压Vin之间的关系在所需频率处满足分数阶电容的定义。本专利技术所述的高频受控电压源是由可输出高频率的交流电压的高频交流逆变电路构成，可向外输出有功功率，满足阶数大于1时分数阶电容的特性。高频交流逆变电路的基本工作原理是将控制信号D转化为脉冲宽度调制信号，以用来驱动电路中的开关管，从而控制电路的输出基波电压VF，以控制输入电流Iin在所需频率处与输入电压Vin之间的关系符合分数阶电容电流电压的关系。进一步地，所述高频交流受控电压源由能输出高频率交流电压的高频交流逆变电路构成，高频交流受控电压源向外输出有功功率，实现阶数大于1，通过采用不同功率容量的受控电压源，实现不同功率等级的分数阶电容。进一步地，所述的控制器由数字信号处理器构成。进一步地，所述的分数阶电容电流闭环控制算法为基于相量分析的电流闭环控制算法，能避免在一个高频交流周期内逐点检测电压电流波形，减轻控制器的负担，且易于数字实现。进一步地，所述分数阶电容电流闭环控制算法在数字信号处理器上运行实现，分数阶电容的容值和阶数通过在线修改软件参数可实现在线调节。进一步地，所述的阶数α的取值范围如下：α>1且α∈(4k+1,4k+2)其中k为整数。所述的分数阶电容电流闭环控制算法为基于“相量分析”控制方法，避免在一个高频交流周期内逐点检测电压电流波形，可以减轻控制器的负担，且易于数字实现。所述阶数大于1的大功率可调高频分数阶电容的控制方法具体包括：假设输入电压Vin，输入电流Iin和高频受控源输出电压VF在一个交流周期内都是纯正弦的，且为同频正弦量。因为稳态情况下，高频交流分数阶电容工作时两端的电压是Vin正弦的，高频受控源输出电压VF也是正弦的，且可控制与Vin同频，所以这种假设是合理的。当VF，Vin和Iin都为正弦时，它们的波形可仅由频率、幅值和初相位来描述，并可用“相量分析法”表示。以Vin的方向为实轴，超前其90度为虚轴，构造复平面，则可得VF、Vin和Iin相量形式及其在复平面上的表示为：其中和分别为受控电压源输出电压和输入电流超前输入电压的角度值。VFm分别为受控源输出电压的幅值。VF_REAL与VF_IMA分别为的实部和虚部，Iin_REAL与Iin_IMA分别为的实部和虚部。控制器将电压采样器采样的输入电压转换成相量表示后，进行如下运算：式中是分数阶电容电流闭环控制算法电流给定信号Iref(t)的相量表示，Iref_REAL和Iref_IMA分别为其实部与虚部，Cα为分数阶电容的容值，α为分数阶电容的阶数，由上式可知电流给定信号Iref与输入电压Vin的关系为分数阶电容电流电压的关系。电流给定信号与输入电流比较，得到的差值通过电流闭环控制算法，得到高频交流受控电压源的所需输出的电压并转化为控制信号D，以调节输入电流使输入电流跟踪电流给定信号即使得输入电流与输入电压的关系为分数阶电容电流电压的关系。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和技术效果：本专利技术提供的一种阶数大于1的大功率的可调高频分数阶电容，可工作在输入电压即分数阶电容电压为高频的时候，所得到的输入电流输入电压之间的关系在所需工作频率处与阶数大于1的分数阶电容的定义完全一致，还可以根据应用场合的需要，通过调整控制器的参数，灵活调节实现不同分数阶电容的阶数和容值，而且本专利技术所实现的分数阶电容功率由受控电压源决定，因此可选用不同功率等级的受控电压源以适应不同的功率应用场合。附图说明图1为实施方式中提供的阶数大于1的分数阶电容模型。图2为实施方式中的D类谐振逆变器电路图。图3为实施方式中的分数阶电容仿真原理图。图4为实施方式中1.3阶分数阶电容的输入电压和输入电流的仿真波形图。图5为实施方式中1.5阶分数阶电容的输入电压和输入电流的仿真波形图。图6为实施方式中1.7阶分数阶电容的输入电压和输入电流的仿真波形图。图7为实施方式中仿真模型的输入电流和输入电压波形。具体实施方式为进一步阐述本专利技术的内容和特点，以下结合附图对本专利技术的具体实施方案进行具体说明，但本专利技术的实施和保护不限于此。本实例一种阶数大于1的大功率可调高频分数阶电容的基本原理是用控制器生成的控制信号对高频交流受控电压源的输出电压进行控制，使电路的输入电流和输入电压之间符合阶数大于1的分数阶电容的定义，整个电路相当于一个分数阶电容。如图1，一种阶数大于1的大功率可调分数阶电容，包括交流输入模块1、耦合阻抗2、高频交流受控电压源3、交流输入采样模块4、控制器5，交流输入模块1的一端A与耦合阻抗2的一端连接，耦合阻抗2的另一端与高频交流受控电压源3的正输出端P连接,高频交流受控电压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种阶数大于1的大功率可调高频分数阶电容，其特征在于包括交流输入模块(1)、耦合阻抗(2)、高频交流受控电压源(3)、交流输入采样模块(4)、控制器(5)，交流输入模块(1)的一端(A)与耦合阻抗(2)的一端连接，耦合阻抗(2)的另一端与高频交流受控电压源(3)的正输出端(P)连接,高频交流受控电压源(3)的负输出端(N)与交流输入模块(1)的另一端(B)连接，交流输入采样模块(4)采样输入电流Iin和输入电压Vin得到输入电流Iin的幅值Iinm和相位及输入电压Vin的幅值Vinm和相位并送入控制器，控制器依据分数阶电容电流闭环控制算法对采样到的信号进行处理并产生控制信号D送至高频交流受控电压源(3)，高频交流受控电压源(3)根据控制信号D在正输出端(P)和负输出端(N)之间产生基波电压VF。

【技术特征摘要】
1.一种阶数大于1的大功率可调高频分数阶电容，其特征在于包括交流输入模块(1)、耦合阻抗(2)、高频交流受控电压源(3)、交流输入采样模块(4)、控制器(5)，交流输入模块(1)的一端(A)与耦合阻抗(2)的一端连接，耦合阻抗(2)的另一端与高频交流受控电压源(3)的正输出端(P)连接,高频交流受控电压源(3)的负输出端(N)与交流输入模块(1)的另一端(B)连接，交流输入采样模块(4)采样输入电流Iin和输入电压Vin得到输入电流Iin的幅值Iinm和相位及输入电压Vin的幅值Vinm和相位并送入控制器，控制器依据分数阶电容电流闭环控制算法对采样到的信号进行处理并产生控制信号D送至高频交流受控电压源(3)，高频交流受控电压源(3)根据控制信号D在正输出端(P)和负输出端(N)之间产生基波电压VF。2.根据权利要求1所述的一种阶数大于1的大功率可调高频分数阶电容，其特征在于所述高频交流受控电压源(3)由能输出高频率交流电压的高频交流逆变电路构成，高频交流受控电压源(3)向外输出有功功率，实现阶数大于1，通过采用不同功率容量的受控电压源，实现不同功率等级的分数阶电容。3.根据权利要求1所述的一种阶数大于1的大功率可调高频分数阶电容，其特征在于所述的控制器(5)由数字信号处理器构成。4.根据权利要求1所述的一种阶数大于1的大功率可调高频分数阶电容，其特征在于所述的分数阶电容电流闭环控制算法为基于相量分析的电流闭环控制算法。5.根据权利要求1所述的一种阶数大于1的大功率可调高频分数阶电容，其特征在于所述分数阶电容电流闭环控制算法在数字信号处理器上运行实现，分数阶电容的容值和阶数通过在线修改软件参数可实现在线调节。6.根据权利要求1所述的一种阶数大于1的大功率可调高频分数阶电容，其特征在于所述的阶数为α，取值范围如下：α>1且α∈(4k+1,4k+2)其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：张波，江彦伟，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44