基于定频扰动的IPT系统分岔频率输送控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于定频扰动的IPT系统分岔频率输送控制系统及控制方法，该控制系统包括控制器和扰动频率控制模块，在系统运行过程中，如果期望系统工作在指定的稳定分岔频率点，则启动扰动频率控制模块，输出指定的扰动控制频率，持续一定时间后结束扰动，系统运行频率自动收敛到期望的频率点上。本发明专利技术的控制过程将系统切换为开环状态，在定频驱动下做强迫振荡运动，扰动控制结束后，将系统切换回闭环浮频控制状态，系统自治振荡，并收敛到指定软开关频率点上。这种定频的控制实现容易，结构简单；可靠性强，稳定性好，不容易出现失谐的情况；切换过程快速，损耗小。

【技术实现步骤摘要】
基于定频扰动的IPT系统分岔频率输送控制系统及控制方法
本专利技术涉及感应电能传输(InductivePowerTransfer,简称IPT)的频率控制
，具体涉及一种基于定频扰动的IPT系统分岔频率输送控制系统及控制方法。
技术介绍
在IPT系统中，系统各主要参数的变化，例如互感、原副边谐振网络参数以及负载阻抗发生变化时均可能导致系统产生多个自治振荡频率，即发生多吸引子分岔。由于系统的高阶非线性特性导致各极限环吸引子的吸引域在高维空间的分布异常复杂，一个小的参数扰动就可能导致系统相轨迹流在各稳定极限环吸引子间转移，体现在系统外特性上即是工作频率跳变，从而使得系统工作频率具有一定的不确定性。因此让系统能稳定收敛到指定的工作频率上，对IPT系统的控制具有十分重要的意义。为了实现对工作频率的控制，需要通过采用一定的控制措施，目前的方法主要是在反馈回路上加延时干扰的方法，这种方法在反馈回路上加上延迟，系统依然工作在闭环作用下，控制复杂；可靠性弱，容易出现失谐的情况。
技术实现思路
本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种基于定频扰动的IPT系统分岔频率输送控制系统及控制方法，解决IPT系统的分岔频率输送控制问题。为实现本专利技术的上述目的，根据本专利技术的第一个方面，本专利技术提供了一种基于定频扰动的IPT系统分岔频率输送控制系统，其包括电源模块、开关网络、原边谐振补偿电路、发射线圈、接收线圈、副边谐振补偿电路以及负载，所述原边谐振补偿电路上连接有过零检测电路，该过零检测电路的输出端连接有控制器，该控制器的输出端经过驱动电路与所述开关网络相连。在所述控制器上还连接有扰动频率控制模块；在系统运行过程中，如果期望系统工作在指定的稳定分岔频率点，则启动扰动频率控制模块，控制器将系统切换为定频运行模式，输出指定的扰动控制频率，持续一定时间后结束扰动，控制器重新将系统切换回浮频控制模式，系统运行频率将自动收敛到期望的频率点上。本专利技术的基于定频扰动的IPT系统分岔频率输送控制系统通过频率扰动使系统收敛到指定的频率上，基于定频扰动的输送控制策略是将系统切换为开环状态，在定频驱动下做强迫振荡运动；不同于延时扰动的输送控制策略在反馈回路上加上延迟，但系统依然工作在闭环作用下。基于定频扰动相对于基于延时扰动的控制策略，具有以下优势：1)相比于延迟要通过计数器实现，定频的控制实现容易，结构简单；2)定频的控制可靠性强，稳定性好，不容易出现失谐的情况；3)基于定频的扰动如果频率值选取接近系统软开关频率，切换过程快速，损耗小，延迟扰动很难做到。为实现本专利技术的上述目的，根据本专利技术的第二个方面，本专利技术提供了一种利用本专利技术的基于定频扰动的IPT系统分岔频率输送控制系统的控制方法，其包括如下步骤：S1，预先确定IPT系统的两个稳定分岔频率f1和f3；S2，分别确定收敛为两个稳定分岔频率的扰动频率上下界；S3，确定两个分岔频率收敛域的分界线f2，结合扰动频率上下界得到两个稳定分岔频率的控制域；S4，在系统运行过程中，如果期望系统工作在指定的稳定分岔频率点，则从控制域中选择合适的控制参数，即扰动频率，启动扰动频率控制模块，使得控制器将系统切换为定频运行模式，输出指定的扰动控制频率，持续一定时间后结束扰动，控制器重新将系统切换回浮频控制模式，系统运行频率将自动收敛到期望的频率点上。本专利技术的控制方法可靠性强，稳定性好，不容易出现失谐的情况；切换过程快速，损耗小。在本专利技术的一种优选实施方式中，对于PS系统，步骤S1中确定IPT系统的软开关分岔频率的方法为：工频整流滤波后的直流电源为Edc，其串联直流电感Ld形成准电流源，分别取电感Ld电流id、原副边的谐振电流ip、is及谐振电压up、us组成系统状态向量，即x＝[idupipisus]T，u＝[Edc]为输入变量；将系统工作周期分段线性化为两个工作模态并建立这两个工作模态的微分方程，可表示为状态空间描述：其中状态矩阵输入矩阵其中，,M为互感值，Rd是输入大电感的电阻值，Cp为原边补偿电容，Lp为副边谐振电感的值，Ls为副边谐振电感的值，Rp为原边串联电阻值，Rs为副边串联电阻值，RL为负载阻值，Cs为副边电容值；det＝M2-Lp×Ls得出系统的周期不动点为：其中：取出不动点x*中原边补偿电容电压分量，令电容电压状态投影矩阵Y＝[0,1,0,0,0]，得到用于分析软开关频率工作点的系统不动点函数：令方程的所有解为Ti(i＝1,2...n)，以这些非零解作为系统的开关周期得出系统n个软开关工作点的Ti，这些点即为满足ZVS软开关条件的解，筛选掉其中多次过零的解，只保留在单个周期内单次过零的解，则在IPT系统常见拓扑中通常会存在1或3个软开关工作点；考虑IPT系统中存在3个软开关工作点时的情况，则可得系统软开关工作频率：且f1<f2<f3。这三个软开关频率中，f1和f3具有自治振荡稳定性，称之为稳定分岔频率，f2不具有自治振荡稳定性，称之为不稳定分岔频率。与传统方法相比，本专利技术的频闪映射具有运算量小，精度高，结果完备等优点。在本专利技术的一种优选实施方式中，步骤S2中确定收敛为两个稳定分岔频率的扰动频率上下界的方法为：令系统在扰动频率控制下，其振荡电路的实际响应频率为fs，则收敛为低频稳定分岔频率f1的频率下界fmin为使得实际响应频率fs小于f2的最小控制频率；收敛为高频稳定分岔频率f3的频率上界fmax为使得实际响应频率fs大于f2的最大控制频率，理论上接近无穷。在本专利技术另外的优选实施方式中，fmin实际操作时取f1的0.75倍，fmax实际操作时取f3的1.25倍。通过确定扰动频率的上下界，便于选取扰动频率。在本专利技术的优选实施方式中，步骤S3中确定收敛为两个稳定分岔频率的频率控制域的方法为：两个分岔频率收敛域的分界线即为不具有自治振荡稳定性的软开关频率f2，结合扰动频率上下界可确定对应低频稳定分岔频率f1的控制域为fmin<f<f2，对应高频稳定分岔频率f3的控制域为f2<f<fmax。实际扰动频率可以在期望分岔频率的控制域内任意选取，选择接近期望频率值的频率可以获得较好的系统动态响应特性。附图说明图1是本专利技术的基于定频扰动的IPT系统分岔频率输送控制系统的结构示意图；图2是本专利技术一种优选实施方式中IPT系统的结构示意图；图3是本专利技术一种优选实施方式的扰动结果示意图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。在本专利技术的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本专利技术提供了一种基于定频扰动的IPT系统分岔频率输送控制系统，如图1所示，其包括电源模块、开关网络、原边谐振补偿电路、发射线圈、接收线圈、副边谐振补偿电路以及负载。其中，原边谐振补偿电路本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于定频扰动的IPT系统分岔频率输送控制系统，包括电源模块、开关网络、原边谐振补偿电路、发射线圈、接收线圈、副边谐振补偿电路以及负载，所述原边谐振补偿电路上连接有过零检测电路，该过零检测电路的输出端连接有控制器，该控制器的输出端经过驱动电路与所述开关网络相连，其特征在于，在所述控制器上还连接有扰动频率控制模块；在系统运行过程中，如果期望系统工作在指定的稳定分岔频率点，则启动扰动频率控制模块，控制器将系统切换为定频运行模式，输出指定的扰动控制频率，持续一定时间后结束扰动，控制器重新将系统切换回浮频控制模式，系统运行频率将自动收敛到期望的频率点上。

【技术特征摘要】
1.一种基于定频扰动的IPT系统分岔频率输送控制系统的控制方法，所述基于定频扰动的IPT系统分岔频率输送控制系统包括电源模块、开关网络、原边谐振补偿电路、发射线圈、接收线圈、副边谐振补偿电路以及负载，所述原边谐振补偿电路上连接有过零检测电路，该过零检测电路的输出端连接有控制器，该控制器的输出端经过驱动电路与所述开关网络相连，在所述控制器上还连接有扰动频率控制模块；在系统运行过程中，如果期望系统工作在指定的稳定分岔频率点，则启动扰动频率控制模块，控制器将系统切换为定频运行模式，输出指定的扰动控制频率，持续一定时间后结束扰动，控制器重新将系统切换回浮频控制模式，系统运行频率将自动收敛到期望的频率点上，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：S1，预先确定IPT系统的两个稳定分岔频率f1和f3；S2，分别确定收敛为两个稳定分岔频率的扰动频率上下界；S3，确定两个分岔频率收敛域的分界线f2，结合扰动频率上下界得到两个稳定分岔频率的控制域；S4，在系统运行过程中，如果期望系统工作在指定的稳定分岔频率点，则从控制域中选择合适的控制参数，即扰动频率，启动扰动频率控制模块，使得控制器将系统切换为定频运行模式，输出指定的扰动控制频率，持续一定时间后结束扰动，控制器重新将系统切换回浮频控制模式，系统运行频率将自动收敛到期望的频率点上。2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，对于PS系统，步骤S1中确定IPT系统的软开关分岔频率的方法为：工频整流滤波后的直流电源为Edc，其串联直流电感Ld形成准电流源，分别取电感Ld的电流id、原副边的谐振电流ip、is及谐振电压up、us组成系统状态向量，即x＝[idupipisus]T，u＝[Edc]为输入变量；将系统工作周期分段线性化为两个工作模态并建立这两个工作模态的微分方程，可表示为状态空间描述：其中状态矩阵输入矩阵其中,M为互感值，Rd是...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐春森，王智慧，苏玉刚，叶兆虹，戴欣，孙跃，柳林，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85