一种考虑动态性能的无线电能传输系统调谐反馈控制方法技术方案

本发明专利技术涉及无线电能传输调谐控制技术，具体涉及一种考虑动态性能的无线电能传输系统调谐反馈控制方法，包括以下步骤：利用耦合模理论和电路理论分析得到系统的发射端和接收端的相位非线性微分方程模型；利用小信号线性化方法，将相位非线性微分方程模型在系统谐振点附近线性化，并分析系统的闭环动态性能；以线性模型为被控对象，系统逆变电路输出电压的相位值为参考相位，分别利用系统工作在谐振状态时，发射端的相位值和发射端与接收端的相位差值为系统发射端和接收端控制回路的给定值，形成系统调谐闭环反馈控制回路。该控制方法能够快速准确的控制磁耦合无线电能传输系统始终工作在高传输效率与功率的工作状态，对失谐扰动有较好鲁棒性。

A method of tuning feedback control for radio energy transmission system with dynamic performance

【技术实现步骤摘要】
一种考虑动态性能的无线电能传输系统调谐反馈控制方法
本专利技术属于无线电能传输调谐控制
，尤其涉及一种考虑动态性能的无线电能传输系统调谐反馈控制方法。
技术介绍
磁耦合无线电能传输技术在许多领域中的应用解决了电能传输依靠金属介质的问题。作为一种特殊的无线电源，系统的传输效率和功率的稳定性都备受关注。但在实际应用中，系统的参数会随器件的制造精度、材料的发热和老化以及环境的干扰等因素影响而发生不同程度的偏移。这种参数的偏移会使系统发生失谐，降低传输效率和功率。为了使系统以较高传输效率和功率运行，并且保持较好稳定性，现有的文献提出了各种调谐技术，主要分为频率调谐和阻抗调谐。频率调谐主要控制系统的工作频率或变换器开关电路的驱动信号。阻抗调谐则主要通过调节电容阵列、可控电容和可控电感的等效输出阻抗。尽管这些方法均能实现系统的调谐，但大都是基于系统稳态性能分析，通过控制策略的迭代来实现的。对系统动态特性的考虑和分析少有涉及。其主要的缺点有：1)鲁棒性能较低；2)无法保证调谐过程中系统的稳定性，调谐过程中超调量过高会损坏系统的电子器件；3)调谐控制过程不连续，存在延时。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能够对磁耦合无线电能传输系统的发射端与接收端进行调谐控制，使系统始终工作在谐振状态的方法。以保证较高的传输效率与功率。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种考虑动态性能的无线电能传输系统调谐反馈控制方法，包括以下步骤：步骤1、利用耦合模理论和电路理论分析得到系统的发射端和接收端的相位非线性微分方程模型；步骤2、利用小信号线性化方法，将相位非线性微分方程模型在系统谐振点附近线性化，并分析系统的闭环动态性能；步骤3、以线性模型为被控对象，系统逆变电路输出电压的相位值为参考相位，分别利用系统工作在谐振状态时，发射端的相位值和发射端与接收端的相位差值为系统发射端和接收端控制回路的给定值，形成系统调谐闭环反馈控制回路。在上述的考虑动态性能的无线电能传输系统调谐反馈控制方法中，步骤1的实现具体包括：耦合模理论是利用模幅值与相位状态量分别描述系统发射端与接收端的电压和电流状态量；结合电路理论的电压电流微分方程模型，得到系统发射端和接收端的相位非线性微分方程模型。在上述的考虑动态性能的无线电能传输系统调谐反馈控制方法中，步骤2的实现具体包括：小信号线性化方法是将系统的相位非线性模型在谐振点附近线性化；分析系统闭环动态性能是从闭环根轨迹和伯德图的角度分析系统的超调量、调节时间和稳态误差。在上述的考虑动态性能的无线电能传输系统调谐反馈控制方法中，步骤3的实现具体包括：采用可控电容或电感为系统控制回路的执行器，通过Z-N法整定PI控制器参数，来调节可控电容或电感，从而使系统始终工作在谐振状态。在上述的考虑动态性能的无线电能传输系统调谐反馈控制方法中，步骤3所述系统发射端和接收端的控制回路的给定值分别为发射端电流的相位值和发射端电流与接收端电流的相位差值。本专利技术的有益效果是：控制系统在失谐扰动下始终工作在谐振状态，保证较高的传输效率与功率。能够快速准确的控制磁耦合无线电能传输系统始终工作在高传输效率与功率的工作状态，对失谐扰动有较好鲁棒性。保证了调谐过程中系统的稳定性，实现了调谐控制过程连续性。附图说明图1为本专利技术一个实施例中的典型两线圈磁耦合无线电能传输系统结构示意图；图2为本专利技术一个实施例中的典型两线圈磁耦合无线电能传输系统主电路等效电路图；图3为本专利技术一个实施例中的典型两线圈磁耦合无线电能传输系统小信号线性模型的单位阶跃响应曲线；图4为本专利技术一个实施例中的典型两线圈磁耦合无线电能传输系统小信号线性模型的开环伯德图曲线；图5为本专利技术一个实施例中的典型两线圈磁耦合无线电能传输系统小信号线性模型的闭环根轨迹曲线；图6为本专利技术一个实施例中的基于MTLAB—SIMULINK的仿真模型；图7为本专利技术一个实施例中的基于MTLAB—SIMULINK的仿真模型在发射端电容存在失谐扰动时传输效率对有控制和无控制的响应曲线；图8为本专利技术一个实施例中的基于MTLAB—SIMULINK的仿真模型在发射端电容存在失谐扰动时发射端和接收端相位对有控制和无控制的响应曲线；图9为本专利技术一个实施例中的基于MTLAB—SIMULINK的仿真模型在接收端电容存在失谐扰动时传输功率对有控制和无控制的响应曲线；图10为本专利技术一个实施例中的基于MTLAB—SIMULINK的仿真模型在接收端电容存在失谐扰动时发射端和接收端相位对有控制和无控制的响应曲线；图11为本专利技术一个实施例中的基于SIMSCAPE物理电路仿真工具的仿真模型；图12为本专利技术一个实施例中的基于SIMSCAPE物理电路仿真工具的仿真模型在发射端电容存在失谐扰动时传输效率对有控制和无控制的响应曲线；图13为本专利技术一个实施例中的基于SIMSCAPE物理电路仿真工具的仿真模型在发射端电容存在失谐扰动时发射端和接收端相位对有控制和无控制的响应曲线；图14为本专利技术一个实施例中的基于SIMSCAPE物理电路仿真工具的仿真模型在接收端电容存在失谐扰动时传输功率对有控制和无控制的响应曲线；图15为本专利技术一个实施例中的基于SIMSCAPE物理电路仿真工具的仿真模型在接收端电容存在失谐扰动时发射端和接收端相位对有控制和无控制的响应曲线。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的实施方式进行详细描述。在磁耦合无线电能传输系统中，能量传输效率和功率是最重要的性能。以两线圈系统为例，当系统发射端和接收端均工作在谐振状态时，此时系统获得最大传输效率，同时获得最大传输效率下的最大传输功率。通常情况下，系统的谐振状态与工作频率和谐振网络参数有关，当工作频率与系统发射端和接收端自然谐振频率一致时，系统发射端和接收端同时发生谐振。为了保证较好的鲁棒性和动态性能，分析系统的动态性能对控制回路的设计非常重要，同时控制回路的幅频特性也需要合理的设计。本实施例提出了一种考虑动态性能的无线电能传输系统调谐反馈控制方法。结合耦合模理论和电路理论分析得到系统发射端和接收端的相位动态非线性模型。利用小信号线性化方法在系统谐振状态点对非线性模型进行线性化。以线性模型为被控对象，逆变电路输出电压的相位为参考，系统在谐振状态时发射端和发射端与接收端的相位差为给定值，利用受控电容或电感，在考虑系统动态性能的前提下通过PI控制器进行快速精确的调谐闭环反馈控制。具体包括：1)利用耦合模理论和电路理论分析并得到系统的发射端和接收端的相位非线性微分方程模型；2)利用小信号线性化方法，将相位非线性模型在系统谐振点附近线性化，分析系统的闭环动态性能；3)以系统逆变电路输出电压的相位值为参考，分别利用系统工作在谐振状态时，发射端的相位值和发射端与接收端的相位差值为闭环反馈控制回路的给定值，通过PI控制器调节谐振网络中的可调电容或电感，从而控制系统在失谐扰动下始终工作在谐振状态。而且，在1)中，耦合模理论是利用模幅值与相位状态量分别描述系统发射端与接收端的电压和电流状态量。结合电路理论的电压电流微分方程模型，得到系统发射端和接收端的相位非线性微分方程模型。在2)中，小信号线性化是将系统的相位非线性模型在谐振点附近线性化；分析系统闭环动态性能是指从闭环根轨迹和伯德图的角度分析系本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑动态性能的无线电能传输系统调谐反馈控制方法，其特征是，包括以下步骤：步骤1、利用耦合模理论和电路理论分析得到系统的发射端和接收端的相位非线性微分方程模型；步骤2、利用小信号线性化方法，将相位非线性微分方程模型在系统谐振点附近线性化，并分析系统的闭环动态性能；步骤3、以线性模型为被控对象，系统逆变电路输出电压的相位值为参考相位，分别利用系统工作在谐振状态时，发射端的相位值和发射端与接收端的相位差值为系统发射端和接收端控制回路的给定值，形成系统调谐闭环反馈控制回路。

【技术特征摘要】
1.一种考虑动态性能的无线电能传输系统调谐反馈控制方法，其特征是，包括以下步骤：步骤1、利用耦合模理论和电路理论分析得到系统的发射端和接收端的相位非线性微分方程模型；步骤2、利用小信号线性化方法，将相位非线性微分方程模型在系统谐振点附近线性化，并分析系统的闭环动态性能；步骤3、以线性模型为被控对象，系统逆变电路输出电压的相位值为参考相位，分别利用系统工作在谐振状态时，发射端的相位值和发射端与接收端的相位差值为系统发射端和接收端控制回路的给定值，形成系统调谐闭环反馈控制回路。2.如权利要求1所述的考虑动态性能的无线电能传输系统调谐反馈控制方法，其特征是，步骤1的实现具体包括：耦合模理论是利用模幅值与相位状态量分别描述系统发射端与接收端的电压和电流状态量；结合电路理论的电压电流微分方程模型，得到系...

【专利技术属性】
技术研发人员：周洪，陈诚，邓其军，胡文山，罗新，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42