基于Buck环节的无线电能传输系统滑模控制方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于Buck环节的无线电能传输系统滑模控制方法，包括以下步骤：S1：以Buck环节输出电容电压uC1和续流电感电流iL为检测对象，在uC1‑iL相平面上确定最优开关切换点和稳态点；S2：根据最优开关切换点和稳态点确定滑模直线的斜率以及纵轴截距；S3：判断是否需要限流控制，如果需要，则调整滑模直线的斜率；S4：判断是否发生负载切换，如果发生负载切换，则调整滑模直线的纵轴截距；S5：实时获取输出电容电压uC1和续流电感电流iL，按照滑模控制策略控制Buck电路中的开关管状态。其效果是：可以加快动态响应，缩短动态过程，通过改变滑模方程的斜率限制电流过冲，同时在负载切换时能使副边输出电压快速恢复原态，提高了控制的鲁棒性和适应性。

【技术实现步骤摘要】
基于Buck环节的无线电能传输系统滑模控制方法
本专利技术属于无线电能传输
，具体涉及一种基于Buck环节的无线电能传输系统滑模控制方法。
技术介绍
无线电能传输(wirelesspowertransfer,WPT)有多种实现方法，现阶段无线充电系统较多采用的是感应电能传输(inductivepowertransfer,IPT)技术，该技术利用电磁感应原理实现电与磁之间的转换，从而实现有线充电的“无线化”，免除人工插拔充电线动作，避免了漏电危险，没有接触磨损，更加安全、美观、便捷，还可以提高系统自动化程度。如图1所示的基于Buck环节的无线电能传输系统是无线充电系统常用的电路拓扑结构之一。相比于直接通过逆变电路或副边主动整流桥调节功率，该系统采用前置Buck变换器调节功率，优点在于调功范围宽，控制精度高，产生电磁干扰较少，适合大功率无线充电系统，如电动汽车无线充电系统。在电动汽车无线充电系统启动过程中，电流和电压的过冲通常较大，如果超过了开关管最大耐流值或耐压值，会造成开关管永久损坏。现在一般是通过延长启动时间来减小电流冲击，然而在某些动态无线充电场景，经过每段导轨的时间很短，这就要求系统能够尽快达到额定功率。因此，需要研究一种能使系统快速进入稳态并限制最大电流的控制方法来优化系统的动态性能。在二阶系统动态过程优化方面，学者们已经做了较多的研究，提出了PWM控制、相轨迹规划、滑模控制、边界控制、时间最优控制等方法。但是在高阶电路系统的动态响应优化方面的研究还较少，目前采取的方式通常是降阶处理或者作等效变换，算法的复杂度高，动态响应的时效性难以得到满足。
技术实现思路
针对以上问题的不足，本专利技术引入相轨迹规划技术，该技术将系统状态变量如电压、电流联合展示在相平面上，更加直观形象，通过设计系统的运动轨迹，结合滑模控制方法，能够有效缩短启动时间，限制最大启动电流。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种基于Buck环节的无线电能传输系统滑模控制方法，其关键在于包括以下步骤：S1：以Buck电路中输出电容电压uC1和续流电感电流iL为检测对象，根据系统拓扑结构及电路参数，在uC1-iL相平面上确定最优开关切换点和稳态点；S2：根据最优开关切换点和稳态点确定滑模直线的斜率以及纵轴截距；S3：判断是否需要限流控制，如果需要，则调整滑模直线的斜率，得到新的滑模直线；S4：判断是否发生负载切换，如果发生负载切换，则调整滑模直线的纵轴截距；S5：实时获取Buck电路中输出电容电压uC1和续流电感电流iL，根据最终确定的滑模直线按照滑模控制策略控制Buck电路中的开关管状态。可选地，所述滑模控制策略为：其中，Sg＝1表示发出开关管驱动信号，Buck开关管处于开通状态；Sg＝0表示不发出开关管驱动信号，Buck开关管处于关断状态，k表示滑模直线的斜率，且k＜0，b表示滑模直线的纵轴截距，且b＞0。可选地，步骤S1中选取续流电感电流iL、等效电感电流iLeq和输出电容电压uC1作为状态变量x＝[uC1iLiLeq]T，以直流输入电压源E、整流二极管的正向压降Ud为输入向量u＝[E-UD]T，则在开通状态和关断状态有状态空间方程：其中i＝1表示电路处于开通状态，i＝2表示关断状态，Ai为系统矩阵，Bi为输入矩阵；通过对上述状态空间方程求解得到系统的状态运动轨迹，从而确定最优开关切换点和稳态点。可选地，设定系统中Buck环节由开关管Sg、续流二极管DS、续流电感L和滤波电容C1组成，将Buck环节输出端所级联的高频逆变器及谐振网络等环节平均化等效处理为一阻感性负载，等效电感为Leq，等效电阻为Req，则系统矩阵和输入矩阵分别为：其中RL为续流电感等效串联电阻，Ron为开关管Sg的静态漏源极通态阻抗。可选地，等效电感其中：等效电阻其中：M是两个线圈之间的互感，ω为串联谐振的角频率，R为负载电阻，Rs为副边线圈的等效内阻，C2为副边输出电容。本专利技术的显著效果是：本方法使用相轨迹技术规划系统启动的运动轨迹，并结合滑模控制系统快速进入稳态，可以通过改变滑模方程的斜率限制电流过冲，同时针对负载切换过程，设计了截距补偿算法，使副边输出电压能快速恢复原态，提高了控制的鲁棒性和适应性。附图说明为了更清楚地说明本专利技术的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。图1为具体实施例中基于Buck环节的无线电能传输系统的电路拓扑图；图2为整流桥输入电压和电流波形图；图3为整流桥正半周期等效电路；图4为含有受控电流源的等效电路模型；图5为三阶等效平均电路模型；图6为最优开关切换点确定方法示意图；图7为基于相轨迹规划的滑模控制示意图；图8为限制最大电感电流方法示意图；图9为负载切换过程加入截距补偿算法前后对比；图10为负载切换后极限环位置变动示意图；图11为本专利技术的方法流程图；图12为系统启动实验效果图；图13为负载切换实验效果图。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的产品，因此只是作为示例，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。本实施例以图1所示的基于Buck环节的无线电能传输系统做进一步说明，通过图1可以看出，系统中E为直流输入电压源，由开关管Sg、续流二极管DS、续流电感L和滤波电容C1组成的Buck电路调节后级IPT系统的输入电压uC1，从而达到调功的目的。Q1～Q4为逆变电路的开关管，工作在软开关状态，将前级直流电逆变为高频交流电，经过耦合机构将电能传向副边，Lp和Ls为原边线圈和副边线圈的自感，Rp和Rs分别为其内阻，M是两个线圈之间的互感，Cp和Cs分别为原副边线圈的串联谐振补偿电容，副边被动整流桥使用四个二极管D1～D4将高频交流电转换为直流电，C2副边输出电容，对于负载本实施例只考虑纯电阻R的情况。可以看出，前级Buck变换器是一个二阶电路，后级IPT系统混杂了高频交流电和直流电，又有副边输出电容C2存在，总体上系统呈现出高阶非线性，需要建立了一种简化的等效电路模型进行研究分析，从而找到有效的控制手段。系统建模的整体思路是将后级IPT系统看作Buck变换器的负载，这就需要将副边电路归算到原边。首先计算整流桥负载，假设系统工作在软开关状态，谐振电压和谐振电流之间没有相位差，ω为串联谐振的角频率，则有：如图2所示，整流桥输入电压ucd对应图1中cd两端的电压，是幅值为Us的方波，输入电流is为副边串联谐振电流，是幅值为Is的正弦波。两者均为理想化的波形，实际上都有微小程度的畸变。由于ucd和is波形的正半周期和负半周期是对称的，所以只需考虑整流桥工作的正半周期即可。其等效电路如图3所示，Ud为整流二极管的正向压降，iR为负载电流。实际上由于RC2、Ud很小，建模时可以忽略不计，整流桥等效阻抗Z就是滤波电容C2和负载电阻R的并联。将副边电路归算到原边，记为Zre，则有：上下同时除以ω2M2，可以整理出：上式可以看作是一些阻抗的串并联组合，令R′s＝ω2M2/Rs，L′＝ω2M2C2，R′＝ω2M2/R，Zre就是R′和L′串联起来再与R′s并联，所以图1可以简化为图4所示等效电路模型，Buck电路的负载可以看作是一个受控电流源，其中系数α本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于Buck环节的无线电能传输系统滑模控制方法，其特征在于包括以下步骤：S1：以Buck电路中输出电容电压uC1和续流电感电流iL为检测对象，根据系统拓扑结构及电路参数，在uC1‑iL相平面上确定最优开关切换点和稳态点；S2：根据最优开关切换点和稳态点确定滑模直线的斜率以及纵轴截距；S3：判断是否需要限流控制，如果需要，则调整滑模直线的斜率，得到新的滑模直线；S4：判断是否发生负载切换，如果发生负载切换，则调整滑模直线的纵轴截距；S5：实时获取Buck电路中输出电容电压uC1和续流电感电流iL，根据最终确定的滑模直线按照滑模控制策略控制Buck电路中开关管状态。

【技术特征摘要】
1.一种基于Buck环节的无线电能传输系统滑模控制方法，其特征在于包括以下步骤：S1：以Buck电路中输出电容电压uC1和续流电感电流iL为检测对象，根据系统拓扑结构及电路参数，在uC1-iL相平面上确定最优开关切换点和稳态点；S2：根据最优开关切换点和稳态点确定滑模直线的斜率以及纵轴截距；S3：判断是否需要限流控制，如果需要，则调整滑模直线的斜率，得到新的滑模直线；S4：判断是否发生负载切换，如果发生负载切换，则调整滑模直线的纵轴截距；S5：实时获取Buck电路中输出电容电压uC1和续流电感电流iL，根据最终确定的滑模直线按照滑模控制策略控制Buck电路中开关管状态。2.根据权利要求1所述的基于Buck环节的无线电能传输系统滑模控制方法，其特征在于，所述滑模控制策略为：其中，Sg＝1表示发出开关管驱动信号，Buck开关管处于开通状态；Sg＝0表示不发出开关管驱动信号，Buck开关管处于关断状态，k表示滑模直线的斜率，且k＜0，b表示滑模直线的纵轴截距，且b＞0。3.根据权利要求1或2所述的基于Buck环节的无线电能传输系统滑模控制方法，其特征在于，步骤S1中选取续...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐春森，王智慧，孙跃，左志平，苏玉刚，叶兆虹，朱婉婷，梁泽，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50