一种半桥逆变型磁共振式无线充电系统建模和控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种半桥逆变型磁共振式无线充电系统建模和控制方法，该建模和控制方法的实现包括以下步骤：S1、设计基于半桥逆变谐振拓扑的功率主电路；S2、对半桥逆变谐振电路进行输出等效建模；S3、对磁共振式无线充电系统进行广义状态空间平均法数学建模；S4、设计了基于BP神经网络自整定参数的电流PID闭环控制器。本发明专利技术通过对半桥型磁共振式无线充电系统进行广义状态空间平均法数学建模，以解决磁共振式无线充电系统工作状态模糊、控制设计困难的问题；基于BP神经网络设计了自整定参数的电流PID闭环控制器，以提高恒流输出的稳态性能，降低响应时间和响应超调，从而降低了相关硬件电路的设计要求。

【技术实现步骤摘要】
一种半桥逆变型磁共振式无线充电系统建模和控制方法
本专利技术属于涉及磁共振式无线充电的研究领域，尤其是涉及一种半桥逆变型磁共振式无线充电(MCR-WCT)系统建模和控制方法。
技术介绍
逆变器是磁共振式无线充电系统设计的重要组成部分。半桥逆变电路因其具有器件体积小、控制简单可靠、易实现软开关等优点得到广泛应用。但是，结合工作过程对半桥逆变电路进行数学建模的相关研究较少，使磁共振式无线充电系统建模复杂化。针对磁共振式无线充电系统的建模方法主要有交流阻抗分析方法、扩展函数描述法、频闪映射方法等，上述方法计算过程复杂、计算量庞大，且不适用于高阶非线性系统。电流开环控制无法实现稳定的恒流输出，经典PID控制无法实现参数的自整定，依靠人工经验调整，在精度和响应速度上都无法满足工况变化的性能要求。鉴于此，为了实现半桥型磁共振式无线充电系统的稳定恒流输出，结合半桥逆变电路工作模态，基于广义状态空间平均法(GSSA)建立了磁共振式无线充电系统数学模型，在此基础上提出了一种BP神经网络自适应整定参数的PID电流闭环控制方法，从而减小了磁共振式无线充电系统静态误差，提高了磁共振式无线充电系统动态响应特性，实现磁共振式无线充电系统稳定可靠的电流调节。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有的技术缺陷和不足，提供一种半桥逆变型磁共振式无线充电系统建模和控制方法，通过对半桥型磁共振式无线充电系统进行GSSA建模，以解决磁共振式无线充电系统工作状态模糊、控制设计困难的问题；基于BP神经网络设计了自整定参数的电流PID闭环控制器，以提高恒流输出的稳态性能，降低响应时间和响应超调，从而降低了相关硬件电路的设计要求。本专利技术的目的至少通过如下技术方案之一实现：一种半桥逆变型磁共振式无线充电系统建模和控制方法，所述建模和控制包括以下步骤：步骤S1、设计基于半桥逆变谐振拓扑的磁共振式无线充电系统的功率主电路，用于实现磁耦合谐振式无线电能传输功能；所述磁共振式无线充电系统的基本工作原理是：输入的直流电通过半桥电路逆变成高频交流电，激励发射端线圈与电容发生谐振产生交变近磁场，通过电磁耦合谐振，接收端线圈与电容将磁能转换为电能输出到后级负载，从而完成能量交换；步骤S2、对半桥逆变谐振电路进行输出等效建模，以简化磁共振式无线充电系统输入级电路；步骤S3、对磁共振式无线充电系统进行广义状态空间平均法数学建模，得到GSSA模型，用于对磁共振式无线充电系统进行暂态和稳态分析和实现电流闭环控制，GSSA模型包括GSSA大信号模型和GSSA小信号模型；步骤S4、根据得到的GSSA模型设计基于BP神经网络自整定参数的电流PID闭环控制器，实现磁共振式无线充电系统电流的稳定输出和动态响应。进一步地，步骤S1中，设计的磁共振式无线充电系统的功率主电路拓扑，由发射端主电路和接收端主电路构成；磁共振式无线充电系统的功率主电路拓扑包括：第一整流滤波电路、半桥谐振逆变电路、并联谐振电路、第二整流滤波电路。第一整流滤波电路输入端接电网，输出端连接至半桥谐振逆变电路输入端；半桥谐振逆变电路输出端连接至并联谐振电路输入端；并联谐振电路输出端连接至第二整流滤波电路输入端；最后，第二整流滤波电路输出端连接至负载。进一步地，步骤S2中，对半桥逆变谐振电路进行输出等效建模包括以下步骤：S21、按开关管通断和电流流向分析电路工作模态；S22、计算占空比为0.5下电路的固有频率，分析谐振方式，简化电路模型；S23、建立占空比任意状况下的电路等效模型，对输出电压按三角形式的傅里叶级数展开，计算出直流分量和基波分量。进一步地，步骤S3中，对磁共振式无线充电系统进行广义状态空间平均法数学建模包括以下步骤：S31、将收发线圈耦合等效为互感模型，接收端全桥整流电路等效成一个受控方波电流源和一个受控电压源，从而建立磁共振式无线充电系统等效电路模型；S32、基于广义状态空间平均法建立大信号模型，对非线性环节利用卷积特性进行线性化处理，利用微分性质对状态分量进行谐波近似，最后展开谐波分量的实虚部得到大信号模型，从而计算出稳态工作点；S33、在稳态工作点加入低频小扰动通过分离扰动和泰勒展开线性化处理，建立小信号模型，通过拉氏变换得到输出电流对占空比的传递函数。进一步地，所述磁共振式无线充电系统的GSSA大信号模型为：X'(t)＝AX(t)+BU(t)其中，A为磁共振式无线充电系统增广矩阵，B为磁共振式无线充电系统输入矩阵，X(t)为广义状态变量，U(t)为输入变量；磁共振式无线充电系统稳态工作时，有X’(t)＝0，所以有AXSS+BUSS＝0，可解得磁共振式无线充电系统稳态工作点：XSS＝A-1BUSS其中，XSS、USS分别为广义状态变量稳态值和输入变量稳态值，下标SS表示稳态值(Steady-statevalue)；所述磁共振式无线充电系统的GSSA小信号模型为：其中，为广义状态变量小信号分量，为占空比的小信号分量，为输出变量的小信号分量；其中，RP、LP、CP分别是发射端电路的分布电阻、线圈电感和谐振电容，RS、LS、CS分别是接收端电路的分布电阻、线圈电感和谐振电容，L、C、RL分别为滤波电感、滤波电容和负载电阻；w为逆变电路开关管工作角频率，k1-k7是非线性环节泰勒展开得到的系数，m1为逆变电源基波虚部分量。进一步地，步骤S4中，设计基于BP神经网络自整定参数的电流PID闭环控制器包括以下步骤：S41、结合GSSA模型在前向通道串联经典的PID控制器进行输入调节；S42、在此基础上，构造了三层BP神经网络，采用动量梯度下降法对网络各层的连接权值进行修正；S43、得到连接权值系数的学习算法，从而实现对输出的KP、KI和KD参数的自适应整定。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：(1)半桥逆变谐振电路数学建模。磁共振式无线充电系统半桥逆变谐振电路具有类似全桥逆变电路的对称性，后桥臂由两个串联电容替代，通过工作模态分析确定了串联谐振的工作方式，计算了固有谐振频率，建立了等效输出电压模型，计算了占空比任意下的基波分量，为半桥逆变型磁共振式无线充电系统建模和控制提供输入级模型。(2)提高了电流调节效率。根据负载特性和功率要求设定输出电流，通过BP神经网络自学习算法实现PID参数整定，得到最优参数配置，从而降低调节时间，实现电流快速响应，提高电流调节可靠性和切换效率。(3)降低了硬件电路的设计要求。BP神经网络自整定PID控制的磁共振式无线充电系统，由于BP网络梯度下降法的自学习算法，使磁共振式无线充电系统相比其他常规的控制算法具有更低的最大超调量。因此，在输出电流值切换时，能实现较小的电流过冲，对硬件电路元件的电流峰值承受力要求降低，从而降低了电路设计要求和成本。附图说明图1为本专利技术实施例采用的建模和控制设计步骤流程图2为本专利技术实施例采用的磁共振式无线充电系统主电路拓扑图3为本专利技术实施例采用的磁共振式无线充电系统主电路简化拓扑图4为本专利技术实施例采用的半桥逆变谐振电路工作过程图5为本专利技术实施例采用的发射端半桥逆变谐振等效电路图6为本专利技术实施例采用的双路互补对称驱动PWM和逆变方波电源uH图7为本专利技术实施例采用的MCR-WCT系统简化电路模型图8为本专利技术实施例采用的经典PID电流单闭环控制图9为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半桥逆变型磁共振式无线充电系统建模和控制方法，其特征在于，所述建模和控制包括以下步骤：步骤S1、设计基于半桥逆变谐振拓扑的磁共振式无线充电系统的功率主电路，用于实现磁耦合谐振式无线电能传输功能；所述磁共振式无线充电系统的基本工作原理是：输入的直流电通过半桥电路逆变成高频交流电，激励发射端线圈与电容发生谐振产生交变近磁场，通过电磁耦合谐振，接收端线圈与电容将磁能转换为电能输出到后级负载，从而完成能量交换；步骤S2、对半桥逆变谐振电路进行输出等效建模，以简化磁共振式无线充电系统输入级电路；步骤S3、对磁共振式无线充电系统进行广义状态空间平均法数学建模，得到GSSA模型，用于对磁共振式无线充电系统进行暂态和稳态分析和实现电流闭环控制，GSSA模型包括GSSA大信号模型和GSSA小信号模型；步骤S4、根据得到的GSSA模型设计基于BP神经网络自整定参数的电流PID闭环控制器，实现磁共振式无线充电系统电流的稳定输出和动态响应。

【技术特征摘要】
1.一种半桥逆变型磁共振式无线充电系统建模和控制方法，其特征在于，所述建模和控制包括以下步骤：步骤S1、设计基于半桥逆变谐振拓扑的磁共振式无线充电系统的功率主电路，用于实现磁耦合谐振式无线电能传输功能；所述磁共振式无线充电系统的基本工作原理是：输入的直流电通过半桥电路逆变成高频交流电，激励发射端线圈与电容发生谐振产生交变近磁场，通过电磁耦合谐振，接收端线圈与电容将磁能转换为电能输出到后级负载，从而完成能量交换；步骤S2、对半桥逆变谐振电路进行输出等效建模，以简化磁共振式无线充电系统输入级电路；步骤S3、对磁共振式无线充电系统进行广义状态空间平均法数学建模，得到GSSA模型，用于对磁共振式无线充电系统进行暂态和稳态分析和实现电流闭环控制，GSSA模型包括GSSA大信号模型和GSSA小信号模型；步骤S4、根据得到的GSSA模型设计基于BP神经网络自整定参数的电流PID闭环控制器，实现磁共振式无线充电系统电流的稳定输出和动态响应。2.根据权利要求1所述的一种半桥逆变型磁共振式无线充电系统建模和控制方法，其特征在于，步骤S1中，设计的磁共振式无线充电系统的功率主电路拓扑，由发射端主电路和接收端主电路构成；磁共振式无线充电系统的功率主电路拓扑包括：第一整流滤波电路、半桥谐振逆变电路、并联谐振电路、第二整流滤波电路；第一整流滤波电路输入端接电网，输出端连接至半桥谐振逆变电路输入端；半桥谐振逆变电路输出端连接至并联谐振电路输入端；并联谐振电路输出端连接至第二整流滤波电路输入端；最后，第二整流滤波电路输出端连接至负载。3.根据权利要求1所述的一种半桥逆变型磁共振式无线充电系统建模和控制方法，其特征在于，步骤S2中，对半桥逆变谐振电路进行输出等效建模通过以下步骤完成：S21、按开关管通断和电流流向分析电路工作模态；S22、计算占空比为0.5下电路的固有频率，分析谐振方式，简化电路模型；S23、建立占空比任意状况下的电路等效模型，对输出电压按三角形式的傅里叶级数展开，计算出直流分量和基波分量。4.根据权利要求1所述的一种半桥逆变型磁共振式无线充电系统建模和控制方法，其特征在于，步骤S3中，对磁共振式无线充电系统进行广义状态空间平均法...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛家祥，曾得志，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44