多通道恒流输出的无人机悬停充电系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多恒流输出的无人机悬停充电系统，该系统包括充电控制系统；充电控制系统包括采样模块、傅里叶变换模块、互感估计模块及PI控制器；采样模块用于采样流经发射线圈的电流信号；傅里叶变换模块用于对采样获得的原边电流信号进行傅里叶变换，得到不同频率电流分量信号；互感估计模块用于根据不同频率的电流分量信号，估计发射线圈和不同副边系统的接收线圈之间互感量；PI控制器用于对应不同的互感量，输出相应的控制信号至逆变器的控制端，使逆变器输出的交流电压为不同角频率交流电压分量的叠加；各角频率交流电压分量对应使各副边系统的整流器输出的电流恒定。本发明专利技术无需在副边添加检测、通讯等模块，实现无人机侧轻量化设计。侧轻量化设计。侧轻量化设计。

【技术实现步骤摘要】
多通道恒流输出的无人机悬停充电系统及方法


[0001]本专利技术涉及一种充电系统控制系统及控制方法，特别涉及一种多通道恒流输出的无人机悬停充电系统及方法。

技术介绍

[0002]目前，无人机由于其灵活，便捷，经济和无人化的特点，已经广泛应用于各行各业，包括电力巡检，包裹递送，天然气管道巡检，军事，建筑和农业等等。然而，受电池容量的限制，无人机的最大飞行距离往往只有3到33km，这对于一些长距离的应用是远远不够的。增加电池容量会增加无人机的功率消耗，并不能明显提升无人机的航程。因此，有必要建立充电装置使无人机可以在作业中途补充能量。现有的无人机无线充电机巢，价格比较高，可以实现无人机的自动返航，快速充电，边缘计算等功能，在机巢的7km作业半径内可以出色地完成能量补给任务。但是，机巢的价格非常昂贵，不适合大量铺设，并且一个机巢仅能为一架无人机充电，无人机数量较多时需要的成本会更高。
[0003]基于WPT技术的多无人机悬停充电为解决上述问题提供了一个良好的方案。多无人机悬停充电的优势有三点：第一，建造一个仅用于无线能量补给的充电基站成本低于一个具备收纳、充电、数据分析功能的机巢；第二，悬停充电的方式还可以直接利用无人机的飞行控制系统抵抗强风等外界干扰，避免使用机械手等额外的辅助固定的地面设备；第三，无人机体积较小的特点以及无人机避免碰撞技术的发展使得多无人机在一个充电基站同时悬停充电的充电模式具备可行性，该模式实现后可大大提升了每一个充电基站的利用率，从而减少充电基站的数量，进一步降低成本。然而，多无人机悬停充电这一新颖的能量补给方式也带来了新的困难，无人机的飞行控制系统并不能保证无人机完全静止在空中，多个无人机不可避免会存在无规律的抖动，这会引发发射线圈和多个接收线圈之间的多个互感发生连续的扰动，导致多通道WPT系统的流经接收线圈的电流不稳定，影响电池的充电性能。
[0004]为保证互感连续扰动下的恒流输出特性，需要采取基于互感估计的恒流输出控制方法。然而，现有无人机悬停充电系统的恒流输出控制方法只针对单无人机悬停充电系统，尚未有多无人机悬停充电系统的多恒流输出控制方法。现有的多通道WPT系统相关研究主要关注于系统设计，特别是系统原边结构和电路的设计，尚未有关于克服多个互感连续扰动的相关研究。基于现有的多通道WPT系统相关研究实现多无人机悬停充电系统多互感估计的主要问题在于，传统的副边侧检测电流并通过通信模块回传到原边侧施加控制的方式会导致无人机侧的负重增加，导致无人机飞行的功率损耗增加。因此，针对多无人机悬停充电系统，需要一种不需要在副边增加额外电流检测、通讯等模块的多恒流输出控制策略。

技术实现思路

[0005]本专利技术为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种多通道恒流输出的无人机悬停充电系统及方法。
[0006]本专利技术为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种多通道恒流输出的无人机悬停充电系统，该系统包括用于发射电磁能的原边系统、n个用于接收电磁能的副边系统及充电控制系统；原边系统包括直流电压源、逆变器、原边谐振补偿网络和发射线圈；直流电压源与逆变器的直流输入侧连接；原边谐振补偿网络包括原边主电容、第1至第n
‑
1个原边补偿电容，第1至第n
‑
1个原边补偿电感；第1至第n
‑
1个原边补偿电容一一对应与第1至第n
‑
1个原边补偿电感并联后串联，再与原边主电容及发射线圈串联后并接在逆变器的交流输出侧；每个副边系统包括接收线圈、副边谐振补偿网络、整流器、滤波电容和充电负载；发射线圈和每个接收线圈之间相互电磁耦合；副边谐振补偿网络包括副边主电容、第1至第n
‑
1个副边补偿电容，第1至第n
‑
1个副边补偿电感；第1至第n
‑
1个副边补偿电容一一对应与第1至第n
‑
1个副边补偿电感并联后串联，再与副边主电容及接收线圈串联后并接在整流器的交流输入侧；整流器的直流侧分别与滤波电容及充电负载并联；充电控制系统包括采样模块、傅里叶变换模块、互感估计模块及PI控制器；采样模块用于采样流经发射线圈的电流信号；傅里叶变换模块用于对采样获得的原边电流信号进行傅里叶变换，得到不同频率的电流分量信号；互感估计模块用于根据不同频率的电流分量信号，估计发射线圈和不同副边系统的接收线圈之间互感量；PI控制器用于对应不同的互感量，输出相应的控制信号至逆变器的控制端，使逆变器输出的交流电压为不同角频率交流电压分量的叠加；各角频率与副边系统的系统角频率一一对应，各角频率交流电压分量对应使各副边系统的整流器输出的电流恒定。
[0007]进一步地，采样模块以大于等于原边系统最高工作频率两倍的采样频率采样流经发射线圈的电流信号。
[0008]进一步地，逆变器为四个MOSFET构成的全桥逆变器。
[0009]本专利技术还提供了一种利用上述的多通道恒流输出的无人机悬停充电系统的多通道恒流输出的无人机悬停充电方法，该方法包括如下步骤：
[0010]步骤1，设第m个系统角频率为ω
m
，m＝1、2
…
n，确定原、副边谐振补偿网络的元器件参数，使对应角频率为ω
m
时，发射线圈的电感的阻抗与原边谐振补偿网络的阻抗绝对值相等，符号相反；使第i个副边系统的总阻抗为0，且该副边系统工作在ω
m
以外的角频率状态时总阻抗为无穷大；i＝m；
[0011]步骤2，采样模块采样流经发射线圈的电流信号，傅里叶变换模块将采样获得的原边电流信号进行傅里叶变换，获得不同频率的电流分量；
[0012]步骤3，互感估计模块根据不同频率的电流分量，对发射线圈和不同副边系统的接收线圈之间互感量进行估计，得到发射线圈和不同副边系统的接收线圈之间互感的感量估计值；
[0013]步骤4，PI控制器对发射线圈和不同副边系统的接收线圈之间互感的感量估计值，一一进行比例积分调节后输出独立控制信号至逆变器控制端，使逆变器输出的交流电压为不同角频率交流电压分量的叠加；各角频率与副边系统的系统角频率一一对应，各角频率交流电压分量的幅值对应使各副边系统的整流器输出的电流恒定。
[0014]进一步地，步骤1包括如下分步骤：
[0015]步骤1
‑
1，根据叠加定理绘制原边系统等效电路及各副边系统等效电路；
[0016]步骤1
‑
2，计算原边谐振补偿网络对应系统角频率ω
m
的阻抗，及第i个副边系统的
副边谐振补偿网络对应系统角频率ω
m
的阻抗；
[0017]步骤1
‑
3，根据基尔霍夫电压定律，得到逆变器输出端的总阻抗及第i个副边系统的总阻抗；
[0018]步骤1
‑
4，确定原边谐振补偿网络及各副边系统的副边谐振补偿网络的元器件参数，使对应系统角频率为ω
m
时，发射线圈的电感的阻抗与原边本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多通道恒流输出的无人机悬停充电系统，其特征在于，该系统包括用于发射电磁能的原边系统、n个用于接收电磁能的副边系统及充电控制系统；原边系统包括直流电压源、逆变器、原边谐振补偿网络和发射线圈；直流电压源与逆变器的直流输入侧连接；原边谐振补偿网络包括原边主电容、第1至第n
‑
1个原边补偿电容，第1至第n
‑
1个原边补偿电感；第1至第n
‑
1个原边补偿电容一一对应与第1至第n
‑
1个原边补偿电感并联后串联，再与原边主电容及发射线圈串联后并接在逆变器的交流输出侧；每个副边系统包括接收线圈、副边谐振补偿网络、整流器、滤波电容和充电负载；发射线圈和每个接收线圈之间相互电磁耦合；副边谐振补偿网络包括副边主电容、第1至第n
‑
1个副边补偿电容，第1至第n
‑
1个副边补偿电感；第1至第n
‑
1个副边补偿电容一一对应与第1至第n
‑
1个副边补偿电感并联后串联，再与副边主电容及接收线圈串联后并接在整流器的交流输入侧；整流器的直流侧分别与滤波电容及充电负载并联；充电控制系统包括采样模块、傅里叶变换模块、互感估计模块及PI控制器；采样模块用于采样流经发射线圈的电流信号；傅里叶变换模块用于对采样获得的原边电流信号进行傅里叶变换，得到不同频率的电流分量信号；互感估计模块用于根据不同频率的电流分量信号，估计发射线圈和不同副边系统的接收线圈之间互感量；PI控制器用于对应不同的互感量，输出相应的控制信号至逆变器的控制端，使逆变器输出的交流电压为不同角频率交流电压分量的叠加；各角频率与副边系统的系统角频率一一对应，各角频率交流电压分量对应使各副边系统的整流器输出的电流恒定。2.根据权利要求1所述的多通道恒流输出的无人机悬停充电系统，其特征在于，采样模块以大于等于原边系统最高工作频率两倍的采样频率采样流经发射线圈的电流信号。3.根据权利要求1所述的多通道恒流输出的无人机悬停充电系统，其特征在于，逆变器为四个MOSFET构成的全桥逆变器。4.一种利用权利要求1至3任一所述的多通道恒流输出的无人机悬停充电系统的多通道恒流输出的无人机悬停充电方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤1，设第m个系统角频率为ω
m
，m＝1、2
…
n，确定原、副边谐振补偿网络的元器件参数，使对应角频率为ω
m
时，发射线圈的电感的阻抗与原边谐振补偿网络的阻抗绝对值相等，符号相反；使第i个副边系统的总阻抗为0，且该副边系统工作在ω
m
以外的角频率状态时总阻抗为无穷大；i＝m；步骤2，采样模块采样流经发射线圈的电流信号，傅里叶变换模块将采样获得的原边电流信号进行傅里叶变换，获得不同频率的电流分量；步骤3，互感估计模块根据不同频率的电流分量，对发射线圈和不同副边系统的接收线圈之间互感量进行估计，得到发射线圈和不同副边系统的接收线圈之间互感的感量估计值；步骤4，PI控制器对发射线圈和不同副边系统的接收线圈之间互感的感量估计值，一一进行比例积分调节后输出独立控制信号至逆变器控制端，使逆变器输出的交流电压为不同角频率交流电压分量的叠加；各角频率与副边系统的系统角频率一一对应，各角频率交流电压分量的幅值对应使各副边系统的整流器输出的电流恒定。5.根据权利要求4所述的多通道恒流输出的无人机悬停充电方法，其特征在于，步骤1包括如下分步骤：步骤1
‑
1，根据叠加定理绘制原边系统等效电路及各副边系统等效电路；
步骤1
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2，计算原边谐振补偿网络对应系统角频率ω
m
的阻抗，及第i个副边系统的副边谐振补偿网络对应系统角频率ω
m

【专利技术属性】
技术研发人员：张镇，龚延天，常思远，邓斌，王凯峰，
申请(专利权)人：天津大学浙江国际创新设计与智造研究院，
类型：发明
国别省市：