基于 icpt 系統實現軟開關條件的滑模控制方法
【專利摘要】本發明提出了一種基于ICPT系統實現軟開關條件的滑模控制方法，包括如下步驟：S1，將諧振型感應電能傳輸系統的副邊電路等效為原邊電路，根據等效的原邊電路求解原邊諧振電流；S2，將感應電動勢等效為受原邊控制的電壓源，經過傅里葉變換將副邊整流電路等效為一個匝數比為的變壓器；S3，得到該諧振型感應電能傳輸系統的直流等效電路，根據該直流等效電路的差分方程，本發明從原邊進行控制，且該控制方法是在保證實現軟開關基礎上而實現的控制方法，提升了電路工作的效率。提出的二階滑模控制算法只需要輸出電壓的采樣值和諧振電流的過零點，而不需要電流的具體值和任何積分項。
【專利說明】
基于ICPT系統實現軟開關條件的滑模控制方法
技術領域
[0001] 本發明涉及自動化控制領域，尤其涉及一種基于感應耦合電能傳輸(ICPT)系統實 現軟開關條件的滑模控制方法。
【背景技術】
[0002] 現有技術中，傳統的感應電能傳輸系統控制算法沒有基于原邊的二階滑模控制算 法，沒有建立針對原邊串聯-副邊串聯的感應電能傳輸系統的二階直流等效模型，對于控制 副邊開關來調節輸出端電壓的控制器其效率問題無法解決，而且控制器對負載干擾敏感， 同時受電路參數影響較大，不能快速的動態響應，而且現有技術的控制器設計中需要電流 的采樣值和積分項。傳統控制器的感應電能傳輸系統的輸出電壓在負載擾動和耦合系數變 化的情況下，需要相對較長的調節時間才能達到穩態。這就亟需本領域技術人員解決相應 的技術問題。

【發明內容】

[0003] 本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題，特別創新地提出了一種實現軟 開關條件的滑模控制方法。
[0004] 為了實現本發明的上述目的，本發明提供了一種基于ICPT系統實現軟開關條件的 滑模控制方法，包括如下步驟：
[0005] Sl，將諧振型感應電能傳輸系統的副邊電路等效到原邊電路，根據等效的原邊電 路求解原邊諧振電流；
[0006] S2,將副邊的感應電動勢等效為受原邊電流控制的電壓源，同時經過傅里葉變換 將副邊整流電路等效為一個匝數比為的變壓器； π
[0007] S3,得到該諧振型感應電能傳輸系統的直流等效電路，根據該直流等效電路的差 分方程，設定參考電壓Vrrf，將輸出電壓V和參考電壓Vref的差值定義為滑模變量的誤差信號 值S;
[0008] S4,設置動態參數值i3，s的初始狀態為負時，狀態的切換條件為s多i3Sm;S的初始狀 態為正時，狀態的切換條件為S <β8Μ，控制器結構是由兩個能量注入狀態和兩個能量自諧 振狀態和一個初始狀態組成；
[0009] S5,檢測原邊諧振電流的過零點，保證電路工作在軟開關狀態；
[0010] S6,根據動態參數值的實時更新，相軌跡在能量注入階段的軌跡和能量自諧振階 段的軌跡相互切換，最終到達滑模面h= 〇，〗 =OJ。
[0011]所述的基于ICPT系統實現軟開關條件的滑模控制方法，優選的，所述Sl包括： 能量注入階段
[0012] ， 能量自諧振階段
[0013] 其中，ω Q-電路的自然頻率，ω -諧振電路的工作頻率，τ一諧振電路的時間常 數，Q-電路的品質因數
，VP為原邊電壓，t為時間常數。
[0014] 所述的基于ICPT系統實現軟開關條件的滑模控制方法，優選的，所述S3包括：
[0015] 直流等效后的電路參數表達式為:直流電壓j

能量注入階段 直流電容：Cequ = 2C?t，直流電阻： 能量A諧振階段
[0016] 得到等效電路的差分方程表達式
[0017]
[0018]
[0019] 所述的基于ICPT系統實現軟開關條件的滑模控制方法，優選的，所述S3還包括：
[0020] 基于差分方程表達式，定義S = Vc1-Vrrf，Vrrf為設置的參考電壓，S的一階二階求導 方程表示為
[0023] 由上式可知，簡化后的電路滑動動態的相對階為2;
[0024] 考慮使用二階滑模控制器，因此，選取滑模面
，將S的一階二階求導 方程化簡可得到下述表達式
[0025]
[0026] 為簡便分析，將電路置于開路狀態，ICPT系統處于無阻尼狀態，相當于 ％
零；
[0027]
[0028] 對方程左右兩邊乘以^并積分
[0029] 設置變I
_替換，得到
能量注入階段 _
_ 能量自諧振階段，
[0030] re3，rf分別為能量注入階段和能量自諧振階段的相軌跡圖的半徑，它們的值均由電 路的初始狀態決定，假定初始值為so,電路的模式的切換發生在β Ν^，βΝ為0到1之間的一個 常數，決定系統的趨近過程，sm為能量注入階段的最小值，初始點為(s〇,0)相軌跡圖。
[0031] 所述的基于ICPT系統實現軟開關條件的滑模控制方法，優選的，所述S4包括：
[0032] 求出極限情況下的βΝ和βΡ，即經過一次切換，相軌跡達到滑模

[0033]
[0034]
[0035]
[0036]
[0037]
[0038]
[0039]
[0040] 所述的基于ICPT系統實現軟開關條件的滑模控制方法，優選的，所述S5包括：
[0041] 檢測原邊諧振電流的過零點，然后通過相位校正電路校正由于采樣電路帶來的相 位誤差，保證每次開關動作是在電流過零點時刻完成;在保證此條件下，再實現二階滑模控 制算法。
[0042]綜上所述，由于采用了上述技術方案，本發明的有益效果是：
[0043] 該控制方案從原邊進行控制，且該控制方法是在保證實現軟開關基礎上而實現的 控制方法，提升了電路工作的效率。
[0044] 提出的二階滑模控制算法只需要輸出電壓的采樣值和諧振電流的過零點，而不需 要電流的具體值和任何積分項。
[0045] 該控制算法對電路參數的不確定性，以及負載擾動具有較強的魯棒性。
[0046] 本控制算法同樣適用于其他拓撲的ICPT (感應耦合電能傳輸)電路。
[0047] 本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
【附圖說明】
[0048] 本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得 明顯和容易理解，其中：
[0049] 圖1是本發明原邊串聯-副邊串聯的感應電能傳輸系統電路拓撲；
[0050] 圖2是本發明將副邊等效到原邊后的電路；
[0051] 圖3是本發明將感應電動勢等效為初步副邊等效電路圖；
[0052]圖4是本發明整流等效后的副邊電路圖；
[0053]圖5是本發明原邊串聯-副邊串聯的感應電能傳輸系統直流等效電路拓撲；
[0054]圖6是本發明能量注入和自諧振相軌跡簇局部示意圖；
[0055] 圖7是本發明初始點為(so，0)相軌跡圖；
[0056] 圖8二階滑模的控制器的狀態機圖；
[0057]圖9是本發明控制方法的二階滑模趨近過程示意圖。
【具體實施方式】
[0058] 下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
[0059] 在本發明的描述中，需要理解的是，術語"縱向"、"橫向"、"上"、"下"、"前"、"后"、 "左"、"右"、"豎直"、"水平"、"頂"、"底" "內"、"外"等指示的方位或位置關系為基于附圖所 示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝 置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限 制。
[0060] 在本發明的描述中，除非另有規定和限定，需要說明的是，術語"安裝"、"相連"、 "連接"應做廣義理解，例如，可以是機械連接或電連接，也可以是兩個元件內部的連通，可 以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對于本領域的普通技術人員而言，可以根據 具體情況理解上述術語的具體含義。
[0061] 本發明針對感應電能傳輸系統提出了實現軟開關條件的二階滑模控制方法。通過 替換原邊為直流源和簡化副邊整流電路的方法，建立了針對原邊串聯-副邊串聯的感應電 能傳輸系統的二階直流等效模型。并設計了一個通過控制原邊開關來調節輸出端電壓的二 階滑模控制器，該控制器用數字狀態機實現的。控制器的參數是通過簡化后的直流模型推 導出來的。該控制器對負載干擾和參數不確定性具有快速的動態響應性能和魯棒性，同時 在控制器的設計中不需要電流的采樣值和積分項。系統的輸出電壓能夠在負載擾動和耦合 系數變化的情況下，用很少的開關動作達到穩態。其中圖1為原邊串聯-副邊串聯的感應電 能傳輸系統電路拓撲。注:v g-輸入電壓，Cp-原邊諧振電容，Lp-原邊諧振電感，Rp-原邊 諧振電感、電容等效電阻值，C s-副邊諧振電容，Ls-副邊諧振電感，匕一副邊諧振電感、電 容等效電阻值，Lcmt-濾波電感，Ccmt-濾波電容，Rf虛線內元件等效電阻，M為原邊電感與 副邊電感之間的互感。在M左側為諧振型感應電能傳輸系統的原邊，在M右側為諧振型感應 電能傳輸系統的副邊，
[0062] 其中諧振型感應電能傳輸系統包含相當數量的非線性開關，并且存在較多的儲能 元件，實際系統呈現出復雜高階開關非線性行為，所以滑模控制策略對該系統具有較強適 用性的控制方式。滑模控制相對于傳統的控制方案的主要優勢在于所具有的參變量的魯棒 性，而且它對無論是線性還是非線性系統參變量的擾動和負載的變化都具有不敏感性，具 有良好的動態和穩態響應。
[0063] 電路等效過程:將副邊電路等效到原邊，得到圖2所示電路拓撲，將副邊等效到原 邊后的電路。其中Re為等效電阻。
[0064] 通過該電路可以求解出原邊諧振電流的表達式： 能吊:注入階段
[0065] 能祜諧振階段
[0066] 注：ω〇 -電路的自然頻率，ω -諧振電路的工作頻率，τ-諧振電路的時間常數， Q-電路的品質因數
.Vp為原邊電壓，t為時間常數。
[0067] 由此，將副邊電路等效為如圖3所示，其中VcicU) =wMiP(t)為副邊的感應電動勢， 將感應電動勢等效為受原邊電流控制的電壓源。形成初步副邊等效電路圖。同時，經過傅里 葉變換可以將整流電路等效為一個匝數比為的變壓器。經過等效以后，可以得到如圖 π 4所示，為整流等效后的副邊電路。
[0068] ην。。等效感應電動勢，Wn等效副邊電流，（n)2Ls、Cs/(n)2等效后的電感電容，C ciut 濾波電容、Uut濾波電感、Riciad負載電阻。
[0069] 再進一步，我們得到電路的直流等效圖，如圖5所示，原邊串聯-副邊串聯的感應電 能傳輸系統直流等效拓撲圖。
[0070] 圖6是本發明能量注入和自諧振相軌跡簇局部示意圖；
[0073] 根據圖5得到等效電路的差分方程表達式
[0074]
[0075]
[0076] 基于差分方程表達式，定義S = Vc1-Vrrf，Vrrf為設置的參考電壓。S的一階二階求導 方程表示為
[0079]由上式可知，簡化后的電路滑動動態的相對階為2。
能量自諧振階段，
[0082] 分別為能量注入階段和能量自諧振階段的相軌跡圖的半徑，它們的值均由電 路的初始狀態決定。假定初始值為so,電路的模式的切換發生在βΝ^(βΝ為0到1之間的一個 常數，決定系統的趨近過程），即得到如圖7所示，Sm為能量注入階段的最小值。SM為能量注入 階段的最大值。初始點為(so,0)相軌跡圖。毛_為簡化方程式所做的替換。
[0083] 根據上述分析，基于二階滑模的控制器的狀態機圖如圖8所示，描述了控制器的工 作原理。
[0084] 由圖中可知，該控制器需確定參數βΝ和δ，δ可根據電路中的開關器件的極限工作 頻率確定。因此，需要得到β Ν的值。從圖7中看出，切換的最佳效果為在能量注入階段切換到 能量自諧振階段后，相軌跡沿自諧振軌跡正好到達原點。此時可求出
的趨近過程，S為遲滯常數，防止開關頻率過高。）
[0092] 控制算法的二階滑模趨近過程如圖9所示，βΝ可以決定輸出值到達參考值過程中， 能量切換和自諧振之間切換的次數。其中，Limit Trajectories為極限運行軌跡，Energy injection為能量注入過程，Free oscillation為自由諧振過程，Actual Trajectory為實 際運行軌跡。
[0093] 在本說明書的描述中，參考術語"一個實施例"、"一些實施例"、"示例"、"具體示 例"、或"一些示例"等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特 點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不 一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何 的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
[0094] 盡管已經示出和描述了本發明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解:在不 脫離本發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本 發明的范圍由權利要求及其等同物限定。
【主權項】
1. 一種基于ICPT系統實現軟開關條件的滑模控制方法，其特征在于，包括如下步驟： 51, 將諧振型感應電能傳輸系統的副邊電路等效到原邊電路，根據等效的原邊電路求 解原邊諧振電流； 52, 將副邊的感應電動勢等效為受原邊電流控制的電壓源，同時經過傅里葉變換將副 邊整流電路等效為一個應數比為的變壓器； 死. 53, 得到該諧振型感應電能傳輸系統的直流等效電路，根據該直流等效電路的差分方 程，設定參考電壓Vref,將輸出電壓V和參考電壓Vref的差值定義為滑模變量的誤差信號值S; 54, 設置動態參數值0，S的初始狀態為負時，狀態的切換條件為S S的初始狀態為 正時，狀態的切換條件為S《化M，控制器結構是由兩個能量注入狀態和兩個能量自諧振狀 態和一個初始狀態組成； 55, 檢測原邊諧振電流的過零點，保證電路工作在軟開關狀態； 56, 根據動態參數值的實時更新，相軌跡在能量注入階段的軌跡和能量自諧振階段的 軌跡相互切換，最終到達滑模面權=0, .^ =巧。2. 根據權利要求1所述的基于ICPT系統實現軟開關條件的滑模控制方法，其特征在于， 所述Sl包括：3. 其中，《0-電路的自然頻率，O-諧振電路的工作頻率，T-諧振電路的時間常數，Q- 電路的品質因數，Vp為原邊電壓，t為時間常數。3. 根據權利要求1所述的基于ICPT系統實現軟開關條件的滑模控制方法，其特征在于， 所述S3包括： 直流等效后的電路參數表達式為:直流電壓 直 流電谷：Cequ - 2C〇ut,直流電阻I 其牛得到等效電路的差分方程表達式4.根據權利要求3所述的基于ICPT系統實現軟開關條件的滑模控制方法，其特征在于， 所述S3還包括： 基于差分方程表達式，定義S = Ve-Vref，Vref為設置的參考電壓，S的一階二階求導方程表 示為由上式可知，簡化后的電路滑動動態的相對階為2 ; 考慮使用二階滑模控制器，因此，選取滑模面為!s=0，!^=〇|，將S的一階二階求導方程 化簡可得到下述表達式-為零； re 分別為能量注入階段和能量自諧振階段的相軌跡圖的半徑，它們的值均由電路的 初始狀態決定，假定初始值為S0,電路的模式的切換發生在齡Sm,為O到1之間的一個常數， 決定系統的趨近過程，Sm為能量注入階段的最小值，初始點為(S〇,0)相軌跡圖。5. 根據權利要求1所述的基于ICPT系統實現軟開關條件的滑模控制方法，其特征在于， 所述S4包括： 求出極限情況下的陸和扣，即經過一次切換，相軌跡達到滑模面=在實際電路C 同理，若初始 同樣，為防止輸出電壓超調。為能量注入階段的最小值，SM為能量注入階段的最大 值。6. 根據權利要求1所述的基于ICPT系統實現軟開關條件的滑模控制方法，其特征在于， 所述S5包括： 檢測原邊諧振電流的過零點，然后通過相位校正電路校正由于采樣電路帶來的相位誤 差，保證每次開關動作是在電流過零點時刻完成;在保證此條件下，再實現二階滑模控制算 法。
【文檔編號】H02M3/28GK105915057SQ201610353600
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月25日
【發明人】凌睿, 王理智, 唐丹, 胡青, 嚴小東, 黃雪莉, 余大俠, 劉輝, 楊常浩
【申請人】重慶大學