基于定频扰动的ipt系统分岔频率输送控制系统及控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及感应电能传输（Inductive Power Transfer,简称IPT)的频率控制技 术领域，具体涉及一种基于定频扰动的IPT系统分岔频率输送控制系统及控制方法。
【背景技术】
[0002] 在IPT系统中，系统各主要参数的变化，例如互感、原副边谐振网络参数以及负载 阻抗发生变化时均可能导致系统产生多个自治振荡频率，即发生多吸引子分岔。由于系统 的高阶非线性特性导致各极限环吸引子的吸引域在高维空间的分布异常复杂，一个小的参 数扰动就可能导致系统相轨迹流在各稳定极限环吸引子间转移，体现在系统外特性上即是 工作频率跳变，从而使得系统工作频率具有一定的不确定性。因此让系统能稳定收敛到指 定的工作频率上，对IPT系统的控制具有十分重要的意义。
[0003] 为了实现对工作频率的控制，需要通过采用一定的控制措施，目前的方法主要是 在反馈回路上加延时干扰的方法，这种方法在反馈回路上加上延迟，系统依然工作在闭环 作用下，控制复杂；可靠性弱，容易出现失谐的情况。
【发明内容】
[0004] 本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种基于定 频扰动的IPT系统分岔频率输送控制系统及控制方法，解决IPT系统的分岔频率输送控制 问题。
[0005] 为实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种基于定 频扰动的IPT系统分岔频率输送控制系统，其包括电源模块、开关网络、原边谐振补偿电 路、发射线圈、接收线圈、副边谐振补偿电路以及负载，所述原边谐振补偿电路上连接有过 零检测电路，该过零检测电路的输出端连接有控制器，该控制器的输出端经过驱动电路与 所述开关网络相连。
[0006] 在所述控制器上还连接有扰动频率控制模块；在系统运行过程中，如果期望系统 工作在指定的稳定分岔频率点，则启动扰动频率控制模块，控制器将系统切换为定频运行 模式，输出指定的扰动控制频率，持续一定时间后结束扰动，控制器重新将系统切换回浮频 控制模式，系统运行频率将自动收敛到期望的频率点上。本发明的基于定频扰动的IPT系 统分岔频率输送控制系统通过频率扰动使系统收敛到指定的频率上，基于定频扰动的输送 控制策略是将系统切换为开环状态，在定频驱动下做强迫振荡运动；不同于延时扰动的输 送控制策略在反馈回路上加上延迟，但系统依然工作在闭环作用下。基于定频扰动相对于 基于延时扰动的控制策略，具有以下优势：1)相比于延迟要通过计数器实现，定频的控制 实现容易，结构简单；2)定频的控制可靠性强，稳定性好，不容易出现失谐的情况；3)基于 定频的扰动如果频率值选取接近系统软开关频率，切换过程快速，损耗小，延迟扰动很难做 到。
[0007] 为实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种利用本 发明的基于定频扰动的IPT系统分岔频率输送控制系统的控制方法，其包括如下步骤：
[0008] Sl，预先确定IPT系统的两个稳定分岔频率Π 和f3 ;
[0009] S2,分别确定收敛为两个稳定分岔频率的扰动频率上下界；
[0010] S3,确定两个分岔频率收敛域的分界线f2,结合扰动频率上下界得到两个稳定分 岔频率的控制域；
[0011] S4,在系统运行过程中，如果期望系统工作在指定的稳定分岔频率点，则从控制域 中选择合适的控制参数，即扰动频率，启动扰动频率控制模块，使得控制器将系统切换为定 频运行模式，输出指定的扰动控制频率，持续一定时间后结束扰动，控制器重新将系统切换 回浮频控制模式，系统运行频率将自动收敛到期望的频率点上。
[0012] 本发明的控制方法可靠性强，稳定性好，不容易出现失谐的情况；切换过程快速， 损耗小。
[0013] 在本发明的一种优选实施方式中，对于PS系统，步骤Sl中确定IPT系统的软开关 分岔频率的方法为：
[0014] 工频整流滤波后的直流电源为Edc，其串联直流电感Ld形成准电流源，分别取电 感L d电流i d、原副边的谐振电流ip、is及谐振电压u p、Us组成系统状态向量，即X = [i d Up ip is us]T，u = [EdJ 为输入变量；
[0015] 将系统工作周期分段线性化为两个工作模态并建立这两个工作模态的微分方程， 可表示为状态空间描述：
[0016]
[0017] 其中状态矩阵
[0018]
[0019]
[0020] ?
[0021]
[0022] 其中，，M为互感值，Rd是输入大电感的电阻值，Cp为原边补偿电容，Lp为副边谐 振电感的值，Ls为副边谐振电感的值，Rp为原边串联电阻值，Rs为副边串联电阻值，&为 负载阻值，Cs为副边电容值；
[0023] det = M2-LpXLs
[0024] 得出系统的周期不动点为：
[0025]
[0027] 取出不动点f中原边补偿电容电压分量，令电容电压状态投影矩阵Y = [0, 1，0, 0, 0]，得到用于分析软开关频率工作点的系统不动点函数：
[0028]
[0029] 令方程./.>〇=0的所有解为Ti (i = 1，2. . . η)，以这些非零解作为系统的开关周期
得出系统η个软开关工作点的Ti，这些点即为满足ZVS软开关条件的解，筛选掉其中多次过 零的解，只保留在单个周期内单次过零的解，则在IPT系统常见拓扑中通常会存在1或3个 软开关工作点；考虑IPT系统中存在3个软开关工作点时的情况，则可得系统软开关工作频 率：
[0030]
[0031] 这三个软开关频率中，Π 和f3具有自治振荡稳定性，称之为稳定分岔频率，f2不 具有自治振荡稳定性，称之为不稳定分岔频率。
[0032] 与传统方法相比，本发明的频闪映射具有运算量小，精度高，结果完备等优点。
[0033] 在本发明的一种优选实施方式中，步骤S2中确定收敛为两个稳定分岔频率的扰 动频率上下界的方法为：
[0034] 令系统在扰动频率控制下，其振荡电路的实际响应频率为fs，则收敛为低频稳定 分岔频率Π 的频率下界f_为使得实际响应频率fs小于f2的最小控制频率；
[0035] 收敛为高频稳定分岔频率f3的频率上界为使得实际响应频率fs大于f2的 最大控制频率，理论上接近无穷。
[0036] 在本发明另外的优选实施方式中，f_实际操作时取Π 的0. 75倍，实际操作 时取f3的1. 25倍。通过确定扰动频率的上下界，便于选取扰动频率。
[0037] 在本发明的优选实施方式中，步骤S3中确定收敛为两个稳定分岔频率的频率控 制域的方法为：
[0038] 两个分岔频率收敛域的分界线即为不具有自治振荡稳定性的软开关频率f2,结合 扰动频率上下界可确定对应低频稳定分岔频率Π 的控制域为fmin〈f〈f2,对应高频稳定分 岔频率f3的控制域为f2〈f〈fmax。实际扰动频率可以在期望分岔频率的控制域内任意选 取，选择接近期望频率值的频率可以获得较好的系统动态响应特性。
【附图说明】
[0039] 图1是本发明的基于定频扰动的IPT系统分岔频率输送控制系统的结构示意图；
[0040] 图2是本发明一种优选实施方式中IPT系统的结构示意图；
[0041] 图3是本发明一种优选实施方式的扰动结果示意图。
【具体实施方式】
[0042] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0043] 在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语"安装"、"相连"、 "连接"应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可 以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据 具体情况理解上述术语的具体含义。
[0044] 本发明提供了一种基于定频扰动的IPT系统分岔频率输送控制系统，如图1所示， 其包括电源模块、开关网络、原边谐振补偿电路、发射线圈、接收线圈、副边谐振补偿电路以 及负载。其中，原边谐振补偿电路上连接有过零检测电路，该过零检测电路的输出端连接有 控制器，该控制器的输出端经过驱动电路与开关网络相连，在控制器上还连接有扰动频率 控制模块。
[0045] 在系统运行过程中，如果期望系统工作在指定的稳定分岔频率点，则启动扰动频 率控制模块，控制器将系统切换为定频运行模式，输出指定的扰动控制频率，持续一定时间 后结束扰动，控制器重新将系统切换回浮频控制模式，系统运行频率将自动收敛到期望的 频率点上。在本实施方式中，定频运行模式和浮频控制模式是IPT系统领域中常用的控制 模式，本发明中的含义是指其在本领域中的通常的含义。
[0046] 本发明的基于定频扰动的IPT系统分岔频率输送控制系统通过频率扰动使系统 收敛到指定的频率上，基于定频扰动的输送控制策略是将系统切换为开环状态，在定频驱 动下做强迫振荡运动；不同于延时扰动的输送控制策略在反馈回路上加上延迟，但系统依 然工作在闭环作用下。基于定频扰动相对于基于延时扰动的控制策略，具有以下优势：1) 相比于延迟要通过计数器实现，定频的控制实现容易，结构简单；2)定频的控制可靠性强， 稳定性好，不容易出现失谐的情况；3)基于定频的扰动如果频率值选取接近系统软开关频 率，切换过程快速，损耗小，延迟扰动很难做到。
[0047] 如图2所示，本发明提供了一种基于定频扰动的IPT系统分岔频率输送控制系统 的控制方法，其包括如下步骤：
[0048] Sl，预先确定IPT系统的两个稳定分岔频率Π 和f3 ;
[0049] S2,分别确定收敛为两个稳定分岔频率的扰动频率上下界；
[0050] S3,确定两个分岔频率收敛域的分界线f2,结合扰动频率上下界得到两个稳定分 岔频率的控制域；
[0051] S4,在系统运行过程中，如果期望系统工作在指定的稳定分岔频率点，则从控制域 中选择合适的控制参数，即扰动频率，启动扰动频率控制模块，使得控制器将系统切换为定 频运行模式，输出指定的扰动控制频率，持续一定时间后结束扰动，控制器重新将系统切换 回浮频控制模式，系统运行频率将自动收敛到期望的频率点上。
[0052] 在本实施方式中，具体包括如下步骤：
[0053] 第一步：当副边谐振补偿电路为串联，原边谐振补偿电路为并联电路时（PS型）， 如图2所示的结构，工频整流滤波后的直流电源为Edc，其串联直流电感Ld形成准电流源， 开关S1-S4为