一种基于模糊反馈的非接触电能传输稳压系统的制作方法
一种基于模糊反馈的非接触电能传输稳压系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于模糊反馈的非接触电能传输稳压系统，该系统包括依次连接的原边整流模块、高频逆变器模块、非接触电能耦合器模块、副边整流滤波模块和非接触模糊反馈及控制通道，原边整流模块的输入可以是直流或交流电；当该系统输入电压或负载变化导致输出电压变化时，通过在副边采样输出电压值，进行A/D转换，得到其与期望输出的偏差，将这一偏差值模糊化为7个状态，然后将这7个状态用3位二进制进行编码后，经过非接触数字耦合通道反馈至耦合器原边，最后通过原边模糊控制器的输出调整逆变器控制电路PWM的占空比，最终使副边输出电压始终保持稳定。本系统的运用使得系统减少一级DC-DC变换环节，效率得到提高，反馈的数据量大大减少，稳压的响应速度也得到提高。
【专利说明】
一种基于模糊反馈的非接触电能传输稳压系统
【技术领域】
[0001]本发明属于非接触电能传输领域，具体涉及一种基于模糊反馈的非接触电能传输稳压系统。
【背景技术】
[0002]非接触电能传输系统(ICPT)基于电磁感应原理,实现了电能从静止电源设备向移动负载设备的非接触传递。非接触电能传输技术可以为各类移动电气设备、工作于水下及易燃易爆等特殊环境下的电气设备提供可靠的电能供应，具有绿色环保、免维护或少维护等优点，已越来越受到人们的重视。
[0003]非接触感应电能传输系统用在石油钻井系统中，可以在旋转机械的旋转部分和固定部分之间传输电能，但是，当输入电压变化时会使输出电压会变化；或者当输出负载变化时，副边拾取端反射到原边的反射阻抗发生变化，导致拾取电感中的感应电动势发生变化，从而使输出电压发生变化，系统无法输出稳定的电压。
[0004]在这种情况下要保持输出电压恒定通常是在副边输出电压端再接入一级DC-DC变换器，这会增加电能损耗，降低系统的传输效率。本发明公开一种从副边引入反馈，通过非接触耦合，将信号反馈到原边的稳压方案。该方案可减少像前者一样的不必要的电能损耗。但这种反馈通常需要反馈12位甚至16位A/D输出的数字量，由于反馈的数字量位数较多，使稳压控制系统达不到快速的响应。为克服这一缺点，本发明进一步采用模糊反馈的方法，减少反馈的数字量位数至3位，以显著提高响应速度。
【发明内容】
[0005]所要解决的技术问题:
为了解决上述问题，本发明提出一种提高效率和响应速度的基于模糊反馈的非接触电能传输稳压系统，可大大提高系统的响应速度和电能传输效率。
[0006]技术方案:
为了实现以上功能，本发明提供了一种基于模糊反馈的非接触电能传输稳压系统，包括依次连接的原边整流模块、高频逆变器模块、非接触电能耦合器、副边整流滤波模块以及模糊非接触反馈及控制通道，所述原边整流模块连接交流电或直流电；其特征在于:所述模糊非接触反馈及控制通道包括从副边到原边依次连接的电压采样及A/D转换器、调制器、非接触数字耦合器、解调器、模糊控制器，采用模糊反馈控制方法，具体控制过程如下:第一步，在所述整流滤波模块的输出端连接电压采样及A/D转换器，采集电压值并数字化，与设定值比较后得到整流滤波模块的输出端电压实际值与设定值的偏差；
第二步，将整流滤波模块的输出端电压值的偏差通过模糊控制方法模糊化为7个状态，并对这7个状态用3位二进制编码表示；
第三步，将所述二进制编码调制后，经由非接触数字耦合器传输至非接触电能传输稳压系统的原边； 第四步，对第三步的信号进行解调，还原为3位二进制表示的模糊量；
第五步，在原边的模糊控制器根据反馈过来的模糊量，按照制定的模糊控制规则，得到调节高频逆变器的占空比数值，实时调节占空比，使整个基于模糊反馈的非接触电能传输稳压系统的输出电压保持稳定。
[0007]所述高频逆变器模块的拓扑结构为全桥逆变电路，开关器件为M0SFET，其门控端的信号为占空比可调的PWM信号。
[0008]步骤二中所述的将负载电压的偏差通过模糊控制方法模糊化为7个状态具体步骤为:设定负载电压偏差e的基本论域及其模糊量的模糊论域E，得到模糊量化因子为ke ；设定PWM占空比调节量u的基本论域及其模糊量的模糊论域U,得到量化比例因子ku ;E、U的模糊集取?个并表示为:NB负大，NM负中，NS负小，ZO零，PS正小，PM正中，PB正大。
[0009]所述非接触耦合器模块与控制电路非接触耦合器模块共用同一对线圈或者分别采用不同线圈。
[0010]步骤二中所述的编码方法为频移键控调制技术(FSK)。
[0011]有益效果:
当输入电压或负载电阻发生变化时，输出电压会发生变化，为了稳定输出电压，本发明引入模糊逻辑的概念，将副边输出电压测量并与给定值比较后，得到电压偏差，将电压偏差模糊化为7个状态，并表示为:NB即负大，匪即负中，NS即负小，ZO即零，PS即正小，PM即正中，PB即正大，此7个状态可用3位的二进制编码表示，将此编码信号通过调制解调及非接触数字耦合通道反馈回原边，原边根据反馈的这些模糊量，控制PWM的脉宽，实现副边输出电压的调节。这种方式，使得反馈的数据量大大减少。如原先12位A/D，需要反馈12位数字量，现在可以缩减到3位，大大提高了反馈的响应速度。同时，比额外增加一级DC-DC变换器的方法显著提高了电能传输效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明的系统结构框图；
图2为本发明的控制过程示意图。
【具体实施方式】
[0013]为表明本发明的效果，下面通过具体的实施例进一步说明本发明。但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细地解释本发明，而不应理解为用于限定本发明。
[0014]下面结合【专利附图】
【附图说明】本发明的电路结构及工作原理。
[0015]图1所示为系统框图，交流电(也可直流电)经原边整流滤波模块后，输出直流电作为高频逆变器模块的电源，高频逆变器模块在PWM控制信号的作用下，输出矩形波，经过非接触电能耦合器(包含谐振补偿电路)，通过电磁感应的方式将原边电能耦合到副边，副边经副边整流滤波模块变为直流后供给负载。当负载电阻波动或原边输入电压变化时，副边的输出直流电压将发生变化，采样副边的输出电压，将该电压与期望电压值比较后得到差值并模糊化，经3位二进制编码后并调制后，通过非接触数字耦合器反馈回原边，通过模糊控制器的输出调节逆变模块的控制信号的占空比来最终维持输出电压的稳定。
[0016]【具体实施方式】如图2所示，该图为所述的非接触电源耦合器和非接触数字耦合器共用一对耦合线圈的情况。将副边负载电压信号采集后，与给定值比较，得到电压偏差，将其模糊化为7个状态(NB，匪，NS，ZO，PS，PM，PB)里的一个，编码为3位二进制信号，分别为001,010,011,100，101，110，111。将此3位二进制信号通过频率调制技术(FSK)调制后传输的原边模糊控制器。
[0017]再根据实际操作经验，结合系统的动静态性能，事先设定好模糊控制规则。具体步骤为:设定电压偏差e的基本论域及其模糊量的模糊论域E，得到模糊量化因子为ke ;设定PWM占空比调节量u的基本论域及其模糊量的模糊论域U，得到量化比例因子ku。E、U的模糊集取7个并表示为:NB即负大，NM即负中，NS即负小，ZO即零，PS即正小，PM即正中，PB即正大，隶属度函数均取为三角形分布，量化值经模糊语言变量隶属度函数得到模糊量，根据系统的工作特点，建立相应的模糊控制规则，确定控制规则的原则是保证控制器的输出能够使系统输出响应的动静特性达到最佳。根据此时电压偏差输入所对应的输入模糊论中的相应元素，查模糊控制规则查询表求出模糊输出量，解模糊后再乘以输出量化比例因子即可得实际输出量，用来调节PWM的占空比参数，如改变SG3525芯片的振荡电阻和电容，从而让PWM的占空比发生变化，最终达到调节输出电压的目的。
[0018]本发明不局限于上述【具体实施方式】，本领域的一般技术人员根据本发明公开的内容，因此，凡是基于本发明的技术思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。
【权利要求】
1.一种基于模糊反馈的非接触电能传输稳压系统，包括依次连接的原边整流模块、高频逆变器模块、非接触电能耦合器、副边整流滤波模块以及模糊非接触反馈及控制通道，所述原边整流模块连接交流电或直流电；其特征在于:所述模糊非接触反馈及控制通道包括从副边到原边依次连接的电压采样及A/D转换器、调制器、非接触数字耦合器、解调器、模糊控制器，采用模糊反馈控制方法，具体控制过程如下: 第一步，在所述整流滤波模块的输出端连接电压采样及A/D转换器，得到数字化的实际输出电压值，与设定值比较后得到整流滤波模块的输出端电压实际值与设定值的偏差； 第二步，将整流滤波模块的输出端电压实际值与设定值的偏差通过模糊控制方法模糊化为7个状态，并对这7个状态用3位二进制编码表示； 第三步，将所述二进制编码调制后，经由非接触数字耦合器传输至非接触电能传输系统的原边； 第四步，对第三步的信号进行解调，还原为3位二进制表示的模糊量； 第五步，在原边的模糊控制器根据反馈过来的模糊量，按照制定的模糊控制规则，得到调节高频逆变器的占空比数值，实时调节占空比，使整个基于模糊反馈的非接触电能传输稳压系统的输出电压保持稳定。
2.根据权利要求1所述的基于模糊反馈的非接触电能传输稳压系统，其特征在于:所述高频逆变器模块的拓扑结构为全桥逆变电路，开关器件为MOSFET，其门控端的信号为占空比可调的HVM信号。
3.根据权利要求2所述的基于模糊反馈的非接触电能传输稳压系统，其特征在于:步骤二中所述的将整流滤波模块的输出端电压的偏差通过模糊控制方法模糊化为7个状态具体步骤为:设定负载电压偏差e的基本论域及其模糊量的模糊论域E，得到模糊量化因子为ke ;设定PWM占空比调节量u的基本论域及其模糊量的模糊论域U，得到量化比例因子ku ;E、U的模糊集取7个，并表示为:NB负大，NM负中，NS负小，Z0零，PS正小，PM正中，PB正大。
4.根据权利要求1所述的基于模糊反馈的非接触电能传输稳压系统，其特征在于:所述非接触电能耦合器模块与非接触数字耦合器模块可共用同一对耦合线圈或者分别采用不同的耦合线圈。
5.根据权利要求1所述的基于模糊反馈的非接触电能传输稳压系统，其特征在于:步骤二中所述的调制方法为频移键控调制(FSK)。
6.根据权利要求1所述的基于模糊反馈的非接触电能传输稳压系统，其特征在于:第五步中所述的模糊控制规则的制定方法为:首先原边的模糊控制器根据反馈过来的模糊量输入模糊论中的相应元素；其次根据模糊控制规则查询表求出模糊输出量，解模糊后再乘以输出量化比例因子，得到控制PWM占空比的参数。
7.根据权利要求1所述的基于模糊反馈的非接触电能传输稳压系统，其特征在于:所述调制解调器采用锁相环(PLL)和压控振荡器(VCO)。
【文档编号】G05F1/12GK104281183SQ201410420240
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年8月25日 优先权日:2014年8月25日
【发明者】陈仁文, 田莉, 夏桦康, 毛世杰, 潘超 申请人:南京航空航天大学
【专利摘要】本发明公开了一种基于模糊反馈的非接触电能传输稳压系统，该系统包括依次连接的原边整流模块、高频逆变器模块、非接触电能耦合器模块、副边整流滤波模块和非接触模糊反馈及控制通道，原边整流模块的输入可以是直流或交流电；当该系统输入电压或负载变化导致输出电压变化时，通过在副边采样输出电压值，进行A/D转换，得到其与期望输出的偏差，将这一偏差值模糊化为7个状态，然后将这7个状态用3位二进制进行编码后，经过非接触数字耦合通道反馈至耦合器原边，最后通过原边模糊控制器的输出调整逆变器控制电路PWM的占空比，最终使副边输出电压始终保持稳定。本系统的运用使得系统减少一级DC-DC变换环节，效率得到提高，反馈的数据量大大减少，稳压的响应速度也得到提高。
【专利说明】
一种基于模糊反馈的非接触电能传输稳压系统
【技术领域】
[0001]本发明属于非接触电能传输领域，具体涉及一种基于模糊反馈的非接触电能传输稳压系统。
【背景技术】
[0002]非接触电能传输系统(ICPT)基于电磁感应原理,实现了电能从静止电源设备向移动负载设备的非接触传递。非接触电能传输技术可以为各类移动电气设备、工作于水下及易燃易爆等特殊环境下的电气设备提供可靠的电能供应，具有绿色环保、免维护或少维护等优点，已越来越受到人们的重视。
[0003]非接触感应电能传输系统用在石油钻井系统中，可以在旋转机械的旋转部分和固定部分之间传输电能，但是，当输入电压变化时会使输出电压会变化；或者当输出负载变化时，副边拾取端反射到原边的反射阻抗发生变化，导致拾取电感中的感应电动势发生变化，从而使输出电压发生变化，系统无法输出稳定的电压。
[0004]在这种情况下要保持输出电压恒定通常是在副边输出电压端再接入一级DC-DC变换器，这会增加电能损耗，降低系统的传输效率。本发明公开一种从副边引入反馈，通过非接触耦合，将信号反馈到原边的稳压方案。该方案可减少像前者一样的不必要的电能损耗。但这种反馈通常需要反馈12位甚至16位A/D输出的数字量，由于反馈的数字量位数较多，使稳压控制系统达不到快速的响应。为克服这一缺点，本发明进一步采用模糊反馈的方法，减少反馈的数字量位数至3位，以显著提高响应速度。
【发明内容】
[0005]所要解决的技术问题:
为了解决上述问题，本发明提出一种提高效率和响应速度的基于模糊反馈的非接触电能传输稳压系统，可大大提高系统的响应速度和电能传输效率。
[0006]技术方案:
为了实现以上功能，本发明提供了一种基于模糊反馈的非接触电能传输稳压系统，包括依次连接的原边整流模块、高频逆变器模块、非接触电能耦合器、副边整流滤波模块以及模糊非接触反馈及控制通道，所述原边整流模块连接交流电或直流电；其特征在于:所述模糊非接触反馈及控制通道包括从副边到原边依次连接的电压采样及A/D转换器、调制器、非接触数字耦合器、解调器、模糊控制器，采用模糊反馈控制方法，具体控制过程如下:第一步，在所述整流滤波模块的输出端连接电压采样及A/D转换器，采集电压值并数字化，与设定值比较后得到整流滤波模块的输出端电压实际值与设定值的偏差；
第二步，将整流滤波模块的输出端电压值的偏差通过模糊控制方法模糊化为7个状态，并对这7个状态用3位二进制编码表示；
第三步，将所述二进制编码调制后，经由非接触数字耦合器传输至非接触电能传输稳压系统的原边； 第四步，对第三步的信号进行解调，还原为3位二进制表示的模糊量；
第五步，在原边的模糊控制器根据反馈过来的模糊量，按照制定的模糊控制规则，得到调节高频逆变器的占空比数值，实时调节占空比，使整个基于模糊反馈的非接触电能传输稳压系统的输出电压保持稳定。
[0007]所述高频逆变器模块的拓扑结构为全桥逆变电路，开关器件为M0SFET，其门控端的信号为占空比可调的PWM信号。
[0008]步骤二中所述的将负载电压的偏差通过模糊控制方法模糊化为7个状态具体步骤为:设定负载电压偏差e的基本论域及其模糊量的模糊论域E，得到模糊量化因子为ke ；设定PWM占空比调节量u的基本论域及其模糊量的模糊论域U,得到量化比例因子ku ;E、U的模糊集取?个并表示为:NB负大，NM负中，NS负小，ZO零，PS正小，PM正中，PB正大。
[0009]所述非接触耦合器模块与控制电路非接触耦合器模块共用同一对线圈或者分别采用不同线圈。
[0010]步骤二中所述的编码方法为频移键控调制技术(FSK)。
[0011]有益效果:
当输入电压或负载电阻发生变化时，输出电压会发生变化，为了稳定输出电压，本发明引入模糊逻辑的概念，将副边输出电压测量并与给定值比较后，得到电压偏差，将电压偏差模糊化为7个状态，并表示为:NB即负大，匪即负中，NS即负小，ZO即零，PS即正小，PM即正中，PB即正大，此7个状态可用3位的二进制编码表示，将此编码信号通过调制解调及非接触数字耦合通道反馈回原边，原边根据反馈的这些模糊量，控制PWM的脉宽，实现副边输出电压的调节。这种方式，使得反馈的数据量大大减少。如原先12位A/D，需要反馈12位数字量，现在可以缩减到3位，大大提高了反馈的响应速度。同时，比额外增加一级DC-DC变换器的方法显著提高了电能传输效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明的系统结构框图；
图2为本发明的控制过程示意图。
【具体实施方式】
[0013]为表明本发明的效果，下面通过具体的实施例进一步说明本发明。但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细地解释本发明，而不应理解为用于限定本发明。
[0014]下面结合【专利附图】
【附图说明】本发明的电路结构及工作原理。
[0015]图1所示为系统框图，交流电(也可直流电)经原边整流滤波模块后，输出直流电作为高频逆变器模块的电源，高频逆变器模块在PWM控制信号的作用下，输出矩形波，经过非接触电能耦合器(包含谐振补偿电路)，通过电磁感应的方式将原边电能耦合到副边，副边经副边整流滤波模块变为直流后供给负载。当负载电阻波动或原边输入电压变化时，副边的输出直流电压将发生变化，采样副边的输出电压，将该电压与期望电压值比较后得到差值并模糊化，经3位二进制编码后并调制后，通过非接触数字耦合器反馈回原边，通过模糊控制器的输出调节逆变模块的控制信号的占空比来最终维持输出电压的稳定。
[0016]【具体实施方式】如图2所示，该图为所述的非接触电源耦合器和非接触数字耦合器共用一对耦合线圈的情况。将副边负载电压信号采集后，与给定值比较，得到电压偏差，将其模糊化为7个状态(NB，匪，NS，ZO，PS，PM，PB)里的一个，编码为3位二进制信号，分别为001,010,011,100，101，110，111。将此3位二进制信号通过频率调制技术(FSK)调制后传输的原边模糊控制器。
[0017]再根据实际操作经验，结合系统的动静态性能，事先设定好模糊控制规则。具体步骤为:设定电压偏差e的基本论域及其模糊量的模糊论域E，得到模糊量化因子为ke ;设定PWM占空比调节量u的基本论域及其模糊量的模糊论域U，得到量化比例因子ku。E、U的模糊集取7个并表示为:NB即负大，NM即负中，NS即负小，ZO即零，PS即正小，PM即正中，PB即正大，隶属度函数均取为三角形分布，量化值经模糊语言变量隶属度函数得到模糊量，根据系统的工作特点，建立相应的模糊控制规则，确定控制规则的原则是保证控制器的输出能够使系统输出响应的动静特性达到最佳。根据此时电压偏差输入所对应的输入模糊论中的相应元素，查模糊控制规则查询表求出模糊输出量，解模糊后再乘以输出量化比例因子即可得实际输出量，用来调节PWM的占空比参数，如改变SG3525芯片的振荡电阻和电容，从而让PWM的占空比发生变化，最终达到调节输出电压的目的。
[0018]本发明不局限于上述【具体实施方式】，本领域的一般技术人员根据本发明公开的内容，因此，凡是基于本发明的技术思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。
【权利要求】
1.一种基于模糊反馈的非接触电能传输稳压系统，包括依次连接的原边整流模块、高频逆变器模块、非接触电能耦合器、副边整流滤波模块以及模糊非接触反馈及控制通道，所述原边整流模块连接交流电或直流电；其特征在于:所述模糊非接触反馈及控制通道包括从副边到原边依次连接的电压采样及A/D转换器、调制器、非接触数字耦合器、解调器、模糊控制器，采用模糊反馈控制方法，具体控制过程如下: 第一步，在所述整流滤波模块的输出端连接电压采样及A/D转换器，得到数字化的实际输出电压值，与设定值比较后得到整流滤波模块的输出端电压实际值与设定值的偏差； 第二步，将整流滤波模块的输出端电压实际值与设定值的偏差通过模糊控制方法模糊化为7个状态，并对这7个状态用3位二进制编码表示； 第三步，将所述二进制编码调制后，经由非接触数字耦合器传输至非接触电能传输系统的原边； 第四步，对第三步的信号进行解调，还原为3位二进制表示的模糊量； 第五步，在原边的模糊控制器根据反馈过来的模糊量，按照制定的模糊控制规则，得到调节高频逆变器的占空比数值，实时调节占空比，使整个基于模糊反馈的非接触电能传输稳压系统的输出电压保持稳定。
2.根据权利要求1所述的基于模糊反馈的非接触电能传输稳压系统，其特征在于:所述高频逆变器模块的拓扑结构为全桥逆变电路，开关器件为MOSFET，其门控端的信号为占空比可调的HVM信号。
3.根据权利要求2所述的基于模糊反馈的非接触电能传输稳压系统，其特征在于:步骤二中所述的将整流滤波模块的输出端电压的偏差通过模糊控制方法模糊化为7个状态具体步骤为:设定负载电压偏差e的基本论域及其模糊量的模糊论域E，得到模糊量化因子为ke ;设定PWM占空比调节量u的基本论域及其模糊量的模糊论域U，得到量化比例因子ku ;E、U的模糊集取7个，并表示为:NB负大，NM负中，NS负小，Z0零，PS正小，PM正中，PB正大。
4.根据权利要求1所述的基于模糊反馈的非接触电能传输稳压系统，其特征在于:所述非接触电能耦合器模块与非接触数字耦合器模块可共用同一对耦合线圈或者分别采用不同的耦合线圈。
5.根据权利要求1所述的基于模糊反馈的非接触电能传输稳压系统，其特征在于:步骤二中所述的调制方法为频移键控调制(FSK)。
6.根据权利要求1所述的基于模糊反馈的非接触电能传输稳压系统，其特征在于:第五步中所述的模糊控制规则的制定方法为:首先原边的模糊控制器根据反馈过来的模糊量输入模糊论中的相应元素；其次根据模糊控制规则查询表求出模糊输出量，解模糊后再乘以输出量化比例因子，得到控制PWM占空比的参数。
7.根据权利要求1所述的基于模糊反馈的非接触电能传输稳压系统，其特征在于:所述调制解调器采用锁相环(PLL)和压控振荡器(VCO)。
【文档编号】G05F1/12GK104281183SQ201410420240
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年8月25日 优先权日:2014年8月25日
【发明者】陈仁文, 田莉, 夏桦康, 毛世杰, 潘超 申请人:南京航空航天大学
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