[发明专利]一种非接触供电装置的直接谐振频率相位跟踪控制方法

权利要求书

1.一种非接触供电装置的直接谐振频率相位跟踪控制方法，所述的非接触供电装置包括直流电源(Udc)、逆变电路、初级发射线圈(Lp)、初级谐振补偿电容(Cp)、次级接收线圈(Ls)、次级谐振补偿电容(Cs)、次级整流电路、滤波电容(Cf)、负载(RL)，以及电流传感器(CT1)、过零比较电路(C2)和控制器；直流电源(Udc)连接到逆变电路的直流侧端口；初级谐振补偿电容(Cp)与初级发射线圈(Lp)串联或并联构成初级谐振回路；逆变电路的交流侧端口连接初级谐振回路；初级发射线圈(Lp)和次级接收线圈(Ls)之间有气隙，不接触；次级接收线圈(Ls)与次级谐振补偿电容(Cs)串联或并联后连接到次级整流电路的交流侧端口；次级整流电路的直流侧端口并联有滤波电容(Cf)和负载(RL)；逆变电路由全控功率开关器件和二极管构成，将直流电变换成幅值和频率可调的方波电压；控制器包括输入脉冲捕获模块、运算模块和驱动信号发送模块；脉冲捕获模块的输入端连接电流过零比较电路的输出端，脉冲捕获模块的输出端连接运算模块的输入端；运算模块的输入端连接脉冲捕获模块的输出端，运算模块的输出端连接驱动信号发送模块的输入端；驱动信号发送模块的输出端连接逆变电路的功率开关器件；输入脉冲捕获模块捕捉脉冲信号上升下降沿时刻，运算模块进行逻辑判断和数学运算，驱动信号发送模块用于产生驱动信号，并将驱动信号发送给逆变电路的功率开关器件，控制器接收过零比较电路的输出信号，经过处理后，输出驱动信号分别送至逆变电路的功率开关器件；次级接收线圈和次级谐振补偿电容构成次级谐振回路；次级整流电路由二极管构成，将接收到电能整流成直流电能，经滤波电容后供给负载；

所述的谐振频率相位跟踪控制方法具体步骤为：

步骤1，在第n个谐振周期，电流传感器(CT1)采集初级发射线圈的电流，然后将电流采样信号传输到过零比较电路C2，过零比较电路C2以脉冲的方式产生电流过零点信息，并输送到控制器的脉冲捕获模块；

步骤2，控制器脉冲捕获模块接收过零比较电路C2的过零检测信号，记录第n个谐振周期的初级发射线圈电流上升沿或下降沿时刻t_ir(n)；

步骤3，控制器计算电流第n个谐振周期的周期值，即第n个谐振周期电流过零上升沿或下降沿的时刻与第n-1个谐振周期电流过零上升沿或下降沿时刻的间隔：

Ti(n)＝t_ir(n)-t_ir(n-1)

式中，Ti(n)表示电流第n个谐振周期的周期值，t_ir(n)为第n个谐振周期的初级发射线圈电流过零上升沿或下降沿时刻，t_ir(n-1)为第n-1个谐振周期的初级发射线圈电流过零上升沿或下降沿时刻；

对第n个谐振周期电流过零上升沿或下降沿的时刻与第n-1个谐振周期电流过零上升沿或下降沿时刻的时间间隔进行限幅等处理；限幅上限和下限的数值由系统设计阶段的谐振频率叠加频率偏移范围得到；频率偏移范围通过理论计算或实测各器件最大参数变化范围下及初次级线圈相对位置最大变化范围下的谐振频率变化量，并乘以裕量系数得到；

步骤4，控制器计算第n个谐振周期的逆变器电压上升沿或下降沿驱动信号t_vr(n)与初级发射线圈电流过零上升沿或下降沿时刻t_ir(n)的相位差：

TΔ(n)＝t_ir(n)-t_vr(n)

式中，TΔ(n)为第n个谐振周期的电流滞后电压的相位差，t_ir(n)为第n个谐振周期的初级发射线圈电流过零上升沿或下降沿时刻，t_vr(n)为第n个谐振周期的逆变器电压上升沿或下降沿驱动信号发生时刻；

步骤5，控制器通过设置相关寄存器，设定第n+1个谐振周期的逆变电压上升沿或下降沿驱动信号时刻为：

t_vr(n+1)＝t_ir(n)+Ti(n)+TΔ(n)-Td

式中，t_vr(n+1)为第n+1个谐振周期的逆变器电压上升沿或下降沿驱动信号发生时刻，t_ir(n)为第n个谐振周期的初级发射线圈电流过零上升沿或下降沿时刻，Ti(n)表示电流第n个谐振周期的周期值，TΔ(n)为第n个谐振周期的电流滞后电压的相位差，n表示谐振周期，n≥2，Td为综合延时补偿量，其值取决于初级发射线圈电流采样延时、信号传输延时、控制器处理指令的时间及逆变器死区时间，通过测量等方法得到；

步骤6，控制器通过设置相关寄存器，设定第n+1个谐振周期的逆变器电压下降沿驱动信号为：

t_vf(n+1)＝t_vr(n+1)+0.5*Ti(n)

式中，t_vf(n+1)为第n+1个谐振周期的逆变器电压下降沿或上升沿驱动信号发生时刻，t_vr(n+1)为第n+1个谐振周期的逆变器电压上升沿或下降沿驱动信号发生时刻，Ti(n)表示电流第n个谐振周期的周期值；

通过上述方法调节逆变器输出电压的频率和相位，不断缩小逆变器输出电压与输出电流的相位差；当逆变器输出电压的相位与逆变器输出电流的相位一致时，认为逆变器的频率跟踪到了系统谐振频率，此时逆变器的功率开关器件在电流为零时关断，而在电压为零时开通，降低了功率开关器件的开关损耗。