[发明专利]感应耦合式无线能量传输系统及其自抗扰控制方法

摘要

本发明公开一种感应耦合式无线能量传输装置及其自抗扰控制方法，装置包括整流单元、发射端逆变单元、发射端谐振单元、电流检测单元、自抗扰控制单元、接收端谐振单元，利用广义状态空间平均法，对感应耦合式无线能量传输装置建立小信号模型用以描述装置内部暂态变化过程，在小信号模型基础上，利用自抗扰控制理论设计应耦合式无线能量传输装置的自抗扰控制单元，实现自抗扰控制单元对因反射电压扰动引起的线圈电流变化的有效抑制，进而实现装置发射端电流高速稳定的控制，并有效弥补因装置参数变化而导致的性能差异，保证整个装置系统具有优良的动态过程和很强的鲁棒性，且不需要接收端与发射端之间的通信。

主权项

1.一种感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，包括整流单元(2)、发射端逆变单元(3)、发射端谐振单元(4)、电流检测单元(9)、自抗扰控制单元(11)、接收端谐振单元(15)；自抗扰控制单元(11)包括扩张状态观测器(12)、扰动补偿单元(13)、反馈控制单元(14)，装置发射端谐振电流itrack(8)经过电流检测单元(9)转化为相应检测电压信号Vtrack(10)输入给自抗扰控制单元(11)，自抗扰控制单元(11)采用自抗扰控制算法控制发射端逆变单元(3)；交流电源(1)与整流单元(2)相连接，整流单元(2)输出稳定直流电压并于发射端逆变单元(3)连接，发射端逆变单元(3)与发射端谐振单元(4)连接并提供能量输入，发射端谐振单元(4)通过发射线圈LT(5)与接收线圈Lr(16)的耦合谐振向接收端谐振单元(15)传输能量，接收端谐振单元(15)接收能量并向负载阻抗RL(18)供电；所述自抗扰控制的实现步骤如下：步骤A：电流检测单元(9)对发射端谐振单元(4)中的谐振电流itrack(8)进行检测，得到的相应检测电压信号Vtrack(10)输入给自抗扰控制单元(11)中的扩张状态观测器(12)；步骤B：将接收端谐振单元(15)接收端线圈L_r(16)在发射端线圈L_T(5)上形成的反射感应电压V₂(23)视为一个需要抑制的扰动进而简化装置模型，然后利用广义状态平均法对所述感应耦合式无线能量传输装置建立广义状态平均模型，得到的广义状态平均模型状态方程如公式(1)所示，对应谐振电流有效值的小信号表达式如公式(2)所示，其中，表示简化模型中高频逆变单元的交流输出电压源V₁，经过小信号分解即得到的交流输出电压的小信号分量，V_1,ss即为交流输出电压的稳态分量，和分别表示V_2re和V_2im同样经过小信号分解得到的小信号分量，而V_2re和V_2im为接收谐振单元在发射端产生感应电压矢量的实部和虚部，即θ为发射端交流输出电压与发射线圈上感应电压的相位差，L、C分别为发射线圈电感与其补偿电容，R为交流输出电压源与谐振网络中电阻成分的总和，ω为谐振频率，是广义状态平均模型中的广义状态变量，分别为发射线圈L上电流实部和虚部的小信号分量，分别为发射补偿电容C上电压实部和虚部的小信号分量，表示谐振电流有效值的小信号分量，x_1,ss、x_2,ss分别表示广义状态变量x₁＝i_L1re(t)、x₂＝i_L1im(t)经过小信号分解得到的稳态分量，即步骤C：扩张状态观测器(12)根据公式(2)表示的谐振电流有效值小信号模型，令并将公式(1)带入公式(2)，得到对谐振电流有效值控制方程如公式(3)所示：其中表示除与控制输入量V₁有关项以外的部分，扩张状态观测器(12)将其视为扰动，扩张状态观测器(12)再对谐振电流有效值控制参数即公式(3)建立二阶扩张状态观测器(12)，以便获得接收端负载变化量，如公式(4)所示：其中表示谐振电流有效值的小信号分量，z₁、z₂为自抗扰控制中对原装置的广义状态平均模型中的状态变量的扩张状态变量，β₁、β₂为可调参数，步骤D：本发明中的扰动补偿单元(13)利用公式(4)和拉普拉斯变换，得到公式(4)对应的传递函数形式如公式(5)所示：将扩张状态观测器(12)观测计算出接收端的扰动估计值z2(s)作为补偿量带入到本发明控制器的传递函数中如公式(6)所示：其中u(s)表示输入控制量即发射端逆变单元(3)交流输出电压V1(s)；步骤E：反馈控制单元(14)根据系统反馈值为z1(s)，采用比例调节K作为误差反馈控制，反馈控制单元(14)将控制信号输入给发射端逆变单元(3)，并控制其内部开关器件动作调节输出交流电压V1(19)，进而消除接收端谐振单元(15)扰动对谐振电流itrack(8)的影响，保持谐振电流itrack(8)的稳定。