本發(fā)明涉及自動化控制領(lǐng)域，尤其涉及一種基于感應(yīng)耦合電能傳輸(icpt)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)條件的滑模控制方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有技術(shù)中，傳統(tǒng)的感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)控制算法沒有基于原邊的二階滑?？刂扑惴ǎ瑳]有建立針對原邊串聯(lián)-副邊并聯(lián)的感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的二階直流等效模型，對于控制副邊開關(guān)來調(diào)節(jié)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(fù)載干擾敏感，同時受電路參數(shù)影響較大，不能快速的動態(tài)響應(yīng)，而且現(xiàn)有技術(shù)的控制器設(shè)計(jì)中需要電流的采樣值和積分項(xiàng)。傳統(tǒng)控制器的感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的輸出電壓在負(fù)載擾動和耦合系數(shù)變化的情況下，需要相對較長的調(diào)節(jié)時間才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)。這就亟需本領(lǐng)域技術(shù)人員解決相應(yīng)的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，特別創(chuàng)新地提出了一種基于sp型icpt系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)條件的滑?？刂品椒?。

為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提供了一種基于icpt系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)條件的滑?？刂品椒?，包括如下步驟：

s1，將諧振型感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的副邊電路等效到原邊電路，根據(jù)等效的原邊電路求解原邊諧振電流；

s2，將副邊的感應(yīng)電動勢等效為受原邊電流控制的電壓源，同時經(jīng)過傅里葉變換將副邊整流電路等效為一個匝數(shù)比為的變壓器；

s3，得到該諧振型感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的直流等效電路，根據(jù)該直流等效電路的差分方程，設(shè)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；

s4，設(shè)置動態(tài)參數(shù)值β，s的初始狀態(tài)為負(fù)時，狀態(tài)的切換條件為s≥βsm；s的初始狀態(tài)為正時，狀態(tài)的切換條件為s≤βsm，控制器結(jié)構(gòu)是由兩個能量注入狀態(tài)和兩個能量自諧振狀態(tài)和一個初始狀態(tài)組成；

s5，檢測原邊諧振電流的過零點(diǎn)，保證電路工作在軟開關(guān)狀態(tài)；

s6，根據(jù)動態(tài)參數(shù)值的實(shí)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(dá)滑模面

所述的基于icpt系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)條件的滑?？刂品椒?，優(yōu)選的，所述s1包括：

其中，ω0-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(shù)，q-電路的品質(zhì)因數(shù)，vp為原邊電壓，t為時間常數(shù)。

所述的基于icpt系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)條件的滑?？刂品椒ǎ瑑?yōu)選的，所述s3包括：

直流等效后的電路參數(shù)表達(dá)式為：直流電壓為直流電感：lequ＝ls，直流電容：cequ＝cs，直流電阻：

其中

得到等效電路的差分方程表達(dá)式

所述的基于icpt系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)條件的滑?？刂品椒ǎ瑑?yōu)選的，所述s3還包括：

基于差分方程表達(dá)式，定義s＝vo-vref，vref為設(shè)置的參考電壓，s的一階二階求導(dǎo)方程表示為

由上式可知，簡化后的電路滑動動態(tài)的相對階為2；

考慮使用二階滑?？刂破?，因此，選取滑模面為將s的一階二階求導(dǎo)方程化簡可得到下述表達(dá)式

為簡便分析，將電路置于開路狀態(tài)，icpt系統(tǒng)處于無阻尼狀態(tài)，相當(dāng)于為零；

對方程左右兩邊乘以并積分

設(shè)置變量將替換，得到

能量注入階段，

能量自諧振階段，

re，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(tài)決定，假定初始值為s0，電路的模式的切換發(fā)生在βnsm，βn為0到1之間的一個常數(shù)，決定系統(tǒng)的趨近過程，sm為能量注入階段的最小值，初始點(diǎn)為(s0，0)相軌跡圖。

所述的基于icpt系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)條件的滑模控制方法，優(yōu)選的，所述s4包括：

求出極限情況下的βn和βp，即經(jīng)過一次切換，相軌跡達(dá)到滑模面

在實(shí)際電路中，為了防止輸出電壓的超調(diào)

同理，若初始點(diǎn)在右半平面，求出

同樣，為防止輸出電壓超調(diào)

所述的基于icpt系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)條件的滑?？刂品椒ǎ瑑?yōu)選的，所述s5包括：

檢測原邊諧振電流的過零點(diǎn)，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(guān)動作是在電流過零點(diǎn)時刻完成；在保證此條件下，再實(shí)現(xiàn)二階滑?？刂扑惴?。

綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：

該控制方案從原邊進(jìn)行控制，且該控制方法是在保證實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)基礎(chǔ)上而實(shí)現(xiàn)的控制方法，提升了電路工作的效率。

提出的二階滑?？刂扑惴ㄖ恍枰敵鲭妷旱牟蓸又岛椭C振電流的過零點(diǎn)，而不需要電流的具體值和任何積分項(xiàng)。

該控制算法對電路參數(shù)的不確定性，以及負(fù)載擾動具有較強(qiáng)的魯棒性。

本控制算法同樣適用于其他拓?fù)涞膇cpt(感應(yīng)耦合電能傳輸)電路。

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)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(fā)明的實(shí)踐了解到。

附圖說明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1是本發(fā)明原邊串聯(lián)-副邊并聯(lián)的感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)電路拓?fù)洌?/p>

圖2是本發(fā)明將副邊等效到原邊后的電路；

圖3是本發(fā)明將感應(yīng)電動勢等效為初步副邊等效電路圖；

圖4是本發(fā)明原邊串聯(lián)-副邊并聯(lián)的感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)直流等效電路拓?fù)洌?/p>

圖5是本發(fā)明能量注入和自諧振相軌跡簇局部示意圖；

圖6是本發(fā)明初始點(diǎn)為(s0，0)相軌跡圖；

圖7二階滑模的控制器的狀態(tài)機(jī)圖；

圖8是本發(fā)明控制方法的二階滑模趨近過程示意圖。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)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(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)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(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，除非另有規(guī)定和限定，需要說明的是，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是機(jī)械連接或電連接，也可以是兩個元件內(nèi)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(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語的具體含義。

本發(fā)明針對感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)提出了實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)條件的二階滑?？刂品椒?。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(lián)-副邊串聯(lián)的感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的二階直流等效模型。并設(shè)計(jì)了一個通過控制原邊開關(guān)來調(diào)節(jié)輸出端電壓的二階滑模控制器，該控制器用數(shù)字狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)的?？刂破鞯膮?shù)是通過簡化后的直流模型推導(dǎo)出來的。該控制器對負(fù)載干擾和參數(shù)不確定性具有快速的動態(tài)響應(yīng)性能和魯棒性，同時在控制器的設(shè)計(jì)中不需要電流的采樣值和積分項(xiàng)。系統(tǒng)的輸出電壓能夠在負(fù)載擾動和耦合系數(shù)變化的情況下，用很少的開關(guān)動作達(dá)到穩(wěn)態(tài)。其中圖1為原邊串聯(lián)-副邊并聯(lián)的感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)電路拓?fù)洹Ｗⅲ簐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，cs-副邊諧振電容，ls-副邊諧振電感，rs-副邊諧振電感、電容等效電阻值，lout-濾波電感，cout-濾波電容，re-虛線內(nèi)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(cè)為諧振型感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的原邊，在m右側(cè)為諧振型感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的副邊，

其中諧振型感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)包含相當(dāng)數(shù)量的非線性開關(guān)，并且存在較多的儲能元件，實(shí)際系統(tǒng)呈現(xiàn)出復(fù)雜高階開關(guān)非線性行為，所以滑?？刂撇呗詫υ撓到y(tǒng)具有較強(qiáng)適用性的控制方式?；？刂葡鄬τ趥鹘y(tǒng)的控制方案的主要優(yōu)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(tǒng)參變量的擾動和負(fù)載的變化都具有不敏感性，具有良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。

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?fù)洌瑢⒏边叺刃У皆吅蟮碾娐?。其中re為等效電阻。

通過該電路可以求解出原邊諧振電流的表達(dá)式：

注：ω0-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(shù)，q-電路的品質(zhì)因數(shù)。vp為原邊電壓，t為時間常數(shù)。

由此，將副邊電路等效為如圖3所示，其中voc(t)＝wmip(t)為副邊的感應(yīng)電動勢，將感應(yīng)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(jīng)過傅里葉變換可以將整流電路等效為一個匝數(shù)比為的變壓器。經(jīng)過等效以后，可以得到如圖4所示，為整流等效后的副邊電路。

nvoc等效感應(yīng)電動勢，is/n等效副邊電流，ls、cs等效后的電感電容，cout濾波電容、lout濾波電感、rload負(fù)載電阻。

再進(jìn)一步，我們得到電路的直流等效圖，如圖5所示，原邊串聯(lián)-副邊并聯(lián)的感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)直流等效拓?fù)鋱D。

圖6是本發(fā)明能量注入和自諧振相軌跡簇局部示意圖；

直流等效后的電路參數(shù)表達(dá)式為：直流電壓為直流電感：ls，直流電容：cs，直流電阻：

其中

根據(jù)圖5得到等效電路的差分方程表達(dá)式

基于差分方程表達(dá)式，定義s＝vo-vref，vref為設(shè)置的參考電壓。s的一階二階求導(dǎo)方程表示為

由上式可知，簡化后的電路滑動動態(tài)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

設(shè)置變量將替換，我們得到

能量注入階段，能量自諧振階段，

re，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(tài)決定。假定初始值為s0，電路的模式的切換發(fā)生在βnsm(βn為0到1之間的一個常數(shù)，決定系統(tǒng)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(diǎn)為(s0，0)相軌跡圖。為簡化方程式所做的替換。

根據(jù)上述分析，基于二階滑模的控制器的狀態(tài)機(jī)圖如圖8所示，描述了控制器的工作原理。

由圖中可知，該控制器需確定參數(shù)βn和δ，δ可根據(jù)電路中的開關(guān)器件的極限工作頻率確定。因此，需要得到βn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(dá)原點(diǎn)。此時可求出

在實(shí)際電路中，為了防止輸出電壓的超調(diào)

同理，若初始點(diǎn)在右半平面，可以求出

同樣，為防止輸出電壓超調(diào)

(βn、βp為0到1之間的一個常數(shù)，決定系統(tǒng)的趨近過程，δ為遲滯常數(shù)，防止開關(guān)頻率過高。)

控制算法的二階滑模趨近過程所示，βn可以決定輸出值到達(dá)參考值過程中，能量切換和自諧振之間切換的次數(shù)。其中，limittrajectories為極限運(yùn)行軌跡，energyinjection為能量注入過程，freeoscillation為自由諧振過程，actualtrajectory為實(shí)際運(yùn)行軌跡。

圖1是本發(fā)明原邊串聯(lián)-副邊并聯(lián)的感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)電路拓?fù)洌?/p>

圖2是本發(fā)明將副邊等效到原邊后的電路；

圖3是本發(fā)明將感應(yīng)電動勢等效為初步副邊等效電路圖；

圖4是本發(fā)明原邊串聯(lián)-副邊并聯(lián)的感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)直流等效電路拓?fù)洌?/p>

圖5是本發(fā)明能量注入和自諧振相軌跡簇局部示意圖；

圖6是本發(fā)明初始點(diǎn)為(s0，0)相軌跡圖；

圖7二階滑模的控制器的狀態(tài)機(jī)圖；

圖8是本發(fā)明控制方法的二階滑模趨近過程示意圖。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個實(shí)施例或示例中.在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個或多個實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。