双LCL型感应电能传输系统H_∞鲁棒控制

因负载变化、磁路机构的偏移以及元器件的老化等因素导致的双LCL型感应电能传输(inductively power transfer,IPT)系统出现输出电压变化及系统频率漂移等不确定性问题会加剧系统性能的恶化,为此,针对双LCL型IPT系统在负载摄动和干扰下的稳压输出,设计闭环系统的鲁棒控制器。首先采用广义状态空间平均法建立系统频域模型,将实际被控对象的模型转化为广义系统,借助上线性分式变换分离系统的标称部分和不确定部分,得到广义被控对象模型。然后,基于该模型设计H_∞鲁棒控制器,并利用结构奇异值的频率响应校验闭环系统的鲁棒稳定性及鲁棒性能。仿真和实验结果表明该控制器可以较好地保证双LCL型IPT系统的标称性能和鲁棒性能,验证了该模型和控制方法的有效性和可行性。     

CLC谐振型感应电能传输系统的H_∞控制

CLC谐振型感应电能传输系统较传统的LC谐振型系统具有更大的谐振容量和更小的频率漂移,但由于系统的高阶及多周期点特性,对CLC型系统的控制更为困难。为实现CLC谐振型系统的输出鲁棒控制,将系统状态变量及非线性开关函数进行频域线性化,通过平衡点变换,得到平衡点附近的广义状态空间平均(generalized state space averaging,GSSA)扰动模型。建立了系统的H∞控制系统结构,提出GSSA模型误差扰动有界定理并给出了证明。给出了相应的H∞扰动控制律,并通过仿真及实验结果验证了该模型及控制方法的有效性。     

感应电能传输系统分段供电的双自由度鲁棒控制

感应电能传输(IPT)系统在采用分段供电模式时,由于跨区段处励磁磁场强度分布不均,总会引起负载端拾取功率波动,影响系统稳定性及性能。针对IPT系统跨区段供电的输出稳定问题,以LCL谐振电路并联的IPT系统为研究对象,设计一种基于双自由度鲁棒控制的恒压输出策略。借助广义状态空间平均建模方法,结合跨区段处的互感扰动规律,建立参数不确定性模型;基于广义混合灵敏度指标,通过改变输出加权函数增益,得到快速抑制互感扰动影响的H∞鲁棒控制器;在此基础上,推导并设计出用于修正参考输入的前置滤波器;实验结果表明,双自由度鲁棒控制不仅对跨区段互感扰动影响具有较好抑制作用,且能明显改善对参考输入的跟踪响应性能。     

基于双拾取线圈的感应电能传输系统研究

传统的感应电能传输(inductive power transfer,IPT)系统利用单个拾取线圈实现能量传输,受副边半导体器件的容量限制,单个拾取线圈无法满足轨道机车等大功率移动负载(兆瓦级)需求。该文通过建立基于双拾取线圈的IPT系统以提高IPT系统的传输功率。论文利用电磁耦合理论分析双拾取线圈间的互感影响规律,并详细对比分析了考虑拾取线圈间互感前后IPT系统的工作指标。分析表明,考虑线圈间互感时的设计参数,能使IPT系统工作在谐振状态,且显著提高重载时IPT系统的输出功率和工作效率。通过建立双拾取机构IPT实验系统并保持原边恒流15 A,验证所提出方案的可靠性以及有效性。实验结果表明,相对于不计及互感影响方案而言,加入附加电容后,重载时(1.8Ω直流负载)IPT系统的输出功率和效率分别提高了82%和6%。     

感应耦合电能传输系统自持振荡控制

串并联补偿型感应耦合电能传输(inductively coupled power transfer,ICPT)系统在负载变轻时会发生频率分叉现象,传统变频控制的方法难以使系统稳定。针对这一问题,将自持振荡控制(self-sustain oscillation control,SSOC)理论应用到ICPT系统中。首先,分析变频控制下发生频率分叉时ICPT系统不稳定的原因。其次,用描述函数法建立ICPT系统的自持振荡控制系统,并通过Nyquist稳定性判据分析了系统的稳定性。最后,在实验样机上实现了ICPT系统的自持振荡控制。当负载变轻而发生频率分叉现象时,自持振荡器可以使系统自由振荡而趋于稳定,其动态性能良好,并且始终保持开关管的零电压开通(zero voltage switch,ZVS)状态。     

感应耦合电能传输系统动态解谐传输功率控制

提出一种感应耦合电能传输(ICPT)系统的动态解谐传输功率控制方法.对相控电抗器进行动态切换,通过改变其导通延迟角来改变导通电流大小,使得ICPT系统的电能拾取侧谐振或解谐,在负载端获得稳定的输出电压,同时实现对传输功率的控制.导出了动态切换的相控电抗器的等效电感,分析了等效电感对输出电压及传输功率的控制作用.根据负载稳定时输出电压与导通延迟角之间的变化曲线获得了保持输出电压恒定的控制方法.相控可变电抗器实现了软开关动态切换,有效地降低了系统的功率损耗.利用该动态谐振/解谐控制方法,系统的最大功率传输性能得到了保证.计算机仿真结果验证了该方法的优良传输功率控制性能.     

具有频率不确定性的π型谐振感应电能传输系统H∞控制方法

在π型谐振感应电能传输（inductive power transfer,IPT）系统中,由于负载及耦合参数变化,导致系统谐振频率产生随机漂移。针对频率不确定条件下的输出控制,利用广义状态空间平均（generalized state space averaging,GSSA）法对系统进行频域建模,将状态变量进行频域展开获得广义状态变量,从而获得线性状态空间模型。借助线性分式变换,将GSSA模型的确定部分与不确定部分分离,从而将系统的不确定模型转化为含摄动反馈的线性动力学系统。在此基础上提出一种基于GSSA模型的H∞控制方法,又基于频域设计出混合灵敏度H∞控制器,实现了多变量无静差跟踪鲁棒控制,并利用结构奇异值分析方法校验了鲁棒控制器的稳定性及性能。仿真及实验结果验证了其可行性。     

基于滑模控制的感应耦合电能传输系统输出电压控制研究

感应耦合电能传输系统通过非接触的方式将系统能量从电源侧传递至负载侧。由于该系统具有负载参数变化、系统结构复杂、工作频率高等特点,系统控制器面临着设计难的问题。提出了一种基于滑模控制理论的输出电压控制器,采用移相控制方法实现了对输出电压的控制。该控制方法有效降低了系统建模难度,同时提高了系统输出电压响应特性。通过简化系统结构,推导出滑模控制器的具体表达式,并给出了滑模控制系数的选取方法。通过建立IPT实验系统,在不同负载工作工况条件下进行实验验证。对比传统PI控制方法和所提出的滑模控制方法,实验结果表明滑模控制方法响应更快、对系统负载参数变化不敏感、鲁棒性及动态性能更好,能够较好控制IPT系统的输出电压。     

双发射线圈感应电能传输系统的小信号建模及控制研究

双发射线圈的感应电能传输(inductive power transfer,IPT)系统能够实现有效分配两逆变器的输出功率,是提高电源侧输出容量的有效手段。该文分析了功率输出1:1工况下的双发射线圈的IPT系统的动态特性,旨在通过IPT系统的小信号模型求解合适的数字PI控制器,提高负载电压动态响应特性,同时保证闭环系统具有充足的稳定裕度。首先,利用广义状态空间平均建模方法对IPT系统进行大信号模型及稳态工作点的分析。在此基础上,建立描述在IPT系统的输入受到扰动状态下的小信号模型。然后,借助Matlab中PIDtool工具箱设计合适的PI控制器参数,提高IPT系统负载电压响应性能,同时验证了闭环小信号模型具有充足的相角稳定裕度。最后,将闭环小信号模型分别与Simulink仿真模型、实验系统进行变电压动态响应对比,IPT系统的负载电压响应时间在13ms左右,与理论设计值相符,证明闭环小信号模型能准确描述系统动态响应。     

感应耦合电能传输系统的控制策略

介绍了感应耦合电能传输技术的原理,给出了基于全桥PWM移相控制的电路拓扑结构,对其控制策略和工作模式进行了系统的分析。     

基于LCL-S拓扑的感应电能传输系统的建模与控制方法

分析了基于LCL-S拓扑的感应电能传输(IPT)系统的动态特性,旨在利用数字PI控制器提高负载电压动态响应。首先,利用广义状态空间平均建模方法得到IPT系统的大信号模型及稳态工作点。在此基础上,建立描述在IPT系统的输入受到扰动状态下的小信号模型。经实验样机与小信号模型阶跃响应对比证明,小信号模型能够较准确地描述IPT系统动态响应。然后,根据小信号模型,借助Matlab中PIDtool工具箱设计合适的PI控制器参数,提高IPT系统的负载电压响应特性。最后,通过实验证明设计的闭环数字PI控制器使IPT系统负载电压响应时间在12 ms左右。     

基波-谐波双通路并行感应耦合电能传输系统

为解决现有感应耦合电能传输(ICPT)系统主要利用逆变器输出方波中的基波分量进行电能传输所带来的输出调压范围不够宽、调压精度及系统效率不够高等问题,基于谐波的高频特性与能量特性,提出一种基波—谐波双通路并行ICPT系统,通过在逆变器输出之后建立基波能量通路与谐波能量通路,对逆变方波中的基波及谐波分量进行提取、利用,以拓宽系统的调压范围,同时提高了系统效率。首先,阐述了基波—谐波双通路并行ICPT系统的工作机理;接着,分析了系统关键参数对系统效率与选频特性的影响;然后,结合该系统基本思想,提出一种宽范围调压方法;最后,通过实验验证了基波—谐波双通路并行ICPT系统原理的正确性与调压方法的可行性。     

基于E类放大器的感应电能传输系统研究

主要研究了一种基于E类功率放大器的非接触感应电能传输拓扑,分析了其运行的基本原理,并主要在感应充电等实际应用场合中充电负载会出现大范围变动的情况,从负载的角度出发,对原、副边补偿阻抗网络的选择和系统各参数的设计,给出了基于最优负载下的具体设计方法.理论和实验结果表明,在负载大范围变动时,无须外加复杂的控制电路,依靠系统...     

基于可控电感的感应电能传输系统效率优化

针对ICPT通用供电平台不同功率等级负载变化时系统效率降低的问题,设计一种改进型可控电感,使得不同功率等级的负载均达到效率最优。基于交流阻抗分析法建立电压型ICPT系统的效率模型,得出不同负载条件下,效率达到最优的最优电感值,并由此得出效率最优时原边发射线圈的最优匝数。通过控制所设计的原边可控电感,调节不同功率下的最优线圈匝数,以保证不同功率等级系统的工作效率均满足要求或达到最优。仿真结果验证了理论分析的正确性和该效率优化策略的有效性。     

感应电能传输系统耦合机构输出功率的分析和控制

由于制造工艺等原因,感应电能传输系统(IPT)耦合机构的原边和副边线圈的自谐振频率可能不同,通常在耦合机构的副边采用可控整流器通过实施阻抗变换使耦合机构工作于高效率状态。但是当耦合机构工作于原边或副边线圈自谐振频率时,耦合机构保持高效率运行时的最大输出功率将受到严重制约。本文提出将耦合机构工作频率设置在原边线圈和副边线圈自谐振频率之间的一个最佳频率点,可有效提高耦合机构保持高效率运行时的最大输出功率。首先推导了耦合机构原、副边线圈自谐振频率相同和不同时耦合机构高效率运行时的最大输出功率表达式,分析了耦合机构输出功率较低的原因。然后,分析了提高耦合机构输出功率的方法,推导出了耦合机构高效率运行时获得最大输出功率的工作频率点。结果表明,与原边谐振相比,采用本文所提出的开关频率计算方法,耦合机构的最大输出功率提升了92. 5%。     

基于H_∞控制的多变量系统仿真

研究了基于环路成形H∞控制的多变量系统控制器设计。为了能方便地在实际工程中实现复杂的控制,提出了采用多变量PID控制器逼近所得高阶控制器的方法,并给出了如何选择影响闭环系统性能的预补偿器方法。仿真结果表明,文中所得的多变量PID控制器具有较好的鲁棒稳定性和鲁棒性能。最后针对该设计方法,以Matlab6.2为平台开发了一套交互式的多变量系统控制器设计软件MCSLab。     

基于最优等效负载控制的感应电能传输系统效率优化方法研究

基于二极管整流的感应电能传输(inductive power transfer,IPT)系统,其系统效率会受到负载变化的影响。为了提高在不同负载情况下IPT系统的效率,提出了一种基于半控整流桥的控制方法。详细分析了串–串补偿型IPT系统负载与效率的关系,得到了最大系统效率所对应的最优交流负载电阻;采用半控整流桥控制整流桥交流等效电阻恒为最优交流负载电阻。同时,逆变桥通过原副边之间的通信对系统输出进行恒压控制。最后搭建了实验平台,并在不同负载情况下验证了该控制方法的有效性。在1k W额定输出功率下,系统直流到直流的总效率为89.8%。所提出的优化方法相对于二极管整流方式提高了系统效率,特别是在系统轻载情况下。当输出功率为300W时,传统整流效率只有64%,而所提出算法为78.5%,系统效率提高了22%。     

基于LC网络的感应电能传输系统动态供电方法

在感应电能传输(inductive power transfer,IPT)系统中,采用单逆变器供电、多初级LCL线圈并联的分段导轨动态供电方法。但该方法存在以下问题,当电动汽车还在与第一个LCL初级线圈进行耦合时,其余所有并联LCL初级线圈都处于通电状态,且存在较大的初级线圈电流,会带来IPT系统功率损耗以及较大的电磁辐射。针对该问题,本文提出一种含有交流开关的LC网络,通过调节交流开关的通断,进而降低初级线圈电流大小,实现降低系统功率损耗、减少电磁辐射的目的。最后,通过搭建LCL-S的IPT实验系统,模拟电动汽车充电过程,实验结果表明所提方法切实有效地降低了初级线圈电流大小。     

基于移相功率流控制的感应电能传输系统研究

为了更好地对感应电能传输系统进行传输功率控制,提升该系统的实用性,本文基于电压型H桥谐振功率主回路的特性,从理论上详细分析了移相功率流控制在感应电能传输系统中作用,并给出了系统输出功率关于移相控制角的函数关系式.在此基础上,通过对基于TIF2810 DSP控制的试验平台进行实物验证试验,给出了相关的实验波形,并将最终的...