开关网络，Cp为原边补偿电容，Lp、Rp、Ls、Cs、Rs、Rl分别原边谐振电感、原 边电阻，副边谐振电感、副边电容，副边串联电阻和负载，在本实施方式中，确定IPT系统的 稳定分岔频率的方法为：
[0054] 工频整流滤波后的直流电源为Edc，其串联直流电感Ld形成准电流源，分别取电 感L d电流i d、原副边的谐振电流ip、is及谐振电压u p、Us组成系统状态向量，即X = [i d Up ip is us]T，u = [EdJ 为输入变量。
[0055] 将系统工作周期分段线性化为两个工作模态并建立这两个工作模态的微分方程， 可表示为状态空间描述：
[0056]
[0057] 其中状态矩阵
[0058] LlN 丄UtaiytlLHJ Λ Ij 0/0
[0059]
[0060]
[0061]
[0062] 其中，M为互感值，Rd是输入大电感的电阻值，Cp为原边补偿电容，Lp为副边谐振 电感的值，Ls为副边谐振电感的值，Rp为原边串联电阻值，Rs为副边串联电阻值，&为负 载阻值，Cs为副边电容值；
[0063] det = M2-LpXLs
[0064] 得出系统的周期不动点为：
[0067] 取出不动点f中原边补偿电容电压分量，令电容电压状态投影矩阵Y = [0, 1，0, 0, 0]，得到用于分析软开关频率工作点的系统不动点函数：
[0065]
[0066]
[0068]
[0069] 令方程（⑴=〇的所有解为Ti (i = 1，2. .. η)，以这些非零解作为系统的开关周期 得出系统η个软开关工作点的Ti，这些点即为满足ZVS软开关条件的解，筛选掉其中多次过 零的解，只保留在单个周期内单次过零的解，则在IPT系统常见拓扑中通常会存在1或3个 软开关工作点，本发明只考虑有3个软开关工作点的情况：
[0070]
[0071] 这三个软开关频率中，Π 和f3具有自治振荡稳定性，称之为稳定分岔频率，f2不 具有自治振荡稳定性，称之为不稳定分岔频率。
[0072] 第二步：确定收敛为两个扰动频率的频率上下界，具体方法为：
[0073] 令系统在扰动频率控制下，其振荡电路的实际响应频率为fs，则收敛为低频稳定 分岔频率Π 的频率下界f_为使得实际响应频率fs小于f2的最小控制频率；收敛为高频 稳定分岔频率f3的频率上界为使得实际响应频率fs大于f2的最大控制频率，理论上 接近无穷。
[0074] 在本发明的一个更加优选的实施方式中，f_实际操作时取Π 的0. 75倍，f_实 际操作时取f3的1. 25倍。
[0075] 第三步：确定两个分岔频率收敛域的分界线f2,结合扰动频率上下界得到两个稳 定分岔频率的控制域。在本实施方式中，确定收敛为两个稳定分岔频率的频率控制域的方 法为：
[0076] 两个分岔频率收敛域的分界线即为不具有自治振荡稳定性的软开关频率f2,结合 扰动频率上下界可确定对应低频稳定分岔频率Π 的控制域为fmin〈f〈f2,对应高频稳定分 岔频率f3的控制域为f2〈f〈fmax。
[0077] 第四步：在系统运行过程中，如果期望系统工作在指定的稳定分岔频率点，则从控 制域中选择合适的控制参数，即扰动频率，启动扰动频率控制模块，使得控制器将系统切换 为定频运行模式，输出指定的扰动控制频率，持续一定时间后结束扰动，控制器重新将系统 切换回浮频控制模式，系统运行频率将自动收敛到期望的频率点上。
[0078] 在本实施方式中，从控制域中选择的控制参数可以是期望的指定稳定分岔频率对 应的控制域中的任意频率值，在本发明的更加优选的实施方式中，为适应较宽负载范围内 的分岔频率输送控制需求，扰动频率输出模块输出的扰动频率的取值应为期望频率分支对 应的控制域内的扰动频率最优值，扰动频率最优值的确定方法为：
[0079] 首先，逐渐递增负载值或者递减负载值，确定不同负载时两个稳定分岔频率的值， 形成稳定分岔频率上分支和稳定分岔频率下分支；
[0080] 然后，确定两个稳定分岔频率分支各自的最大值和最小值；
[0081] 最后，取两个稳定分岔频率分支的各自中间值，并将中间值作为各自扰动频率收 敛域的扰动频率最优值。
[0082] 本发明利用扰动频率最优值进行扰动，过程快速，损耗小。
[0083] 在本实施方式中，在Simulink中进行仿真实验来论证方案的可行性，参数见表1 :
[0084] 表1系统主要参数表
[0085]
[0086] 在0. 01秒的时候模拟外界干扰造成的频率突变，观察软开关频率点的控制效果。
[0087] 由图3可见系统初始工作在频率为62. 06kHz的高频软开关工作点，在0. 01秒的 时刻，系统由于外界扰动，工作频率发生了跃变，工作在频率为48. 2kHz的低频软开关工作 点。控制器将工作模式切换为定频扰动模式，系统激励的频率为60kHz，在20ms后，控制器 将系统重启切换回浮频控制模式，这时候系统重新回到频率为62. 06kHz的高频软开关工 作点，从而验证了控制方法和策略的有效性。
[0088] 在本说明书的描述中，参考术语"一个实施例"、"一些实施例"、"示例"、"具体示 例"、或"一些示例"等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特 点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不 一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何 的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0089] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不 脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本 发明的范围由权利要求及其等同物限定。
【主权项】
1. 一种基于定频扰动的IPT系统分岔频率输送控制系统，包括电源模块、开关网络、原 边谐振补偿电路、发射线圈、接收线圈、副边谐振补偿电路以及负载，所述原边谐振补偿电 路上连接有过零检测电路，该过零检测电路的输出端连接有控制器，该控制器的输出端经 过驱动电路与所述开关网络相连，其特征在于， 在所述控制器上还连接有扰动频率控制模块； 在系统运行过程中，如果期望系统工作在指定的稳定分岔频率点，则启动扰动频率控 制模块，控制器将系统切换为定频运行模式，输出指定的扰动控制频率，持续一定时间后结 束扰动，控制器重新将系统切换回浮频控制模式，系统运行频率将自动收敛到期望的频率 点上。2. -种利用权利要求1所述基于定频扰动的IPT系统分岔频率输送控制系统的控制方 法，其特征在于，包括如下步骤： S1，预先确定IPT系统的两个稳定分岔频率H和f3 ; 52, 分别确定收敛为两个稳定分岔频率的扰动频率上下界； 53, 确定两个分岔频率收敛域的分界线f2,结合扰动频率上下界得到两个稳定分岔频 率的控制域； 54, 在系统运行过程中，如果期望系统工作在指定的稳定分岔频率点，则从控制域中选 择合适的控制参数，即扰动频率，启动扰动频率控制模块，使得控制器将系统切换为定频运 行模式，输出指定的扰动控制频率，持续一定时间后结束扰动，控制器重新将系统切换回浮 频控制模式，系统运行频率将自动收敛到期望的频率点上。3. 根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，对于PS系统，步骤S1中确定IPT系 统的软开关分岔频率的方法为： 工频整流滤波后的直流电源为Ed。，其串联直流电感Ld形成准电流源，分别取电感L,的 电流id、原副边的谐振电流ip、is及谐振电压up、us组成系统状态向量，即x=[idupipis us]T，u= [Edc]为输入变量； 将系统工作周期分段线性化为两个工作模态并建立这两个工作模态的微分方程，可表 示为状态空间描述： 其中状态祀阵其中，M为互感值，Rd是输入大电感的电阻值，Cp为原边补偿电容，Lp为副边谐振电感 的值，Ls为副边谐振电感的值，Rp为原边串联电阻值，Rs为副边串联电阻值，&为负载阻 值，Cs为副边电容值； det=M2-LpXLs, 得出系统的周期不动点为：其中，T为开关S1至开关S4运行1遍的时间， 取出不动点x#中原边补偿电容电压分量，令电容电压状态投影矩阵Y= [0, 1，0, 0, 0]， 得到用于分析软开关频率工作点的系统不动点函数：令方程的所有解为Tji= 1，2. ..n)，以这些非零解作为系统的开关周期得出 系统n个软开关工作点的Ti，筛选掉其中多次过零的解，只保留在单个周期内单次过零的 解，考虑IPT系统中存在3个软开关工作点时的情况； 得到系统软开关工作频率：这三个软开关频率中，fl和f3具有自治振荡稳定性，称之为稳定分岔频率，f2不具有 自治振荡稳定性，称之为不稳定分岔频率。4. 根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，步骤S2中确定收敛为两个稳定分岔 频率的扰动频率上下界的方法为： 令系统在扰动频率控制下，其振荡电路的实际响应频率为fs，则收敛为低频稳定分岔 频率fl的频率下界f_为使得实际响应频率fs小于f2的最小控制频率； 收敛为高频稳定分岔频率f3的频率上界为使得实际响应频率fs大于f2的最大 控制频率，理论上接近无穷。5. 根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，f_实际操作时取H的0. 75倍，f_ 实际操作时取f3的1.25倍。6. 根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，步骤S3中确定收敛为两个稳定分岔 频率的频率控制域的方法为： 两个分岔频率收敛域的分界线即为不具有自治振荡稳定性的软开关频率f2,结合扰动 频率上下界可确定对应低频稳定分岔频率fl的控制域为fmin〈f〈f2,对应高频稳定分岔频 率f3的控制域为f2〈f〈fmax。
【专利摘要】本发明公开了一种基于定频扰动的IPT系统分岔频率输送控制系统及控制方法，该控制系统包括控制器和扰动频率控制模块，在系统运行过程中，如果期望系统工作在指定的稳定分岔频率点，则启动扰动频率控制模块，输出指定的扰动控制频率，持续一定时间后结束扰动，系统运行频率自动收敛到期望的频率点上。本发明的控制过程将系统切换为开环状态，在定频驱动下做强迫振荡运动，扰动控制结束后，将系统切换回闭环浮频控制状态，系统自治振荡，并收敛到指定软开关频率点上。这种定频的控制实现容易，结构简单；可靠性强，稳定性好，不容易出现失谐的情况；切换过程快速，损耗小。
【IPC分类】H02M5/297
【公开号】CN105119500
【申请号】CN201510460489
【发明人】唐春森, 王智慧, 苏玉刚, 叶兆虹, 戴欣, 孙跃, 柳林
【申请人】重庆大学
【公开日】2015年12月2日
【申请日】2015年7月30日