感应耦合式无线能量传输系统及其自抗扰控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种感应耦合式无线能量传输装置及其自抗扰控制方法，属于无线电 能传输技术领域。
【背景技术】
[0002] 为了进行无功补偿和增强能量传输效率，感应耦合式无线能量传输系统中一般都 会利用由多个储能元件构成的谐振网络之间的耦合来进行能量传输，并且系统在不同的工 作状态下会表现出不同的动力学行为，因此感应耦合式无线能量传输系统不可避免的成为 一个典型的高阶非线性系统，其数学模型也只能通过一定程度的近似来得到。同时，感应耦 合式无线能量传输系统的传输特性与负载状况，谐振频率偏移程度等多种因素密切相关。 在感应耦合式无线能量传输系统的应用场景中，接收负载位置不一定是固定的，数量可以 是一个或多个，而且可以随时切入和切出系统，具有很强的不确定性。发射和接收谐振网络 也可能元器件的因为老化和坏损，导致其谐振频率偏移系统设定的工作频率，而系统的传 输性能又对频率偏移非常敏感。因此在大多数情况下，感应耦合式无线能量传输系统都需 要根据系统模型及负载特性设计快速有效的控制器，保证系统能够在稳态下工作并具有一 定的鲁棒性。
[0003] 专利1 :磁耦合谐振式无线电能传输系统及其双侧自调谐方法，申请号 201510777765.0,该发明提供一种磁耦合谐振式无线电能传输系统及其双侧自调谐方法， 该系统通过在发射回路中增加一个阻抗调节网络来实现发射回路自动调谐，而无需在接收 回路额外增加阻抗调节网络，仅通过调节发射端电源工作频率来间接实现接收回路自动 调谐。
[0004] 专利2 : -种磁谐振无线电能传输系统及其阻抗匹配方法，申请号 201510390662.9,该发明提供一种磁谐振无线电能传输系统及其阻抗匹配方法，利用自动 阻抗匹配模块及阻抗匹配算法，通过控制电机控制器调节匹配网络中的可变电抗元件实现 阻抗匹配，解决了磁谐振无线输电系统中随着接收端与发射端相对位置改变导致传输性能 急剧降低的问题。
[0005] 上述专利虽然利用不同的控制器或控制策略，实现系统的稳态运行，但都需要通 过调节发射端阻抗来满足发射端与接收端的谐振阻抗匹配，对于发射端的装置不仅成本提 高，体积也增大，并且专利1还需要从接收端反馈信息，增加了发射端和接收端通信的难度。 在一般的感应耦合式无线能量传输系统设计过程中，设计者都会忽略其动态特性而直接只 根据负载模型进行设计。虽然只考虑系统的稳态特性可以简化设计过程，但是已经不能完 全满足目前越来越广泛的应用场景。例如，在对高速行进中的车辆进行动态充电的系统中， 由于车辆行进速度很快，其运行在某个充电模块作用范围内的时间窗口极其短，这就需要 高速稳定的控制器使得充电模块可以在很短的时间内形成稳定的充电磁场。在植入式设备 的应用中，由于人的运动会导致发射与接收线圈之间的相对距离变化而引发负载突变，若 没有动态性能稳定的控制器对发射装置进行实时调节，由此导致的超调和振荡等问题可能 会使设备损坏，甚至发生危险。
【发明内容】
[0006] 本发明针对现有技术所存在的问题，提出了一种感应耦合式无线能量传输装置及 其自抗扰控制方法。主要目的是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并向自抗扰控制设计提供参考;在感 应耦合式无线能量传输装置的广义状态空间平均模型基础上，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装置发射端电流高 速稳定的控制，同时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，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，而且不需要接收端与发射端之间的通信。
[0007] 本发明的目的是这样实现的：
[0008] 本发明提出一种感应耦合式无线能量传输装置及其自抗扰控制方法，其特征在 于，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；
[0009] 自抗扰控制单元包括扩张状态观测器、扰动补偿单元、反馈控制单元组成，装置发 射端谐振电流itrd经过电流检测单元转化为相应检测电压信号V trac；k输入给自抗扰控制单 元，自抗扰控制单元采用自抗扰控制算法控制发射端逆变单元；
[0010] 交流电源与整流单元相连接，整流单元输出稳定直流电压并于发射端逆变单元连 接，发射端逆变单元与发射端谐振单元连接并提供能量输入，发射端谐振单元通过发射线 圈Lt与接收线圈Lr的耦合谐振向接收端谐振单元传输能量，接收端谐振单元接收能量并向 负载阻抗Rl供电。
[0011] 本发明提出一种感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，所述发射端谐振单 元为LC串联谐振网络，包括发射线圈Lt、发射补偿电容Ct、发射线圈电阻Rt。
[0012] 本发明提出一种感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，所述接收端谐振单 元包括接收线圈Lr、接收端补偿单元、负载阻抗Rl。
[0013] 本发明提出一种感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，感应耦合式无线能 量传输装置的自抗扰控制的实现步骤如下：
[0014]步骤A:电流检测单元对发射端谐振单元中的谐振电流进行检测，得到的相应信号 输入给自抗扰控制单元中的扩张状态观测器；
[0015]步骤B:将接收端谐振单元接收端线圈Lr在发射端线圈Lt上形成的反射感应电压V2 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：
[0017]其中，^表示简化模型中高频逆变单元的交流输出电压源Vi，经过小信号分解即 6 =气《 +巧得到的交流输出电压的小信号分量，v1>ss即为交流输出电压的稳态分量，和 @_分别表示WPV 2im同样经过小信号分解得到的小信号分量，而WPV2im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g=co?丨sin?)G = K2n/fF2mi，0 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，《为谐振频率， 又二^毛&文^^⑴^仏^^夂^⑴^是广义状态平均模型中的广义 状态变量，U4、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，
[0019] 其中|^^表不谐振电流有效值的小信号分量，xi,ss、X2,ss分另U表不广义状态变量xi =iLlre ( t)、X2 = iLlim( t)经过小信号分解得到的稳态分量，即A =气35}+為.，X2 =X2，SS +毛
[0020] 步骤C:扩张状态观测器根据公式(2)表示的谐振电流小信号模型，令3； = ]^1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：
[0022] 其中/匕，毛；，毛,F2rc,F2im, A ss，x2<ss)表示除与控制输入量关项以外的部 分，扩张状态观测器将其视为扰动，
[0023] 扩张状态观测器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，以便获得接收端负载变化量，如公式(4)所示：
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