基于反馈线性化的激光器电流控制方法、设备、存储介质

本发明涉及激光控制，尤其是涉及一种基于反馈线性化的激光器电流控制方法、设备、存储介质。

背景技术：

1、激光无线能量传输技术是一种颇具潜力的远程无线能量传输方式，利用激光器将电能转换为激光形式，经由能量传输介质在自由空间中传输到目标设备，利用光伏阵列将激光重新转换为电能，能够实现能量从源端到目标设备的远程、无线传输，具有传输功率大、传输距离远、无电磁干扰问题、收/发端设备小、功率密度比高等优势。尽管在大功率、高效率、远距离传输方面仍在不断研究和改进中，但这一技术有望在未来改善能源传输的效率和可靠性，为各种领域带来更多的便利和创新。

2、半导体激光器(激光二极管)因高效率、紧凑结构、灵活控制、低成本等诸多优势，被认为是激光无线能量传输系统中激光器环节的卓越选择之一。半导体激光器通过注入电流来激发半导体材料，达成粒子数反转，通过设计光学谐振腔，使其能够最终发射激光，作为一种电流注入型器件，其对输入电流的质量具有较高的要求，不合适的电流会导致器件的性能下降甚至损坏。

3、考虑激光无线能量传输系统的功率控制需求，需要半导体激光器能够根据目标设备的需求功率来调整输出激光功率，即半导体激光器驱动电源能够有效控制激光器注入电流。激光器电流的动态跟随、稳态误差性能直接对应激光无线能量传输系统传输功率的动态跟随、稳态误差性能。因此，为了确保半导体激光器的高效、安全可靠运行，需要针对半导体激光器驱动电源的高性能电流控制方法开展研究，需要设计合适的半导体激光器驱动电源及配套电流控制方法。

4、线性电源基于对输出电流的采样来控制线性调整单元实现对激光器电流的线性控制，具有稳定性好、输出纹波小、无高频噪声、对负载变化响应迅速等优势。但是，线性调整单元工作在可变电阻区(非饱和区)，将多余的能量均转换为热量，造成了较为严重的发热，导致线性电源的效率相对较低，限制了线性电源在中功率、大功率半导体激光器(百瓦以上)驱动系统中的应用。

5、开关电源相比线性电源，其中的电力电子器件工作在导通与关断状态，具有效率高、结构紧凑、电压调节范围宽、调节性能好等优势，因此较为适合作为中功率、大功率半导体激光器的驱动电源。

6、半导体激光器外特性呈现较强的非线性特性，对半导体激光器电流控制器的设计造成了一定的影响，目前，多采用pi控制(经典线性控制方法)等方式来对激光器电流进行控制。然而，半导体激光器呈现强非线性特性，针对某个工作点所求解得到的控制器参数，对其他的工作点的适应性有限，动态调节特性与稳态性能受影响。“非线性led负载的dc-dc恒流源设计”采用参数自调整pid控制方法，手动整定出若干工作点上的pid控制参数，根据实时偏差对pid参数做局部小范围线性修正，方法原理简单，但需要整定多个工作点的pid参数以实现全工作范围的覆盖，未能从根本上解决该非线性问题，仅相当于将该非线性系统划分为多个区域开展近似线性化。

7、综上所述，当前在激光无线能量传输系统中，半导体激光器电流控制的主要问题在于未考虑激光器的强非线性特性(阈值特性、电压-电流非线性、温度特性)，在进行控制器设计以及参数整定时，使用经典线性控制器(如pi控制等)会导致激光器电流控制的动态、稳态性能的下降。当前缺少一种激光器电流控制方法，以克服或部分克服前述的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于反馈线性化的激光器电流控制方法、设备、存储介质，通过引入非线性反馈，将复杂的非线性求解问题转换为线性求解问题，从而改善控制性能。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明的一个方面，提供了一种基于反馈线性化的激光器电流控制方法，包括如下步骤：

4、s1，基于测试得到的行为特性数据对目标激光器建模，得到计及温度影响的激光器行为特性模型；

5、s2，针对所述目标激光器，进行计及非线性特性的反馈线性化控制。

6、作为优选的技术方案，所述s1包括如下步骤：

7、s1.1，通过测试得到所述目标激光器的行为特性数据；

8、s1.2，基于阈值电流点划分特性曲线；

9、s1.3，针对所述特性曲线进行多项式拟合；

10、s1.4，针对不同温度下的多项式拟合结果进行插值，得到计及温度影响的激光器行为特性模型。

11、作为优选的技术方案，所述特性曲线包括输入-输出特性曲线和输入伏安特性曲线。

12、作为优选的技术方案，所述s2包括如下步骤：

13、s2.1，构建目标激光器驱动系统的状态方程；

14、s2.2，将所述状态方程转换为单输入-单输出仿射非线性系统形式；

15、s2.3，精确反馈线性化条件验证；

16、s2.4，通过非线性坐标变换将所述非线性系统转换为等价线性系统；

17、s2.5，基于所述等价线性系统构建控制器并对所述目标激光器进行反馈线性化控制。

18、作为优选的技术方案，所述目标激光器驱动系统的状态方程为：

19、

20、其中，il、uc分别为电感电流与电容电压，uin为变换器输入电压，l、c分别为变换器电感及电容，ild、uld分别为目标激光器的电流与电压，d为控制占空比，ild＝fld(uld，t)为非线性项，用于表征半导体激光器的输入电压电流非线性特性。

21、作为优选的技术方案，单输入-单输出仿射非线性系统形式为：

22、

23、

24、

25、其中，x1、x2分别为第一状态变量与第二状态变量，其中，第一状态变量作为电感电流，第二状态变量作为电容电压，u表示系统的输入变量，即占空比，f、g、h是域中足够平滑的非线性函数，且向量函数f和g是域d中的向量场。

26、作为优选的技术方案，精确反馈线性化条件验证通过后，转换得到等价线性系统为：

27、

28、

29、

30、其中，v为等价线性系统的控制量。

31、作为优选的技术方案，所述行为特性数据包括温度、电压、电流和输出光功率。

32、本发明的另一个方面，提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器以及存储器，所述存储器内储存有一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行上述基于反馈线性化的激光器电流控制方法的指令。

33、本发明的另一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，包括供电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行上述基于反馈线性化的激光器电流控制方法的指令。

34、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果之一：

35、(1)改善控制性能：本方法基于反馈线性化对半导体激光器电流进行控制，该方法能够充分计及半导体激光器非线性特性，利用非线性坐标变换，实现等价系统精确线性化，本方法能够有效提升激光器电流的动态跟随性能，提升激光无线能量传输系统的功率调节性能，具有跟随快、超调小等特点。

36、(2)方便分析特性：基于半导体激光器行为特性测试数据建立的数学模型，对于半导体激光器的电-光-热特性分析带来方便，能够直观分析激光器的非线性特性。