技术领域
[0001] 本
发明涉及到感应
电能传输技术（Inductive Power Transfer,简称IPT），具体地说，是一种IPT系统频率稳定闭环控制方法。
背景技术
[0002] 感应电能传输技术（Inductive Power Transfer，简称IPT）是一种以高频电
磁场为
能量载体，将电能以磁能的形式从电源端无线传送到负载端的电能传输新技术。该技术具有安全、可靠及灵活等优点，在
生物医电、轨道交通、电动
汽车、消费
电子等领域有着广泛的应用前景，已成为电
力电子领域的研究热点之一。
[0003] 如图1所示，从系统结构上看，IPT系统包括原边和副边两个部分，原边通过谐振变换器在发射线圈上产生高频交变
电流，副边能量接
收线圈上感应到的电能经无功补偿和能量变换后输出给负载。结构的特殊性和复杂性导致系统呈现出典型的高阶非线性特性，从而引起复杂的动力学行为，增加了系统建模分析与控制的难度。
[0004] 文献研究表明，在IPT系统中，当系统参数如互感、原副边谐振网络参数以及负载阻抗等发生变化，都可能引起系统谐振频率的分岔。如图2所示，图中纵轴为频率，横轴为分岔参数，在分岔区，体现为系统存在三个谐振频率，其中两个具有自治振荡
稳定性，而另一个不具有自治振荡稳定性，且该频率值位于两个稳定频率值之间。
申请人前期对非
接触电能传输系统频率分岔现象已经作了比较深入的研究，并提出过中国
专利申请：IPT系统中的分岔频率输送控制
电路及其控制方法，申请号201310067393.3，该专利文献中通过基于延迟干扰的频率输送控制可以实现多稳态极限环吸引子的进入控制。这种控制方法的好处在于各稳态极限环对应各自的输送控制参数，而这些参数的取值不是唯一的，可以在一定的范围内任意选取。在正常工作状态下对系统加入延迟干扰时，如果干扰参数对应的是当前稳态的参数，则系统在扰动作用下，并不会改变其稳态频率，如果干扰参数对应的是其他稳态的参数，则系统在扰动作用下，将脱离当前极限环吸引子并进入目标极限环吸引子的吸引域，从而系统将收敛至新的稳态。
[0005] 虽然上述方案公开了一种频率分岔可控的方法，但在实际工业应用中我们发现，单一的控制能够将系统频率牵引到某一个极限环吸引子中，但是随着系统运行，频率容易产生漂移，系统又将进入不稳定状态，由于缺少闭环控制，系统对负载和运行环境的适应能力不强。
发明内容
[0006] 为了克服上述
缺陷，本发明提供一种IPT系统频率稳定闭环控制方法，该方法引入基于延迟干扰的频率输送控制，结合周期性的频率检测，实现系统运行频率的稳定。
[0007] 为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
[0008] 一种IPT系统频率稳定闭环控制方法，该系统包括电源模
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频率
控制器，频率控制器的输出端经过驱动电路与所述开关网络相连，在所述频率控制器上还连接有频率分支设置模块，其关键在于，所述频率控制器按照以下步骤进行控制：
[0009] 步骤1：系统上电工作，频率控制器初始化延时标志flagTD＝0以及控制标志flagTDP＝0；
[0010] 步骤2：频率控制器读取频率分支设置模块所设置的频率分支控制
信号（δ,Td），其中δ为频率分支
控制信号的延时时间，Td为频率分支控制信号的持续时间；
[0011] 步骤3：频率控制器判断所读取的频率分支控制信号（δ,Td）是否发生了改变；
[0012] 如果发生改变，则设置控制标志flagTDP＝1，并启动频率分支控制，进入步骤4；
[0013] 如果没有发生改变，则直接进入步骤4；
[0014] 步骤4：频率控制器利用过零检测电路所检测的过零信号判断系统的频率f，并计算N个周期的频率平均值favg以及
频率偏移量Δfa＝|f-favg|，所述N为正整数；
[0015] 步骤5：判断步骤4中的频率偏移量Δfa是否大于预设
阈值δa：如果满足Δfa＞δa，则进入步骤6，如果不满足Δfa＞δa，则进入步骤6’；
[0016] 步骤6：判断控制标志flagTDP是否为0：如果控制标志flagTDP等于0，则进入步骤7；否则返回步骤4；
[0017] 步骤7：判断延时标志flagTD是否为0：如果延时标志flagTD等于0，则设置控制标志flagTDP=1，并启动频率分支控制，返回步骤2；如果延时标志flagTD不等于0，则进入步骤8；
[0018] 步骤8：判断延时响应时间是否结束：如果延时响应时间结束，设置延时标志flagTD＝0，复位延时响应，并返回步骤2；如果延时响应时间没有结束，则直接返回步骤2；
[0019] 步骤6’：判断控制标志flagTDP是否为0：如果控制标志flagTDP不等于0，则进入步骤7’；否则进入步骤8’；
[0020] 步骤7’：设置延时标志flagTDP=0，
停止频率分支控制，并设置延时标志flagTD=1，启动延时响应，返回步骤4；
[0021] 步骤8’：判断延时标志flagTD是否为0：如果延时标志flagTD等于0，则返回步骤2；否则，先设置延时标志flagTD=0，复位延时响应，再返回步骤2。
[0022] 作为进一步描述，当系统的两个稳定分岔频率为f1和f2，且f1＜f2时，频率分支设置模块所设置的频率分支控制信号（δ,Td）为两种延时
干扰信号，分别是第一延时干扰信号(δ1,Td1)和第二延时干扰信号(δ2,Td2)，其中δ1为第一延时干扰信号的延时时间且Td1为第一延时干扰信号的持续时间且 δ2为第二延时干扰信号的延时时间且 Td2为第二延时干扰信号的持续时间且
[0023]
[0024] 本发明的显著效果是：电路结构简单，控制方便，不需要在主电路上增加额外的电路，只需更改控制器的控制
算法，利用系统闭环控制，可以收敛到
指定的稳定频率分支上，一旦发生较大的频率偏移，系统可以根据预设的分支频率控制参数适时开启延时干扰控制，重新回到设定的分岔频率分支上，从而保证系统传输功率的稳定性。
附图说明
[0025] 图1是原、副边均为
串联谐振的IPT系统的主电路图；
[0026] 图2是典型频率分岔曲线图；
[0029] 图5是本发明的控制信号时序图；
[0030] 图6是具体
实施例的系统振荡频率响应第一曲线；
[0031] 图7是具体实施例的系统振荡频率响应第二曲线。
具体实施方式
[0032] 下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。
[0033] 如图3，图4所示，一种IPT系统频率稳定闭环控制方法，该系统包括电源模块1、开关网络2、原边谐振补偿电路3、发射线圈、接收线圈、副边谐振补偿电路4以及负载，所述原边谐振补偿电路3上连接有过零检测电路5，该过零检测电路5的输出端连接有频率控制器6，频率控制器6的输出端经过驱动电路7与所述开关网络2相连，在所述频率控制器6上还连接有频率分支设置模块8，所述频率控制器6按照以下步骤进行控制：
[0034] 步骤1：系统上电工作，频率控制器6初始化延时标志flagTD＝0以及控制标志flagTDP＝0；
[0035] 步骤2：频率控制器6读取频率分支设置模块8所设置的频率分支控制信号（δ,Td），其中δ为频率分支控制信号的延时时间，Td为频率分支控制信号的持续时间；
[0036] 步骤3：频率控制器6判断所读取的频率分支控制信号（δ,Td）是否发生了改变；
[0037] 如果发生改变，则设置控制标志flagTDP＝1，并启动频率分支控制，进入步骤4；
[0038] 如果没有发生改变，则直接进入步骤4；
[0039] 步骤4：频率控制器6利用过零检测电路5所检测的过零信号判断系统的频率f，并计算N个周期的频率平均值favg以及频率偏移量Δfa＝|f-favg|，所述N为正整数；
[0040] 步骤5：判断步骤4中的频率偏移量Δfa是否大于预设阈值δa：如果满足Δfa＞δa，则进入步骤6，如果不满足Δfa＞δa，则进入步骤6’；
[0041] 步骤6：判断控制标志flagTDP是否为0：如果控制标志flagTDP等于0，则进入步骤7；否则返回步骤4；
[0042] 步骤7：判断延时标志flagTD是否为0：如果延时标志flagTD等于0，则设置控制标志flagTDP=1，并启动频率分支控制，返回步骤2；如果延时标志flagTD不等于0，则进入步骤8；
[0043] 步骤8：判断延时响应时间是否结束：如果延时响应时间结束，设置延时标志flagTD=0，复位延时响应，并返回步骤2；如果延时响应时间没有结束，则直接返回步骤2；
[0044] 步骤6’：判断控制标志flagTDP是否为0：如果控制标志flagTDP不等于0，则进入步骤7’；否则进入步骤8’；
[0045] 步骤7’：设置延时标志flagTDP=0，停止频率分支控制，并设置延时标志flagTD=1，启动延时响应，返回步骤4；
[0046] 步骤8’：判断延时标志flagTD是否为0：如果延时标志flagTD等于0，则返回步骤2；否则，先设置延时标志flagTD=0，复位延时响应，再返回步骤2。
[0047] 在上述步骤中，系统初始化过程主要完成延时标志flagTD及频率分支控制标志flagTDP的复位，之后读取用户输入的频率分支设置信号，如果该信号发生改变，则立即置位频率分支控制标志位flagTDP，启动频率分支控制，以使得系统工作频率切换到设置的频率分支上，之后进入频率检测环节。如果没有发生设置信号的改变，则直接进入频率检测环节，该环节通过检测输入的谐振电流（或
电压）信号的过零检测脉冲的频率信息，判断当前频率与N周期频率平均值之差是否超出预设阈值，N通常取5～8。如果没有超过，则说明系统进入了稳态，进一步判断频率分支控制是否起作用。如果其标志位flagTDP为0，即频率分支控制已结束，则进一步判断flagTD标志是否复位；如果flagTD为1，则复位该标值位，之后返回到读取频率分支设置信号环节，进入循环；如果flagTD为0，则直接返回读取频率分支设置信号的环节，进入循环。如果flagTDP为1，即频率分支控制仍在继续，则复位该标志位，并置位flagTD启动延时响应，之后回到频率检测环节，进入循环。如果频率偏移超出阈值，则判断flagTDP是否复位，即频率分支控制是否结束。如果flagTDP未复位，则返回频率检测环节，进入循环；如果flagTDP已复位，则进一步判断flagTD是否复位，即延时响应是否结束。如果flagTD已复位，则置位flagTDP，启动频率分支控制，之后返回到读取频率分支设置信号环节，进入循环；如果flagTD未复位，则判断延时时间是否到，如果时间到，则复位flagTD，之后返回到读取频率分支设置信号环节，进入循环；如果延时时间还未结束，则直接返回到读取频率分支设置信号环节，进入循环。由于频率分支控制采用基于延时干扰（Time Delay Perturbation，TDP）的频率输送控制，因此程序流程图中标注为TDP控制。
[0048] 在控制过程中，在频率偏移量超过阈值或者频率分支设置信号发生改变时，均需要启动频率分支控制。每次频率分支控制结束后，需要有一个延时响应过程，即在此过程中不能再次启动频率分支控制。延时响应的标志位flagTD有两种情况可以复位，一种是系统频率分支控制结束后重新进入稳态，另一种是频率分支控制结束后没有还未进入稳态，但是延时
定时器时间到。
[0049] 另外，为了避免正常状态未涵盖的情况导致频率控制失效，系统中可引入手动启动频率分支控制的辅助流程，通过手动按钮按强制启动频率分支控制，使系统运行到设定的频率分支上。
[0050] 针对具体系统而言，当系统的两个稳定分岔频率为f1和f2，且f1＜f2时，频率分支设置模块8所设置的频率分支控制信号（δ,Td）为两种延时干扰信号，分别是第一延时干扰信号(δ1,Td1)和第二延时干扰信号(δ2,Td2)，其中δ1为第一延时干扰信号的延时时间且 Td1为第一延时干扰信号的持续时间且 δ2为第二延时干扰信号的延时时间且 Td2为第二延时干扰信号的持续时间且
[0051]
[0052] 如图5所示，可以清晰的看出频率分支控制信号对频率控制器6的干扰效果。在不进行频率分支控制时，所述频率控制器6输出的控制信号与所述过零检测电路5输出的过零信号同频同相；
[0053] 当频率控制器6按照第一延时干扰信号(δ1,Td1)所设定的参数进行频率分支控制时，输出的控制信号为所述过零信号滞后δ1时间长度的信号，且延时干扰作用的持续时间为Td1，当持续时间Td1结束时，所述控制信号再恢复为与所述过零信号同频同相；
[0054] 当频率控制器6按照第二延时干扰信号(δ2,Td2)进行频率分支控制时，输出的控制信号为所述过零信号滞后δ2时间长度的信号，且延时干扰作用的持续时间为Td2，当持续时间Td2结束时，所述控制信号再恢复为与所述过零信号同频同相。
[0055] 以图1所示的串联谐振型感应电能传输系统为例，系统参数取值如表1所示，根据该系统可以求得系统的谐振工作点如表2所示，根据表2所得的两个稳定分岔频率点的频率值可以
选定第一延时干扰信号(δ1,Td1)的延时时间δ1为15μs，持续时间时间Td1设为0.5ms，第二延时干扰信号(δ2,Td2)的延时时间δ2为2μs，持续时间Td2设为0.5ms，频率偏移量Δfa的预设阈值δa为1kHz，频率分支控制的延时响应时间设为1ms，按照上述参数以及控制步骤对该IPT系统进行控制。
[0056] 如果我们想要针对高频谐振点进行输送控制，则在频率分支设置模块8中设定第一延时干扰信号(δ1,Td1)，系统的频率响应曲线如图6所示。
[0057] 如果我们想要针对低频谐振点进行输送控制，则在频率分支设置模块8中设定第二延时干扰信号(δ2,Td2)，系统的频率响应曲线如图7所示。
[0058] 在图6和图7所示的频率响应曲线中，在0.004s到0.006s时间区间内，负载阻抗由原来的5欧变为2欧，系统中仍然存在两个稳定的谐振频率，从图中可以看出，当要求系统工作在高频频率分支上时，虽然负载发生了变化，但是系统工作频率始终保持在高频分支上。类似地，系统也可以保持在低频分支上工作。
