一种基于辅助锯齿电源的动态调谐控制方法 |
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| 申请号 | CN202110474426.0 | 申请日 | 2021-04-29 | 公开(公告)号 | CN113098445B | 公开(公告)日 | 2023-05-26 |
| 申请人 | 南京信息工程大学; | 发明人 | 吕富勇; 柳加旺; 江鸿; 陆升阳; 王明明; 何浩; 唐拥拥; 杨宁恺; | ||||
| 摘要 | 本 发明 是一种基于辅助锯齿电源的动态调谐控制方法，含有谐振网络的系统采用相互 串联 的直流电源和幅值可调锯齿电源对原变换 电路 输出的方波正负半周分别补偿，当变换器 输出 电压 滞后于输出 电流 时， 锯齿波 电路补偿使变换器输出峰值电压逐渐增加的方波；当变换器输出电压超前于输出电流时，锯齿波电路补偿使变换器输出峰值电压逐渐减小的方波；通过锯齿波补偿使变换器输出电压和电流达到同相，谐振回路始终维持工作在最佳谐振状态，从而使变换器维持最佳 开关 状态。该方法同时减小谐振网络的 无功功率 ，增加有功功率，提高变换系统的效率和功率容量。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于辅助锯齿电源的动态调谐控制方法，包括依次相连的变换器NA、谐振网络TC和负载XL，其特征在于：直流电源Ep和幅值可调锯齿电源Es串联后与变换器NA的输入端连接，变换器NA和谐振网络TC之间设置电流传感器IS，变换器NA的输出端与电压传感器UM连接，电流传感器IS的输出端、电压传感器UM的输出端均与鉴相电路PD连接，鉴相电路PD与控制器KP相连；控制器KP的输出驱动信号用于控制幅值可调锯齿电源Es和变换器NA的工作状态；所述动态调谐控制方法具体步骤如下： |
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| 说明书全文 | 一种基于辅助锯齿电源的动态调谐控制方法技术领域[0001] 本发明涉及含有谐振网络系统动态调谐的技术领域，具体的说是一种基于辅助锯齿电源的动态调谐控制方法。 背景技术[0002] 谐振变换是电力电子系统实现软开关的重要方法，在电力电子领域获得广泛使用。在实际应用中，谐振网络参数会因为系统元件老化、无线电能传输距离变化，或传输介质变化等因素导致谐振系统的参数发生变化。这些参数变化很容易导致系统失谐，降低系统效率甚至损坏开关元件。 [0003] 为了使谐振系统发生失谐时，能回归正常稳定状态，现有的文献提出了各种调谐技术，主要分为频率调谐和阻抗调谐。频率调谐主要控制系统的工作频率或者变换开关电路的驱动信号。阻抗调谐则主要通过调节电容阵列、可控电容和可控电感的等效输出阻抗。 [0004] 在现有的谐振网络调谐的技术中，存在以下问题：如公开号CN1065059488B的中国专利，是通过开关控制形成不同的电容补偿组合来达到调谐效果，但是这种开关电容阵列方法当调谐精度要求高的时候所需的电容和开关管数量较多，会造成调谐电路体积增大、调谐控制算法繁琐和成本高等问题，且只能实现有限个离散电容值的补偿调谐。如公开号CN103199634A和公开号CN209730906U的中国专利，分别利用相控电容和相控电感来控制开关管导通角来达到调谐目的，但是相控电容、电感调谐方法需要高频同步信号控制开关管的导通角，开关频率高导致开关损耗大。如公开号CN109818611B的中国专利，基于锁相环频率跟踪控制的调谐方法，通过跟踪回路谐振网络的谐振频率来实时调节变换器工作频率，虽然该方法易于实现，但是会改变系统谐振频率。如公开号CN107769369A的中国专利，在原边调谐利用辅助变换器产生一个和主变换器输出电压有可调相位差的电压，通过控制主辅变换器的相位差可使原边等效阻抗为零，当时此方法只是对系统的单边回路进行了动态调谐，没有考虑系统的接收端的情况。 发明内容[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种基于辅助锯齿电源的动态调谐控制方法，该方法在含有谐振网络的系统失谐时，通过调节辅助锯齿电源的工作状态，使得系统维持在原固有谐振频率下谐振工作，保证系统在设定的最佳性能下工作。 [0006] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为： [0007] 一种基于辅助锯齿电源的动态调谐控制方法，包括依次相连的变换器NA、谐振网络TC和负载XL，其特征在于：直流电源Ep和幅值可调锯齿电源Es串联后与变换器NA的输入端连接，变换器NA和谐振网络TC之间设置电流传感器IS，变换器NA的输出端与电压传感器UM连接，电流传感器IS的输出端、电压传感器UM的输出端均与鉴相电路PD连接，鉴相电路PD与控制器KP相连；控制器KP的输出驱动信号用于控制幅值可调锯齿电源Es和变换器NA的工作状态；所述动态调谐控制方法具体步骤如下： [0008] 控制器KP将变换电路NA的工作频率设为定值f0，利用电压传感器UM采集变换电路的输出方波电压Un，利用电流传感器IS采集变换电路的谐振回路电流In，将电压传感器UM和电流传感器IS采集得到的电流信号、电压信号输入鉴相电路PD获得相位差[0009] 当相位差 不为0时，鉴相电路PD输出值的大小用于改变锯齿电源Es的锯齿电压幅值Am2； [0010] 当 时，系统处于容性失谐状态，即电压相位滞后于电流相位，控制锯齿电源Es输出斜率系数k＝1，锯齿波电路补偿使变换器输出峰值电压逐渐增加的方波，经过锯齿电压补偿后使谐振网络电流和电压的相位差 减小； [0011] 当 时，系统处于感性失谐状态，即电压相位超前于电流相位，控制锯齿电源输出斜率系数k＝‑1，锯齿波电路补偿使变换器输出峰值电压逐渐减小的方波，经过锯齿电压补偿后使谐振网络电流和电压的相位差 增加。 [0012] 优选的，控制器KP设置直流电源Ep的方波电压幅值Am1、幅值可调锯齿电源Es的锯齿电压幅值Am2、锯齿电压幅值步进值Δu； [0013] 当 时，控制器设定锯齿电源电压输出斜率系数k＝1的锯齿波，锯齿电源电压幅值调整为Am2+Δu，形成幅值上升的方波； [0014] 当 时，控制器设定锯齿电源电压输出斜率系数k＝‑1的锯齿波，锯齿电源电压幅值调整为Am2‑Δu，形成幅值下降的方波。 [0015] 优选的，通过谐波分析法和傅里叶变换以及线性叠加原理，经过变换后的变换电路输出方波电压Un和谐振回路电流In之间相位差 的表达式如下： [0016] [0017] 式中，Zp为系统输入端的等效阻抗；k为斜率控制系数，直流供电电源的输出是恒定的；Am1为直流电源Ep的方波电压幅值；Am2为幅值可调锯齿电源Es的锯齿电压幅值；为方波电压基波分量的指数形式， 为锯齿电压分量一基波分量的指数形式和锯齿电压分量二基波分量的指数形式。 [0018] 优选的，高频变换器NA采用具有拓扑结构的开关变换电路。 [0019] 优选的，锯齿波电源Es用于实现方波的正负半周同时补偿，或用于单独补偿正半周或负半周。 [0020] 优选的，锯齿波电源Es设置在变换器NA的拓扑结构内。 [0021] 优选的，谐振网络包括串联谐振网络、并联谐振网络、混联谐振网络或无线电能传输网络。 [0022] 优选的，谐振网络参数变化的原因包括元件老化导致的变化、无线电能传输距离变化或传输介质变化导致的参数变化。 [0023] 优选的，幅值可调锯齿电源Es的能量由直流电源Ep获取。 [0024] 优选的，在每个补偿周期，锯齿波补偿按设定添加延时。 [0025] 该种基于辅助锯齿电源的动态调谐控制方法能够达到的有益效果为：在含有谐振网络的系统失谐时，通过调整锯齿电源电压输出斜率系数和锯齿电源电压幅值，使谐振网络系统在失谐扰动下始终能够工作在谐振状态，保证较高的传输效率和功率。进一步的，该种动态调谐控制方法使系统在容性失谐和感性失谐时都能进行调谐控制。附图说明 [0026] 图1是本发明中含有谐振网络系统的电路结构和控制示意图。 [0027] 图2是本发明一种基于辅助锯齿电源的动态调谐控制方法的调谐控制方法流程图。 [0028] 图3是本发明中不同失谐程度的调谐波形图。 具体实施方式[0030] 含有谐振网络系统的电路结构如图1所示，包括依次相连的变换器NA、谐振网络TC和负载XL，直流电源Ep和幅值可调锯齿电源Es串联后与变换器NA的输入端连接，变换器NA和谐振网络TC之间设置电流传感器IS，变换器NA的输出端与电压传感器UM连接，电流传感器IS的输出端、电压传感器UM的输出端均与鉴相电路PD连接，鉴相电路PD与控制器KP相连；控制器KP的输出端与控制幅值可调锯齿电源Es和变换器NA的控制信号输入端连接，控制器KP的输出驱动信号用于控制幅值可调锯齿电源Es和变换器NA的工作状态。 [0031] 基于辅助锯齿电源的动态调谐控制方法如图2所示，具体步骤如下： [0032] 步骤一：控制器将变换电路的工作频率设为定制f0，进入下一步； [0033] 步骤二：控制器设置方波电压幅值Am1、锯齿电压幅值Am2、锯齿电压幅值步进值为Δu； [0034] 步骤三：控制器设置锯齿电源斜率控制系数k； [0035] 步骤四：利用电压霍尔传感器和电流霍尔传感器分别采集变换电路的输出电压Un和发射端谐振回路电流In，经过信号调理后输入到鉴相电路进行相位差判定是否为0，进入下一步； [0036] 步骤五：如果相位差为0，则返回步骤四；如果相位差小于零，则进入步骤六；如果相位差大于零，则进入步骤七； [0037] 步骤六：判定为系统处于容性失谐状态，控制器设定锯齿电源电压输出斜率系数k＝1的锯齿波，锯齿电源幅值调整为Am2+Δu，形成幅值上升的方波，返回步骤四； [0038] 步骤七：判定系统处于感性失谐状态，控制器设定锯齿波电源电压输出斜率系数k＝‑1的锯齿波，锯齿电源幅值调整为Am2‑Δu，形成幅值下降的方波，返回步骤四。 [0039] 本实施例中，步骤4中通过谐波分析法和傅里叶变换以及线性叠加原理，经过变换后的变换电路输出方波电压Un和谐振回路电流In之间相位差 的表达式如下： [0040] [0041] 式中，Zp为系统输入端的等效阻抗；k为斜率控制系数，直流供电电源的输出是恒定的；Am1为直流电源Ep的方波电压幅值；Am2为幅值可调锯齿电源Es的锯齿电压幅值；为方波电压基波分量的指数形式， 为锯齿电压分量一基波分量的指数形式和锯齿电压分量二基波分量的指数形式。 [0042] 由上述相位差 的表达式可知，通过调节辅助锯齿电源电压的幅值Am2，就可调节系统的输入阻抗阻抗角 的大小。当系统处于谐振状态时，相位差 为0；当系统处于容性失谐和感性失谐时，通过控制锯齿电源幅值Am2增加和减小，使系统恢复谐振工作状态。 [0043] 优选的，高频变换器NA采用具有拓扑结构的开关变换电路。 [0044] 优选的，锯齿波电源Es用于实现方波的正负半周同时补偿，或用于单独补偿正半周或负半周。 [0045] 优选的，锯齿波电源Es设置在变换器NA的拓扑结构内。 [0046] 优选的，谐振网络包括串联谐振网络、并联谐振网络、混联谐振网络或无线电能传输网络。 [0047] 优选的，谐振网络参数变化的原因包括元件老化导致的变化、无线电能传输距离变化或传输介质变化导致的参数变化。 [0048] 优选的，幅值可调锯齿电源Es的能量由直流电源Ep获取。 [0049] 优选的，在每个补偿周期，锯齿波补偿按设定添加延时。 [0050] 当含有谐振网络的系统失谐时，如图3所示为不同失谐程度的调谐波形图，当相位差 时，系统处于容性失谐状态，即电压相位是滞后于电流相位的，控制锯齿电源输出斜率系数k＝1，锯齿波电路补偿使变换器输出峰值电压逐渐增加的方波，经过锯齿电压补偿后可使谐振网络电流和电压的相位差 减小，直到为0或接近0。当 时，系统是处于感性失谐状态，即电压相位是超前于电流相位的，控制锯齿电源输出斜率系数k＝‑1，锯齿波电路补偿使变换器输出峰值电压逐渐减小的方波，经过锯齿电压补偿后可使谐振网络电流和电压的相位差 增加，直到为0或接近0。 [0051] 实际工作中，以方波电压幅值Am1＝20V，锯齿电压幅值Am2＝0V，变换电路的工作频率为f0＝100KHZ的谐振网络系统为例。 [0052] 当系统检测出输出电压和电流的相位差 设置锯齿电压幅值步进值Δu＝1V，锯齿电源斜率控制系数k＝1，通过控制器将锯齿电压幅值调整为Am2+1，不断多次进行调节幅值，调节过程中相位差 逐渐增加，当锯齿电源幅值Am1＝18V时，相位差接近0，系统恢复谐振状态； [0053] 系统检测出输出电压和电流的相位差 锯齿电压幅值步进值Δu＝1V，锯齿电源斜率控制系数k＝‑1，通过控制器将锯齿电压幅值调整为Am2‑1，不断多次进行调节幅值，调节过程中相位差 逐渐减小，当锯齿电源幅值Am2＝‑9V时，相位差接近0，系统恢复谐振状态。 [0054] 综上，该种基于辅助锯齿电源的动态调谐控制方法使系统在容性失谐和感性失谐时都能进行调谐控制，在容性失谐时需要的调谐锯齿电源电压的幅值为上升的，在感性失谐时需要的调谐锯齿电源电压的幅值为下降的，该方法对感性失谐有较好的调谐效果。 [0055] 以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。 |
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