基于相轨迹规划的Buck-IPT系统滑模控制方法

使用前置Buck变换器调功的感应电能传输(inductive power transfer,IPT)系统是无线充电系统常用的电路拓扑结构,针对Buck-IPT系统中出现的启动用时长和电流过冲大等问题,研究并提出一种基于相轨迹规划的滑模控制方法。建立系统的等效电路模型,给出了相应的状态空间方程,研究在二维相平面上求取启动过程最优开关切换点的方法,并规划系统的运动轨迹,基于该轨迹设计滑模控制策略,以使系统快速进入稳态,并通过改变滑模函数的斜率来限制最大电感电流。针对负载切换过程,进一步提出了一种截距补偿算法以改善系统的鲁棒性和适应性。最后,通过实验验证该控制方法的有效性。

可控电感在WPT系统动态性能的优化方法

SS型Buck-WPT(Buck-wireless power transfer)系统由Buck电路和基本的SS型无线电能传输电路组成。该电路系统因为结构和控制方式简单、控制效果明显等优点在感应式无线电能传输方面得到广泛应用。但该电路的动态特性并不能满足一些时变系统对快速性的较高要求。例如,系统在启动时会存在较强震荡和较大超调,系统负载改变时稳定状态会发生改变且存在明显抖动,系统极限空载时原边谐振电流会增大,且该电流值远超出安全工作范围。本文提出了一种基于可控电感的SS型Buck-WPT系统。首先,分析了电感值可调的方法并在COMSOL中建立仿真模型验证其电感值可控的特性。其次,对SS型Buck-WPT系统进行数学建模,将SS型WPT系统作为Buck电路的特殊负载,推导SS型Buck-WPT系统状态空间方程。研究其三维空间内相轨迹的降维描述方法,将该系统用二维相轨迹描述系统运行过程。然后,通过分析启动阶段相轨迹运行规律,改进前级Buck电路。将传统Buck电路中的电感换成可控电感,运用其电感值可调的控制系统开通阶段的运行轨迹,使系统在1个开关周期内无超调快速进入稳态。当系统负载改变时,系统的输出电压会改变,且是不断抖动来回反复的过程,利用PI算法对系统进行恒流控制。通过可控电感控制系统相轨迹,使副边输出能无抖动快速进入稳态,保证输出电压不变。针对SS型谐振网络的Buck-WPT系统中出现空载大电流的问题,提出了将可控电感串联接入原边谐振网络的方法。实时检测原边谐振电流值,该值超过正常工作范围,感值就快速增大,减小原边谐振电流,达到空载时维持原边谐振电流安全值以下。最后,验证上述方法在优化SS型Buck-WPT系统动态特性的有效性,在Simulink中搭建仿真电路。该方法能减小工作条件改变时带来的系统抖动,且在不改变系统响应速度前提下减小超调,优化系统动态性能,增强系统抗负载扰动力,提高系统带负载能力有明显效果。