Robust Nonlinear Current Sensorless Control of the Boost Converter with Constant Power Load

The boost converter feeding a constant power load (CPL) is a non-minimum phase system that is prone to the destabilizing effects of the negative incremental resistance of the CPL and presents a major challenge in the design of stabilizing controllers. A PWM-based current-sensorless robust sliding mode controller is developed that requires only the measurement of the output voltage. An extended state observer is developed to estimate a lumped uncertainty signal that comprises the uncertain load power and the input voltage, the converter parasitics, the component uncertainties and the estimation of the derivative of the output voltage needed in the implementation of the controller. A linear sliding surface is used to derive the controller, which is simple in its design and yet exhibits excellent features in terms of robustness to external disturbances, parameter uncertainties, and parasitics despite the absence of the inductor’s current feedback. The robustness of the controller is validated by computer simulations.

基于功率恒定的防饱和在线取电方法

基于厄流线圈取电装置提出了一种防止铁磁磁心饱和的方法,该方法使用旁路泄流电路将流入电流互感器过多的电流引入到旁路电路中消耗掉,将输出功率作为反馈值来调节旁路电路中开关管的关断,通过控制输出的功率大小,输电线路在宽范围电流内实现恒功率输出和防止电流互感器磁心到达饱和。根据电流互感器各方面的要求,建立电流互感器3D模型,将3D模型导入到Maxwell中对电流互感器本身进行有限元仿真分析,得到电流互感器内部各项参数,再将经过有限元分析的电流互感器模型导入到ANSYS中与外部电路组成取电电路进行联合仿真,通过仿真结果验证电流互感器的取电能力。再加入本次对电流互感器取电优化部分,通过电流互感器二次侧谐振的方式增加一次侧输电线路的等效阻抗,考虑到电流互感器磁心饱和的问题,采用旁路泄流电路将过多的电流通过旁路绕过电流互感器一次侧回到输电线路当中的方法解决。

半桥驱动的恒流恒压可重构的无线电能传输系统

锂电池在充电过程中充电电压变化范围大,其等效阻抗不断增加,会带来恒流过充以及恒压欠充问题,结合锂电池在快速充电过程中的动态特性,提出一种基于半桥驱动的恒流恒压可重构的S/LCC-LCC无线电能传输(WPT)系统。半桥驱动的WPT系统仅用一个切换开关进行拓扑重构即可实现系统输出特性的切换,具有所用元件少,重构拓扑简单等特性。首先,给出了基于S/LCC-LCC的拓扑重构原理;其次,分析了半桥驱动的重构拓扑的恒流恒压以及零相角特性;再次,给出了WPT系统的异常工况以及相应解决办法;最后,搭建了仿真和实验平台。验证性的WPT系统在恒流模式能输出恒定电流3.47 A,在恒压模式能输出恒定电压48.2 V。仿真与实验结果验证了所提方法的正确性。

基于变频重构S/SP拓扑的无线电能传输系统恒流恒压研究

针对电动汽车无线充电系统耦合系数和负载变化导致系统输出电流和电压剧烈波动的问题,提出一种由交错叠放式线圈结构和变频重构控制策略组成的无线电能传输系统,通过重构补偿拓扑,并切换工作频率,实现了系统的恒流恒压输出。首先,分析了拓扑重构前后系统的恒流、恒压输出特性和零相角特性,对比恒流恒压工作模式下补偿电容的大小,给出了系统参数调整方法。其次,剖析了交错叠放式线圈结构模型,提出基于耦合系数波动最小原则的线圈结构优化策略。所提出的系统补偿元件较少,两个工作频率点符合国际标准。最后,搭建一套500 W的实验样机,验证系统的可行性和有效性。实验结果表明,交错叠放式线圈在X轴方向偏移发射线圈外径的55%(187mm)或Y轴方向偏移120mm时,耦合系数波动率小于5%。系统在恒流模式下电流波动率为3.58%,在恒压模式下电压波动率为4.83%,满足无线充电系统恒流恒压需求。

基于频率切换实现恒流/恒压输出的电场耦合无线电能传输系统

电场耦合无线电能传输(electric-field coupled wireless power transfer,EC-WPT)技术的实际应用中,有些用电设备需要系统具有不同的恒定输出特性(恒流/恒压),即系统输出电压或输出电流与负载解耦,此外,系统还需具备在恒流、恒压模式间按需切换的功能。针对该需求,基于LC-CLC谐振网络提出1种具有恒流/恒压输出特性的EC-WPT系统,分析LC-CLC谐振网络特性,推导恒流/恒压输出特性的实现条件以及恒流频率和恒压频率的计算方法,并给出系统参数设计方法,分析系统对工作频率的敏感性。最后通过仿真和实验验证所提出的EC-WPT系统恒流/恒压输出特性及其参数设计方法的正确性和有效性。实验结果表明所提出的系统在输入电压恒定的不同负载工况下分别实现2 A的恒流输出以及96 V的恒压输出,其最大传输效率分别为87.83%及88.17%。

无线电能传输系统恒流输出控制方法研究

此处提出了一种发射端控制的无线电能传输(WPT)系统输出恒流调节方法。该方法无需在接收端增加传感器和无线通信装置,即可实现对系统输出电流的调节,因此,能够减小接收端体积和重量。首先,建立WPT系统等效电路模型,考虑整流电路等效输入阻抗的电阻和电感分量,推导得到发射端电压/电流与负载电流之间的量化关系;然后,采集发射端并联电容电压有效值和输入直流电流值,并通过逆变器移相控制,实现系统恒流输出;最后,搭建WPT实验台架,实验结果表明:在变负载工况下,恒流控制精度在3%以内,动态调节时间小于200ms,从而实现了负载电流快速、精准的调节。

基于改进型ZVT Buck电路的IPT充电系统设计

为了避免在感应式无线电能传输系统的耦合机构中增加多余的开关器件以及额外的无源元件,同时减小系统工作在高频率、大功率时全控型开关器件存在的开关损耗,提出基于改进型ZVT Buck电路闭环控制的方法实现对电池的恒流、恒压充电,通过分析改进型ZVT Buck电路的工作模态以及对电路参数的设计,确保在整个充电过程中DC-DC变换器均工作在软开关状态,最后搭建充电电流为35 A、充电电压为370 V的实验平台验证该方法的可行性。结果表明:该方法控制简单,并且降低了系统电路结构的复杂度,传输效率相对较高,能够满足恒流恒压充电需求。

基于拓扑重构实现恒流恒压输出的WPT系统

提出一种基于拓扑重构的具备恒流(CC)和恒压(CV)输出特性的无线电能传输(WPT)系统。该系统可从能实现CC输出的SS拓扑切换到能实现CV输出的S/LCC拓扑。相比于现存的采用拓扑重构方法实现CC和CV输出的WPT系统,所提系统仅需要一个交流开关并且无需引入多个无源元件。除此之外,该系统在整个充电过程中操作频率固定不变,这避免了频率分岔现象。同时,该系统可以实现零相位角(ZPA)运行,保证了系统的高传输效率。最后搭建一台87 W的实验样机,实验结果和理论分析保持一致,验证了所提系统的合理性。

基于DSP的恒流超声电源谐振频率自动识别技术研究

针对换能器在加工过程中因温度升高与负载变化导致的谐振频率偏移问题,采用最小阻抗法与相位差控制法相结合的谐振频率识别策略,利用基于DSP控制的恒流超声电源样机测试了电源谐振频率识别的精确性与一致性。结果表明超声电源识别出的换能器谐振频率与阻抗分析仪测得的谐振频率最大差值为25 Hz、误差小于0.1%;激光测振仪测得振幅最大时的谐振频率与超声电源识别的谐振频率最大相差24 Hz;使用超声电源多次测试三种负载下的换能器,相同负载下识别出的换能器谐振频率波动范围在15 Hz以内。

一种具备CC/CV自动转换功能的新型WPT系统

相比于传统的采用闭环控制、混合拓扑切换和频率切换等方法实现恒流(CC)和恒压(CV)输出特性的无线电能传输(WPT)系统,此处提出了一种具备CC/CV自动转换功能的新型WPT系统,该系统由于其特殊的电路结构使其在无需额外交流开关、大量的补偿元件、通信链路和检测电路的情况下能够实现CC/CV的自动切换。在充电初期,系统以S-LCC/T补偿网络对负载进行CC充电,随后以S-LCC补偿网络对负载进行CV充电。此外,该系统在整个充电过程都能实现零相位角(ZPA)运行,保证了系统的高效性。因此,该系统具有简单的结构和较低的制造成本。此处搭建了一台充电电流和充电电压分别设定为2.5 A和56 V的实验样机,其最大效率可达到92.13%。

具备故障重构能力的双极直流接口变换器最优运行区域

中低压直流配电系统中,现有的双极直流接口变换器通常无法在进入单极运行模式下实现故障阻断与重构功能。基于一种互联分布式电源与双极直流系统的故障重构型直流接口变换器拓扑,分析单双极性运行模式的工作性能。在正常的双极运行模式下,变换器通过最小峰值电流控制策略,实现开关器件电流应力有效降低。在短路故障导致的单极运行模式下,变换器通过故障重构策略与恒功率传输控制策略,消除短路故障对正常端口的不利影响,维持关键负荷的连续供电。同时给出变换器在单双极模式的优化控制策略下的软开关运行区域,从而精确刻画出变换器的最优运行区域。实验结果证明理论分析的正确性,研究工作有助于指导中低压直流配电系统的工程实践。

基于单片机的恒压/恒流可调高压电源

本文设计了一种可恒流、恒压控制且可预置高压电流和电压的便携式静电高压电源,以满足便携式美容仪器的静电喷涂高压电源的需要。该高压脉冲变压器采用单边驱动方式,其中驱动窄脉冲信号源由AVR单片机提供,高压端电流采集信号与MCU形成闭环控制系统,微调窄脉冲脉冲宽度,实现恒流控制;高压端电压采集信号与单片机构成电压采集闭环控制,改变单边升压电路的供电电压,实现高压恒压控制。并利用PID控制算法,恒流、恒压控制能够达到快速稳定输出电流或电压的效果。设计的高压电源,输出稳定性高、抗干扰能力强,提高了静电喷涂设备的喷涂效果和续航能力。

脉冲涡流检测激励电源设计

脉冲涡流检测是当前金属材料无损检测主要的方法,激励电源作为系统中的关键部分,其性能将直接影响到检测结果。针对现有材料缺陷脉冲涡流检测方法中激励电源存在关断时间长、无恒流控制、功率小等问题,对非磁性材料的缺陷检测方法进行了研究,提出了一种新的脉冲电源电路,采用线性调整型恒流源,实现恒流与恒压钳位的复合电路拓扑结构。首先对线性单元进行闭环分析,证明了电路的可行性,再通过样机实证,验证了脉冲电源的稳定性和快速性。脉冲电源的幅值在20 A内可调,幅度误差小于1%,能够快速关断,下降时间可达纳秒级。最后利用该脉冲电源组成了一套脉冲涡流检测系统,并对铝合金进行了裂纹缺陷模拟检测实验。通过提取探测器峰值电压发现系统能够准确地识别不同缺陷深度,且具有较高的分辨率。

大功率光纤激光器恒流驱动电源设计分析

光纤激光器作为第三代激光技术的代表,与传统固体激光器相比,具有结构简单、转换效率高等优点。其中,恒流驱动电源作为光纤激光器中的重要组成部分,对光纤激光器提供充足电源起到关键性作用,能有效改善传统线性电源能量消耗大的问题,还能有效提升对能源的使用效率。基于此,主要对大功率光纤激光器恒流驱动电源设计进行分析研究,以期为相关人员提供参考。

基于平均电流控制的恒功率控制电路设计

为解决HID灯的老化及灯的伏安特性变化引起的功率漂移问题,基于Buck降压变换器的平均电流控制模式,设计并制作了一款具有恒功率控制能力的数字控制电子镇流器驱动电路,包含两个控制环路:内电流环路用于维持稳定驱动,外功率环路用于维持灯在其使用期间的功率恒定,并根据Buck降压变换器DCM模式下的小信号模型,以PI算法作为数字补偿器,完成补偿环路设计,保证电路输出稳定性。为抑制声共振,该电路结构采用三级式结构的电子镇流器,以低频方波驱动。设计和测试结果表明,该电子镇流器驱动电路可实现450 W的恒功率控制,误差值小于3%。该电子镇流器驱动电路结构简单,可靠性高,可适用于450 W HID灯驱动。

一种高效的神经肌肉电刺激系统设计

设计了一种高效的神经肌肉电刺激(Neuromuscular Electrical Stimulation,NMES)系统。NMES的工作原理是利用神经细胞的电兴奋性,通过脉冲电流刺激支配肌肉的神经,从而使肌肉收缩。系统由干电池供电,降压和升压电路采用高效的方案从而来降低功耗,以STM32F4单片机为主控芯片,产生用于控制刺激强度的DAC信号,以及复用开关的控制信号,经过由复用开关、恒流源、H桥组成的复用恒流源电路,产生分时的电流刺激,从而有效降低系统功耗和设备体积。

基于接收侧变结构补偿的恒流恒压无线充电系统

随着无线电能传输技术快速发展,磁耦合式无线充电技术被广泛应用在锂电池充电领域.为进一步提升无线充电系统的安全性与充电效率,在串联串联(series-series,S-S)型补偿网络的基础上设计一种基于接收侧π/T型变结构补偿网络的恒流恒压无线充电系统.利用等效电路分别建立恒流和恒压充电的模型,通过附加的电容电感和开关改变接收侧拓扑结构,实现无线充电系统输出稳定的电流电压.该结构无需原边和副边复杂的控制和通信,几乎没有无功功率输出.通过DSP控制器作为恒流恒压输出的切换控制器.最后通过仿真和实验验证了基于接收侧π/T型变结构补偿网络恒流恒压输出特性和参数设计的准确性.

重频速射电磁发射用混合储能系统控制策略

面向重频快速电磁发射的应用需求,针对其对混合储能系统初级储能向次级储能超高频率充电的难题,提出了一种基于“超级电容-脉冲电容”的新型混合储能系统,与现有“蓄电池-脉冲电容”混合储能相比,该系统具有快速充电和长寿命的优势。首先,在介绍该储能系统基本电路结构和原理的基础上,结合时序串联充电方式推导了其内部能量转移过程的理论模型;然后,基于Matlab仿真平台搭建系统仿真模型,给出了时序串联充电控制策略,以及充电电压和电流波形,并定量分析了回路阻抗对充电波形的影响。仿真结果表明:所提出的基于“超级电容-脉冲电容”的混合储能系统可实现数十发/分的射速,可为重频速射电磁发射的应用提供有效的能源供给方案,且该混合储能系统基于时序串联控制可实现对电磁发射脉冲电源电压的精准控制。

抗偏移混合拓扑恒流无线充电系统研究

针对电动汽车无线充电系统因偏移导致充电效率降低的实际问题,提出一种新型强抗偏移的恒流无线充电系统。首先,在磁耦合设计上,引入DDQD大解耦线圈有效减缓X、Y两方向偏移耦合系数衰减,通过与DDQ线圈的对比体现所提出的DDQD线圈在抗偏移方面的优越性。然后,在补偿拓扑设计上,通过DDQD线圈将随耦合系数呈不同变化趋势的LCC拓扑和LC拓扑进行串联,使输出功率变化平缓,进一步提高了系统的抗偏移能力,并且使系统具有恒流输出特性。最后,通过仿真实验验证了该方案的有效性,在磁耦合机构发生偏移时,减缓了无线充电系统的线圈耦合系数和传输效率的下降程度,具有一定的现实意义。

钒电池电堆和电解液适配性研究

钒电池作为一种清洁、高效的储能装置,发展潜力巨大,其中电堆、电解液是钒电池最重要的组成部分,直接关系到钒电池直流侧能量转化效率。但是目前市场上的钒电池电堆、电解液种类多、差异化大,造成部分钒电池储能项目能量转化效率性能不理想。通过对市场上成熟的电堆、电解液产品进行适配性测试,在额定恒功率模式、80%额定恒功率模式、140 mA/cm^(2)电流密度恒电流模式、170 mA/cm2电流密度恒电流模式四种充放电测试模式下进行分析,匹配出最佳的钒电池电堆、电解液组合,为电池电堆与电解液适配性研究提供参考。