线圈位置偏移下的感应耦合电能传输系统建模与鲁棒控制研究

摘要

感应耦合电能传输（Inductively Coupled Power Transfer，ICPT）技术是一种基于电磁感应耦合原理的无线电能传输方式。ICPT 技术利用磁场作为媒介，由于摆脱了传统导线的“束缚”，实现了电气设备灵活、安全地非接触供电，因此受到国内外学者的广泛关注和研究。目前，对ICPT技术的研究已经取得了丰硕的理论研究成果，并且其产业化进程也较为迅速，在电动汽车充电等领域取得了广泛的应用。 ICPT 系统是由高频逆变电路、原边谐振电路、副边谐振电路、电磁耦合机构、整流电路、滤波电路和负载等多个环节组成的混杂系统，所以ICPT系统呈现出高阶性、非线性特性，其对系统内部参数变化、外部干扰非常敏感。对于ICPT系统而言，由于其原副边线圈是相互分开独立的，因此线圈偏移是很常见的一种现象，而当ICPT系统发生原副边线圈的位置偏移时，会导致系统的互感系数漂移，以至于系统的总阻抗、输出功率等参数发生改变。因此，线圈位置偏移条件下的ICPT系统特性分析是一个重要的研究领域。 为实现ICPT系统在线圈位置偏移条件下具有稳定的输出，需要对ICPT系统进行闭环反馈控制。基于ICPT系统是一种具有高阶、非线性及不确定性等复杂动力学行为的系统，为了在外部扰动及线圈位置偏移影响下获得稳定的输出功率，本论文引入了μ控制方法。 首先，介绍了本论文的研究背景，简要介绍了ICPT系统结构和原理，对ICPT系统线圈位置偏移问题、ICPT系统建模方法、ICPT系统控制方法的研究现状做出了详细分析。 接着，研究了线圈位置偏移对整个 ICPT 系统的影响，分析了 S-P 型 ICPT系统的线圈位置偏移特性，研究表明：S-P型ICPT系统对系统线圈位置偏移具有高度的敏感性，因此，对发生线圈位置偏移的系统进行鲁棒控制是十分必要的。 再接着，为研究在线圈位置偏移引起的耦合系数摄动下的ICPT系统的内部动力学行为特征，同时为控制器的设计打下基础，利用GSSA建模方法建立了在耦合系数摄动情况下的S-P型ICPT系统的广义状态空间平均模型，并验证了模型的准确性。 然后，基于GSSA模型，设计了基于μ控制器的ICPT闭环控制系统，此闭环控制系统能够在耦合系数摄动和外部干扰情况下获得鲁棒稳定性和鲁棒性能。为了在实际工程中实现μ控制器，对控制器进行了降阶和离散化处理，并重新验证闭环控制系统的鲁棒稳定性和鲁棒性能。 最后，通过仿真软件和实验平台，搭建基于μ控制器的S-P型闭环ICPT系统，分析了在闭环系统在参考信号变化、耦合系数摄动以及外部干扰情况下维持稳定工作的性能。实验结果表明：本论文设计的基于μ控制器的闭环控制系统能够在线圈位置偏移的情况下获得理想的控制效果。

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