在线监测无线电能传输系统的频率跟踪控制方法

摘要

在线监测无线电能传输系统的频率跟踪控制方法，频率跟踪的具体步骤为：Step1、谐振变换电路输出电压从正变负时发射端电流,通过采样电阻转化为电压信号；Step2、转化后的电压信号经过放大电路和限幅电路后将进行输入锁相环PLL，求取多周期的采样平均值；Step3、将多周期的采样平均值与零电流参考采样值比较，通过频率跟踪策略调节PWM输出频率，控制逆变电路产生信号输入发射端直至达到谐振。自适应频率跟踪控制策略，进而保证传输的能量具有比较高的质量和效率，改进的锁相环解决了传统锁相环锁相时间和锁相精确度之间的矛盾，自适应模值全数字锁相环对发射线圈的电流进行实时快速跟踪。

说明书

技术领域

本发明涉及发电机故障检测领域，具体涉及一种在线监测无线电能传输系统的频率跟踪控制方法。

背景技术

对于磁耦合谐振式无线电能传输系统来说，能否充分利用电网容量的核心在于“谐振”，即交流电源的频率是否与发射和接收电路的固有频率相同。为了维持系统的激励源频率与系统电路的固有频率相同，使得系统能够在最大效率点附近传输最大功率，就要求实现频率跟踪。谐振频率对于磁耦合谐振式无线传能装置是至关重要的一个参数，由于磁耦合谐振式无线传能的硬件装置随着温度、环境、元件的老化等因素会导致其谐振频率发生漂移。而谐振频率的漂移将会导致谐振变换器的工作效率降低，甚至会损坏换能器元件。为了使系统输出功率最大损耗最小，应使系统工作在谐振状态下，因此有必要寻求一种能够自动跟踪谐振频率的处理方法，这对谐振变换高效稳定的运行具有重要的现实意义。

目前常用的频率跟踪方法有：人工调节频率、声跟踪、电跟踪和锁相式频率自动跟踪。前三种实现方法都比较简单，但他们各自有明显的缺点：人工调节频率不能实现实时跟踪，同时频率的调节需要人工干预；电跟踪和声跟踪都是采用反馈的方式来实现频率跟踪，反馈信号的强度很难控制，常会因谐振变换器参数的变化而变化。使用锁相环PLL的频率跟踪方法使得电路简单跟踪性能得到很好的改善。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在线监测无线电能传输系统的频率跟踪控制方法，提出了一种以电压换向点处发射端的电流采样平均值作为调节依据的频率跟踪策略，使系统在发射端形成控制闭环对谐振频率进行跟踪，实现电流电压接近同相位，从而提高系统的功率因数，增大传输功率。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

在线监测无线电能传输系统的频率跟踪控制方法，频率跟踪的具体步骤为：Step1、谐振变换电路输出电压从正变负时发射端电流I

Step2、转化后的电压信号经过放大电路和限幅电路后将进行输入锁相环PLL，求取多周期的采样平均值I

Step3、将多周期的采样平均值I

上述的Step3的频率跟踪策略为：

Step3.1、首先，定义发射端电流I

Step3.2、对于一次调节过程，若|I

Step3.3、当发送端电压由正变负时，若I

Step3.4、当发送端电压由正变负时，若I

上述的Step3.3和Step3.4中，Δf采用定步长的频率跟踪策略，具体为：

确定调节步长Δf后，假设系统谐振频率为f

上述的无线电能传输系统的频率跟踪控制结构为：

发射端采样电流输入到采样电阻，采样电阻将信号经过放大电路和限幅电路传送给锁相环PLL，锁相环PLL的输出端连接自适应滞环度计算器，然后再经滞环控制器和门逻辑控制器生成控制信号对输入端的PWM进行调节控制。

上述的锁相环PLL的结构为：

锁相环PLL的输入端信号分别与测频器和数字鉴相器连接，数字鉴相器经过判别信号后输出端分别与自适应控制器和数字环路滤波器连接，自适应控制器还接收测频器和累加器的信号，数字环路滤波器的输出端连接累加器，累加器输出端连接可变模分频器。

本发明提供的一种在线监测无线电能传输系统的频率跟踪控制方法，具有如下有益效果：

1、频率跟踪控制运行速度是单片机无法匹敌的。频率跟踪控制利用内部集成的锁项环将外部晶振时钟倍频，使其核心工作频率可以上升到几百兆，单片机不具备这些，因此运行速度要低的多，在一般需求高频运行的环境中，单片机是不能使用的；

2、频率跟踪控制的程序可以实现并行运行，单片机只能串行运行，当处理比较复杂的程序时如突发事件，频率跟踪控制的程序可以通过不同的逻辑单元并行运行，而单片机只有调用中断服务程序，增大了单片机的运行成本。能够并行运行的频率跟踪控制可以同时处理多个任务，提高了系统的工作效率；

3、频率跟踪控制板板载引脚多，可以实现大规模的系统应用，而且方便与外设连接。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明频率跟踪结构图；

图2为本发明锁相环结构图；

图3为本发明频率跟踪控制策略流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

如图1-3中所示，在线监测无线电能传输系统的频率跟踪控制方法，频率跟踪的具体步骤为：

Step1、谐振变换电路输出电压从正变负时发射端电流I

Step2、转化后的电压信号经过放大电路和限幅电路后将进行输入锁相环PLL，求取多周期的采样平均值I

Step3、将多周期的采样平均值I

上述的Step3的频率跟踪策略为：

Step3.1、首先，定义发射端电流I

Step3.2、对于一次调节过程，若|I

Step3.3、当发送端电压由正变负时，若I

Step3.4、当发送端电压由正变负时，若I

上述的Step3.3和Step3.4中，Δf采用定步长的频率跟踪策略，具体为：

确定调节步长Δf后，假设系统谐振频率为f

上述的无线电能传输系统的频率跟踪控制结构为：

发射端采样电流输入到采样电阻，采样电阻将信号经过放大电路和限幅电路传送给锁相环PLL，锁相环PLL的输出端连接自适应滞环度计算器，然后再经滞环控制器和门逻辑控制器生成控制信号对输入端的PWM进行调节控制。

上述的锁相环PLL的结构为：

锁相环PLL的输入端信号分别与测频器和数字鉴相器连接，数字鉴相器经过判别信号后输出端分别与自适应控制器和数字环路滤波器连接，自适应控制器还接收测频器和累加器的信号，数字环路滤波器的输出端连接累加器，累加器输出端连接可变模分频器。

锁相环PLL工作原理为：PLL主要由数字鉴相器、环路滤波器、累加器、可变模分频器、测频器以及自适应控制器构成，其结构如图2所示

数字鉴相器采用双D触发型鉴相器，通过对输入信号U

数字环路滤波器具有比例积分调节作用，其工作过程为：首先将数字鉴相器输出的超前或滞后信号通过系统时钟尺调制成脉冲序列；然后比例和积分环节分别以参数k

为了确保系统在运行期间始终维系在规定的谐振频率范围之内，设计工作选择应用自适应频率跟踪控制策略，进而保证传输的能量具有比较高的质量和效率，为了解决传统锁相环锁相时间和锁相精确度之间的矛盾，改进了传统的锁相环，提出了一种自适应模值全数字锁相环对发射线圈的电流进行实时快速跟踪。

通过自适应频率跟踪控制策略来实现调节PWM波输出的频率，时刻保持了系统激励源与系统频率相同，提高了系统的传输效率，同时也提高系统传输电能质量。