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π-S谐振型ECPT系统建模及其准滑模控制

【作 者】杨仁峰

【摘 要】无线电能传输技术(Wireless Power Transmission Technique)是近年兴起的一种电源与用电设备间非物理接触的电能接入技术。ICPT(Inductive Coupled Power Transfer)和ECPT(Electrical-field Coupled Power Transfer)作为其主要的传输方式,备受广大科技工作者青睐。
ECPT系统利用电场耦合实现能量传输,其系统轻便小巧,且不受金属等物 体影响,可以很好的弥补ICPT系统的不足。电场耦合属于松耦合,其耦合系数M C较小,ECPT系统需要较高的工作频率来增大系统的传输功率和传输效率。较高的工作频率增大了系统主电路寄生参数的敏感性和主电路设计难度。目 前,ECPT系统电能变换网络主要采用 E类放大器和推挽式的形式,较高的工作频率使得全桥和半桥逆变器的动力学行为表现较差。为了深入了解 ECPT系统的传输特性,推广ECPT传输技术的应用,本文以π-S型ECPT系统为研究对象,主要从以下几个方面研究ECPT系统:
①分析π-S型ECPT系统的驱动电路和主电路高频寄生参数特性,采取电磁隔离的方式实现数字信号和主电路模拟信号隔离,并采用改进型放电电阻吸收电路降低主电路寄生参数对系统动力学行为特性的影响。
②分析系统的谐振网络的补偿电感位置特性、电压放大特性和系统电压增益特性,得出系统软开关工作的边界条件,搭建系统仿真模型进行仿真验证,并得出系统的参数设计方法和软开关实现方法。
③用GSSA建模方法把时域内非线性的ECPT系统通过傅里叶级数分解为频域内的线性广义状态空间平均模型,并通过搭建系统仿真模型进行了有效性认证。
④在用GSSA建模方法建立系统广义状态空间平均模型的基础上,采用准滑模变结构控制方法,求解系统的切换函数和控制律,设计系统的准滑模控制器,由 BUCK控制电路占空比取值在0到1的临界条件求解系统的准滑动模态区。通过搭建系统拓扑仿真模型的方式,验证滑模控制器的有效性和鲁棒稳定性,并搭建系 统实验平台,实现系统负载输出电压变载无静差稳压的准滑模控制。

【关键词】高频寄生参数;ECPT系统;准滑模控制;无线电能传输;电场耦合

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