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基于相轨迹的Buck-IPT系统动态过程优化控制研究及实现

Research on Optimal Control for Dynamic Process of Buck-IPT System Based on State-Trajectory

【作 者】梁泽

【摘 要】

近年来随着人们的环境保护意识增强,电动汽车逐渐取代燃油车成为不可阻挡的社会发展趋势。感应电能传输(Inductive Power Transfer, IPT)技术可以使电动汽车的充电过程更加灵活、安全、美观,免除人工插拔充电枪动作,提高系统自动化程度,因此无线充电是电动汽车的理想充电方式。

本文的研究对象Buck-IPT系统,是电动汽车无线充电系统采用的典型拓扑结构之一。Buck-IPT系统整体呈高阶非线性,导致控制难度较大,其中动态过程对系统的安全稳定运行尤为关键。而相轨迹技术可以将系统状态变量的运动轨迹直观形象地展现在相图中,有助于分析系统动态响应的特点,设计和规划系统的运动轨迹。本文针对系统动态响应慢,启动过程用时较长,存在电流过冲等问题,使用并改进基于相轨迹规划的控制技术优化系统的动态过程。

本文主要研究工作如下:

系统前置Buck电路作为调节功率的主要环节,在动态过程中起着重要作用,所以本文首先以Buck电路这样的典型二阶系统作为研究对象,初步分析了运动轨迹方程,论述了确定最优开关切换点的方法,并结合滑模控制使系统快速进入稳态。针对负载切换问题,提出了一种截距补偿算法,使输出电压能快速回到稳态并保持不变。最后讨论了参数选取对动态性能的影响。

在此基础上,把IPT系统视为前级Buck电路的负载,将副边电路归算到原边,建立了Buck-IPT系统的三阶等效平均电路模型,进一步推导了运动轨迹方程,并研究了降阶求取最优开关切换点的方法。接着使用并改进了基于相轨迹的滑模控制方法优化系统的动态过程,可以通过调整滑模方程的斜率来限制电感电流过冲。对于负载扰动,改进了前文提出的截距补偿算法,通过控制原边恒流达到副边输出电压不变的目的,提高了控制方法的稳定性和鲁棒性。

在前级Buck电路输出达到稳定后,副边电路仍未进入稳态,本文据此提出了控制切换过程的概念,并给出了相应的解决方案:换用PID控制副边输出达到恒压或恒流状态,并对交错并联Buck电路进行均流控制。然后给出了软件功能模块图和整体控制流程图,并对关键的硬件电路设计进行了分析。

最后为了验证本文所述控制算法的可行性和有效性,使用MATLAB软件进行仿真,搭建实验平台进行实验,并对仿真和实验结果进行了分析。

【关键词】相轨迹规划,动态响应,时间最优控制,Buck-IPT系统,滑模控制

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