一種基于模糊反饋的非接觸電能傳輸穩(wěn)壓系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于模糊反饋的非接觸電能傳輸穩(wěn)壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括依次連接的原邊整流模塊、高頻逆變器模塊、非接觸電能耦合器模塊、副邊整流濾波模塊和非接觸模糊反饋及控制通道，原邊整流模塊的輸入可以是直流或交流電；當(dāng)該系統(tǒng)輸入電壓或負(fù)載變化導(dǎo)致輸出電壓變化時，通過在副邊采樣輸出電壓值，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到其與期望輸出的偏差，將這一偏差值模糊化為7個狀態(tài)，然后將這7個狀態(tài)用3位二進(jìn)制進(jìn)行編碼后，經(jīng)過非接觸數(shù)字耦合通道反饋至耦合器原邊，最后通過原邊模糊控制器的輸出調(diào)整逆變器控制電路PWM的占空比，最終使副邊輸出電壓始終保持穩(wěn)定。本系統(tǒng)的運用使得系統(tǒng)減少一級DC-DC變換環(huán)節(jié)，效率得到提高，反饋的數(shù)據(jù)量大大減少，穩(wěn)壓的響應(yīng)速度也得到提高。
【專利說明】
一種基于模糊反饋的非接觸電能傳輸穩(wěn)壓系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于非接觸電能傳輸領(lǐng)域，具體涉及一種基于模糊反饋的非接觸電能傳輸穩(wěn)壓系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]非接觸電能傳輸系統(tǒng)(ICPT)基于電磁感應(yīng)原理,實現(xiàn)了電能從靜止電源設(shè)備向移動負(fù)載設(shè)備的非接觸傳遞。非接觸電能傳輸技術(shù)可以為各類移動電氣設(shè)備、工作于水下及易燃易爆等特殊環(huán)境下的電氣設(shè)備提供可靠的電能供應(yīng)，具有綠色環(huán)保、免維護(hù)或少維護(hù)等優(yōu)點，已越來越受到人們的重視。
[0003]非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)用在石油鉆井系統(tǒng)中，可以在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的旋轉(zhuǎn)部分和固定部分之間傳輸電能，但是，當(dāng)輸入電壓變化時會使輸出電壓會變化；或者當(dāng)輸出負(fù)載變化時，副邊拾取端反射到原邊的反射阻抗發(fā)生變化，導(dǎo)致拾取電感中的感應(yīng)電動勢發(fā)生變化，從而使輸出電壓發(fā)生變化，系統(tǒng)無法輸出穩(wěn)定的電壓。
[0004]在這種情況下要保持輸出電壓恒定通常是在副邊輸出電壓端再接入一級DC-DC變換器，這會增加電能損耗，降低系統(tǒng)的傳輸效率。本發(fā)明公開一種從副邊引入反饋，通過非接觸耦合，將信號反饋到原邊的穩(wěn)壓方案。該方案可減少像前者一樣的不必要的電能損耗。但這種反饋通常需要反饋12位甚至16位A/D輸出的數(shù)字量，由于反饋的數(shù)字量位數(shù)較多，使穩(wěn)壓控制系統(tǒng)達(dá)不到快速的響應(yīng)。為克服這一缺點，本發(fā)明進(jìn)一步采用模糊反饋的方法，減少反饋的數(shù)字量位數(shù)至3位，以顯著提高響應(yīng)速度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]所要解決的技術(shù)問題:
為了解決上述問題，本發(fā)明提出一種提高效率和響應(yīng)速度的基于模糊反饋的非接觸電能傳輸穩(wěn)壓系統(tǒng)，可大大提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和電能傳輸效率。
[0006]技術(shù)方案:
為了實現(xiàn)以上功能，本發(fā)明提供了一種基于模糊反饋的非接觸電能傳輸穩(wěn)壓系統(tǒng)，包括依次連接的原邊整流模塊、高頻逆變器模塊、非接觸電能耦合器、副邊整流濾波模塊以及模糊非接觸反饋及控制通道，所述原邊整流模塊連接交流電或直流電；其特征在于:所述模糊非接觸反饋及控制通道包括從副邊到原邊依次連接的電壓采樣及A/D轉(zhuǎn)換器、調(diào)制器、非接觸數(shù)字耦合器、解調(diào)器、模糊控制器，采用模糊反饋控制方法，具體控制過程如下:第一步，在所述整流濾波模塊的輸出端連接電壓采樣及A/D轉(zhuǎn)換器，采集電壓值并數(shù)字化，與設(shè)定值比較后得到整流濾波模塊的輸出端電壓實際值與設(shè)定值的偏差；
第二步，將整流濾波模塊的輸出端電壓值的偏差通過模糊控制方法模糊化為7個狀態(tài)，并對這7個狀態(tài)用3位二進(jìn)制編碼表示；
第三步，將所述二進(jìn)制編碼調(diào)制后，經(jīng)由非接觸數(shù)字耦合器傳輸至非接觸電能傳輸穩(wěn)壓系統(tǒng)的原邊； 第四步，對第三步的信號進(jìn)行解調(diào)，還原為3位二進(jìn)制表示的模糊量；
第五步，在原邊的模糊控制器根據(jù)反饋過來的模糊量，按照制定的模糊控制規(guī)則，得到調(diào)節(jié)高頻逆變器的占空比數(shù)值，實時調(diào)節(jié)占空比，使整個基于模糊反饋的非接觸電能傳輸穩(wěn)壓系統(tǒng)的輸出電壓保持穩(wěn)定。
[0007]所述高頻逆變器模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為全橋逆變電路，開關(guān)器件為M0SFET，其門控端的信號為占空比可調(diào)的PWM信號。
[0008]步驟二中所述的將負(fù)載電壓的偏差通過模糊控制方法模糊化為7個狀態(tài)具體步驟為:設(shè)定負(fù)載電壓偏差e的基本論域及其模糊量的模糊論域E，得到模糊量化因子為ke ；設(shè)定PWM占空比調(diào)節(jié)量u的基本論域及其模糊量的模糊論域U,得到量化比例因子ku ;E、U的模糊集取?個并表示為:NB負(fù)大，NM負(fù)中，NS負(fù)小，ZO零，PS正小，PM正中，PB正大。
[0009]所述非接觸耦合器模塊與控制電路非接觸耦合器模塊共用同一對線圈或者分別采用不同線圈。
[0010]步驟二中所述的編碼方法為頻移鍵控調(diào)制技術(shù)(FSK)。
[0011]有益效果:
當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電阻發(fā)生變化時，輸出電壓會發(fā)生變化，為了穩(wěn)定輸出電壓，本發(fā)明引入模糊邏輯的概念，將副邊輸出電壓測量并與給定值比較后，得到電壓偏差，將電壓偏差模糊化為7個狀態(tài)，并表示為:NB即負(fù)大，匪即負(fù)中，NS即負(fù)小，ZO即零，PS即正小，PM即正中，PB即正大，此7個狀態(tài)可用3位的二進(jìn)制編碼表示，將此編碼信號通過調(diào)制解調(diào)及非接觸數(shù)字耦合通道反饋回原邊，原邊根據(jù)反饋的這些模糊量，控制PWM的脈寬，實現(xiàn)副邊輸出電壓的調(diào)節(jié)。這種方式，使得反饋的數(shù)據(jù)量大大減少。如原先12位A/D，需要反饋12位數(shù)字量，現(xiàn)在可以縮減到3位，大大提高了反饋的響應(yīng)速度。同時，比額外增加一級DC-DC變換器的方法顯著提高了電能傳輸效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
圖2為本發(fā)明的控制過程示意圖。

【具體實施方式】
[0013]為表明本發(fā)明的效果，下面通過具體的實施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。但是，應(yīng)當(dāng)理解為，這些實施例僅僅是用于更詳細(xì)地解釋本發(fā)明，而不應(yīng)理解為用于限定本發(fā)明。
[0014]下面結(jié)合【專利附圖】

【附圖說明】本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)及工作原理。
[0015]圖1所示為系統(tǒng)框圖，交流電(也可直流電)經(jīng)原邊整流濾波模塊后，輸出直流電作為高頻逆變器模塊的電源，高頻逆變器模塊在PWM控制信號的作用下，輸出矩形波，經(jīng)過非接觸電能耦合器(包含諧振補償電路)，通過電磁感應(yīng)的方式將原邊電能耦合到副邊，副邊經(jīng)副邊整流濾波模塊變?yōu)橹绷骱蠊┙o負(fù)載。當(dāng)負(fù)載電阻波動或原邊輸入電壓變化時，副邊的輸出直流電壓將發(fā)生變化，采樣副邊的輸出電壓，將該電壓與期望電壓值比較后得到差值并模糊化，經(jīng)3位二進(jìn)制編碼后并調(diào)制后，通過非接觸數(shù)字耦合器反饋回原邊，通過模糊控制器的輸出調(diào)節(jié)逆變模塊的控制信號的占空比來最終維持輸出電壓的穩(wěn)定。
[0016]【具體實施方式】如圖2所示，該圖為所述的非接觸電源耦合器和非接觸數(shù)字耦合器共用一對耦合線圈的情況。將副邊負(fù)載電壓信號采集后，與給定值比較，得到電壓偏差，將其模糊化為7個狀態(tài)(NB，匪，NS，ZO，PS，PM，PB)里的一個，編碼為3位二進(jìn)制信號，分別為001,010,011,100，101，110，111。將此3位二進(jìn)制信號通過頻率調(diào)制技術(shù)(FSK)調(diào)制后傳輸?shù)脑吥：刂破鳌?br> [0017]再根據(jù)實際操作經(jīng)驗，結(jié)合系統(tǒng)的動靜態(tài)性能，事先設(shè)定好模糊控制規(guī)則。具體步驟為:設(shè)定電壓偏差e的基本論域及其模糊量的模糊論域E，得到模糊量化因子為ke ;設(shè)定PWM占空比調(diào)節(jié)量u的基本論域及其模糊量的模糊論域U，得到量化比例因子ku。E、U的模糊集取7個并表示為:NB即負(fù)大，NM即負(fù)中，NS即負(fù)小，ZO即零，PS即正小，PM即正中，PB即正大，隸屬度函數(shù)均取為三角形分布，量化值經(jīng)模糊語言變量隸屬度函數(shù)得到模糊量，根據(jù)系統(tǒng)的工作特點，建立相應(yīng)的模糊控制規(guī)則，確定控制規(guī)則的原則是保證控制器的輸出能夠使系統(tǒng)輸出響應(yīng)的動靜特性達(dá)到最佳。根據(jù)此時電壓偏差輸入所對應(yīng)的輸入模糊論中的相應(yīng)元素，查模糊控制規(guī)則查詢表求出模糊輸出量，解模糊后再乘以輸出量化比例因子即可得實際輸出量，用來調(diào)節(jié)PWM的占空比參數(shù)，如改變SG3525芯片的振蕩電阻和電容，從而讓PWM的占空比發(fā)生變化，最終達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。
[0018]本發(fā)明不局限于上述【具體實施方式】，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容，因此，凡是基于本發(fā)明的技術(shù)思路，做一些簡單的變化或更改的設(shè)計，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于模糊反饋的非接觸電能傳輸穩(wěn)壓系統(tǒng)，包括依次連接的原邊整流模塊、高頻逆變器模塊、非接觸電能耦合器、副邊整流濾波模塊以及模糊非接觸反饋及控制通道，所述原邊整流模塊連接交流電或直流電；其特征在于:所述模糊非接觸反饋及控制通道包括從副邊到原邊依次連接的電壓采樣及A/D轉(zhuǎn)換器、調(diào)制器、非接觸數(shù)字耦合器、解調(diào)器、模糊控制器，采用模糊反饋控制方法，具體控制過程如下: 第一步，在所述整流濾波模塊的輸出端連接電壓采樣及A/D轉(zhuǎn)換器，得到數(shù)字化的實際輸出電壓值，與設(shè)定值比較后得到整流濾波模塊的輸出端電壓實際值與設(shè)定值的偏差； 第二步，將整流濾波模塊的輸出端電壓實際值與設(shè)定值的偏差通過模糊控制方法模糊化為7個狀態(tài)，并對這7個狀態(tài)用3位二進(jìn)制編碼表示； 第三步，將所述二進(jìn)制編碼調(diào)制后，經(jīng)由非接觸數(shù)字耦合器傳輸至非接觸電能傳輸系統(tǒng)的原邊； 第四步，對第三步的信號進(jìn)行解調(diào)，還原為3位二進(jìn)制表示的模糊量； 第五步，在原邊的模糊控制器根據(jù)反饋過來的模糊量，按照制定的模糊控制規(guī)則，得到調(diào)節(jié)高頻逆變器的占空比數(shù)值，實時調(diào)節(jié)占空比，使整個基于模糊反饋的非接觸電能傳輸穩(wěn)壓系統(tǒng)的輸出電壓保持穩(wěn)定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模糊反饋的非接觸電能傳輸穩(wěn)壓系統(tǒng)，其特征在于:所述高頻逆變器模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為全橋逆變電路，開關(guān)器件為MOSFET，其門控端的信號為占空比可調(diào)的HVM信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于模糊反饋的非接觸電能傳輸穩(wěn)壓系統(tǒng)，其特征在于:步驟二中所述的將整流濾波模塊的輸出端電壓的偏差通過模糊控制方法模糊化為7個狀態(tài)具體步驟為:設(shè)定負(fù)載電壓偏差e的基本論域及其模糊量的模糊論域E，得到模糊量化因子為ke ;設(shè)定PWM占空比調(diào)節(jié)量u的基本論域及其模糊量的模糊論域U，得到量化比例因子ku ;E、U的模糊集取7個，并表示為:NB負(fù)大，NM負(fù)中，NS負(fù)小，Z0零，PS正小，PM正中，PB正大。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模糊反饋的非接觸電能傳輸穩(wěn)壓系統(tǒng)，其特征在于:所述非接觸電能耦合器模塊與非接觸數(shù)字耦合器模塊可共用同一對耦合線圈或者分別采用不同的耦合線圈。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模糊反饋的非接觸電能傳輸穩(wěn)壓系統(tǒng)，其特征在于:步驟二中所述的調(diào)制方法為頻移鍵控調(diào)制(FSK)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模糊反饋的非接觸電能傳輸穩(wěn)壓系統(tǒng)，其特征在于:第五步中所述的模糊控制規(guī)則的制定方法為:首先原邊的模糊控制器根據(jù)反饋過來的模糊量輸入模糊論中的相應(yīng)元素；其次根據(jù)模糊控制規(guī)則查詢表求出模糊輸出量，解模糊后再乘以輸出量化比例因子，得到控制PWM占空比的參數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模糊反饋的非接觸電能傳輸穩(wěn)壓系統(tǒng)，其特征在于:所述調(diào)制解調(diào)器采用鎖相環(huán)(PLL)和壓控振蕩器(VCO)。
【文檔編號】G05F1/12GK104281183SQ201410420240
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年8月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月25日
【發(fā)明者】陳仁文, 田莉, 夏樺康, 毛世杰, 潘超 申請人:南京航空航天大學(xué)