0 引言

　　非接觸電能傳輸是利用初級與次級線圈之間的磁場耦合進(jìn)行能量傳輸，已成功應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備中。隨著研究的深入和實(shí)際工作的需要，在某些環(huán)境中，需要實(shí)現(xiàn)對不同負(fù)載供電，這種工作模式下隨著負(fù)載的變化，整個(gè)系統(tǒng)的總體等效負(fù)載電阻也是實(shí)時(shí)變化的，這種負(fù)載的變化容易造成系統(tǒng)的失諧和輸出電壓的不穩(wěn)定[1-2]，導(dǎo)致輸出電壓質(zhì)量下降，在需要輸出恒定電壓的場合會產(chǎn)生不期望的特性。

　　已經(jīng)提出的控制拾取端電壓穩(wěn)恒性的方法中參考文獻(xiàn)[3]的短路控制原則類似于升壓控制器，通過PWM控制輸出電壓并作為反饋信號控制半導(dǎo)體開關(guān)器件，流入負(fù)載的平均電流能夠保證負(fù)載電壓的恒定，但是這種方法開關(guān)損耗大，使得整個(gè)系統(tǒng)的效率降低。參考文獻(xiàn)[4]的原邊主動控制方法通過控制初級線圈輸入電壓的幅值大小來控制輸出電壓，此種控制方法在單負(fù)載情況下可以實(shí)現(xiàn)，但對于多負(fù)載接收端的系統(tǒng)，無法實(shí)現(xiàn)一對一的控制。基于此本文提出了一種基于電容陣列[5]的輸出電壓控制方法。通過投切電容實(shí)現(xiàn)拾取系統(tǒng)的諧振，當(dāng)電路參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，比較設(shè)定值與反饋值，將差值與差值變化率作為輸入，運(yùn)用模糊控制輸出投切電容值。本文通過仿真發(fā)現(xiàn)負(fù)載變化時(shí)拾取端仍能保持輸出穩(wěn)壓，可以在一些精度要求不高的場合及小功率設(shè)備中使用。

1 電路工作原理

　　圖1中根據(jù)初、次級回路電容補(bǔ)償方式的不同[6]，本文以串并拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為研究對象。在原邊部分逆變網(wǎng)絡(luò)采用頻率倍增電路[7]， S1～S8順序開通，開關(guān)頻率為逆變的輸出波形頻率的1/4，減少了單管的開關(guān)損耗。次級端為一電容陣列，將負(fù)載電壓與給定的差值進(jìn)行模糊處理轉(zhuǎn)換成開關(guān)序列，通過切換等效電容使系統(tǒng)達(dá)到諧振狀態(tài)，為負(fù)載提供一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓。

　　2 負(fù)載端電壓與補(bǔ)償電容值關(guān)系

　　為得出負(fù)載端電壓與等效補(bǔ)償電容值之間的關(guān)系，使用戴維寧等效電路模型，如圖2所示。

　　圖2中Vs為初級線圈電流在次級線圈的感應(yīng)電動勢，Uoc為戴維寧等效電路的開路電壓，Zequ為將RL支路斷開后的等效阻抗，對于全橋整流濾波網(wǎng)絡(luò)。

　　感應(yīng)電動勢可表示為：

　　從式(5)可以看出，拾取端電壓的恒定與等效電容值和頻率有關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)因環(huán)境或負(fù)載擾動而導(dǎo)致失諧時(shí)，通過改變等效電容Cequ的值調(diào)整輸出電壓為恒定的諧振電壓值。從而達(dá)到調(diào)諧與恒壓控制的目的。

3 基于電容陣列的穩(wěn)壓調(diào)諧控制

　　3.1 電容陣列工作原理

　　圖3為電容陣列結(jié)構(gòu)示意圖，電容陣列由兩個(gè)相同的單元構(gòu)成，且每個(gè)單元分別有5個(gè)大小相同的電容及4個(gè)開關(guān)管組成。由于系統(tǒng)工作頻率較高，且開關(guān)管的開關(guān)損耗與頻率成正比，電容陣列的控制原則是每時(shí)刻只允許一個(gè)或兩個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通，且開關(guān)對(S1、S2)與(S5、S6)不能同時(shí)導(dǎo)通。電容陣列可輸出29組不同的等效電容值，定義為Cequ。不同的等效電容值及對應(yīng)的開關(guān)序列在表1中給出。

　　設(shè)第一單元的電容值為C1，單元2的電容值為C2，且滿足關(guān)系式(6)：

　　通過如圖4所示的α、β及組數(shù)x的三維關(guān)系，可以清晰、直觀地得到其變化規(guī)律。

　　從圖4中可以看出當(dāng)α值增大時(shí)對應(yīng)的β值的線性度越低，且Cequ的調(diào)節(jié)精度也降低。當(dāng)α=3時(shí)，圖形的平滑性最好，即α值的線性度最高，對應(yīng)的變化范圍為0.33～9.15，可變范圍滿足工程需要。

　　3.2 基于模糊控制的電容陣列控制方法

　　圖5中將給定電壓值與反饋電壓值的誤差及其誤差變化率作為模糊控制的輸入語言變量，將等效電容值作為模糊控制的輸出語言變量，通過模糊控制算法得到ΔCp，根據(jù)等效電容值確定開關(guān)管的開關(guān)。

　　(1)隸屬函數(shù)的建立

　　首先將輸入輸出語言變量進(jìn)行模糊化，如表2所示，設(shè)定誤差e與誤差變化率de的論域均為[-6，-4，-2，0，

　　2，4，6]，控制輸出的ΔCp的論域?yàn)閇-0.99，0.99]，分別將e、de、ΔCp量化為7級，即[-3 -2 -1 0 1 2 3]。將輸入輸出語言變量論域內(nèi)的模糊子集確定為5個(gè)：NB、NS、ZE、PS、PB，分別表示負(fù)大、負(fù)小、零、正小、正大。各語言變量模糊子集通過隸屬度函數(shù)來定義。

　　(2)模糊控制決策方法

　　實(shí)際控制系統(tǒng)需要的是一個(gè)確切的等效電容值，采用重心法的反模糊化運(yùn)算就可得到輸出等效電容值與隸屬度函數(shù)的關(guān)系，如式：

　　其中，u表示反模糊化輸出結(jié)果，即控制輸出量等效電容值Cequ，Δuk表示每一控制量Uk的量化值，相應(yīng)的隸屬函數(shù)值。由等效電容值根據(jù)表1即可查詢對應(yīng)的開關(guān)序列，進(jìn)而控制電容陣列中的開關(guān)管。

　　4 Simulink仿真及參數(shù)的調(diào)整

　　4.1 穩(wěn)壓控制仿真模型搭建

　　在Simulink模塊中構(gòu)建次級線圈的穩(wěn)壓控制模型如圖6所示，圖7為模糊控制仿真模型。

　　4.2 仿真結(jié)果分析

　　圖8為基于次級線圈的穩(wěn)壓控制仿真圖。

　　由仿真波形可以看出圖8（b）中R=3.5 Ω時(shí)負(fù)載輸出電壓不足，為7 V左右，圖8（a）中R=5 Ω時(shí)負(fù)載電壓值超過設(shè)定值8 V，模糊控制根據(jù)電壓誤差與變化率確定輸出投切電容值，最終使得負(fù)載電壓穩(wěn)定在恒定值8 V。圖8（c）中，在阻抗匹配下負(fù)載為最佳負(fù)載，此時(shí)輸出電壓穩(wěn)定在8 V，當(dāng)t=0.2 s時(shí)負(fù)載發(fā)生變化經(jīng)投切電容調(diào)節(jié)，在t=0.5 s時(shí)電壓重新回到系統(tǒng)穩(wěn)定值8 V。圖8（d）中，與圖（c）相同，初始狀態(tài)為最佳阻抗匹配時(shí)的負(fù)載值，電壓穩(wěn)定在8 V，在t=0.1 s時(shí)負(fù)載發(fā)生變化，經(jīng)電容調(diào)節(jié)至設(shè)定值8 V，t=0.3 s時(shí)負(fù)載再次發(fā)生變化，經(jīng)模糊控制的電容陣列進(jìn)行調(diào)節(jié)，系統(tǒng)經(jīng)0.2 s重新進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，達(dá)到電壓設(shè)定值。

5 結(jié)論

　　本文使用模糊控制算法，通過對電容陣列的控制來實(shí)現(xiàn)無線電能傳輸拾取端輸出電壓的控制。通過對負(fù)載切換進(jìn)行仿真，結(jié)果很好的表明了運(yùn)用模糊控制可以有效的將輸出電壓控制在設(shè)定值，有一定的理論意義與實(shí)用價(jià)值。

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