CIPT模糊恒压控制策略设计与分析

杨光，唐厚君，白亮宇

(上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240)

0 引言

模糊控制最大的优点是不依赖于被控对象精确数学模型，能够克服非线性参数的影响，对调节对象的参数变化具有较强的鲁棒性。而对于具有松耦合变压器的非接触电能传输系统，原副边磁性机构没有任何电气连接，通过互感耦合传输电能。在非接触电能传输系统运行过程中，原副边磁机构距离难免会受外界影响而变化，进而影响到互感值;负载切换与扰动也会影响到系统输出电压，而对于电动汽车充电系统，电压的稳定是非常重要与关键的。由于非接触电能传输系统的非线性、时变性以及不确定性，很难建立精确的数学模型，而传统的PID控制对对象传递函数模型及参数有很强的依赖性。因此，本文提出了采用模糊控制的算法，解决了由于CIPT系统磁机构距离和负载变化导致输出电压变化的问题，使系统输出电压恒定。同时又克服了传统PID控制对数学模型的依赖。最后对基于模糊控制算法的系统进行了仿真和试验。

图1 基于模糊控制的CIPT系统原理图

图2 是初级H桥4个开关的 PWM控制信号[5]。在周期 T不变的情况下，通过改变占空比α的大小来调节次级回路的输出电压值。

1 原理分析

基于模糊控制策略[1]的CIPT系统[2]结构如图1所示。控制系统由CIPT主电路、直流输出电压检测电路、模糊控制电路、PWM调制器[3]、驱动放大电路等组成。模糊控制器与模糊算法、PWM调制算法等由 TMS320F2812型 DSP[4]中央处理器为核心的控制器构成。

图2 PWM控制信号

如图 3所示，周期T不变，当占空比α=0.5 T时，次级回路的输出电压值最高。当α趋向0或者 T时，次级回路的输出电压值逐渐降至0伏。

图3 占空比和次级回路输出电压的关系

2 模糊控制方法

模糊控制是以模糊数学[6]为基础，以模糊集理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础，以模糊集合表示变量，由模糊逻辑运算进行推理判决的一种智能控制方法[7]。模糊控制系统的是模糊控制器，由以下三部分组成:

① 模糊化 利用口语化变量来描述测量到的电压偏差[8]。

② 模糊推理 根据模糊控制规则库，应用模糊推理方法得到模糊控制器的模糊输出值。

③ 解模糊化 将模糊输出值转化为可以直接作用于控制对象的精确控制量。

常规模糊控制器总是选用被控对象的输出变量的偏差值e和偏差变化率de作为输入变量，而把解模糊化得到的精确控制量作为输出。在本章中，控制系统通过实时采集CIPT系统的直流输出电压u0(k)，由式(1)获得第k个采样周期的直流输出电压误差量e(k)及相应的误差微分量de(k)。

设输出电压误差量为 e，误差变化率为 de，输出控制量为 u。将 e，de，u 量化为五个语言值:反向大(NB)，反向小(NS)，零(ZO)，正向小(PS)，正向大(PB)。e的模糊集为{PB，ZO，NB}，de的模糊集为{PB，ZO，NB}，u 的模糊集为{PB，NS，ZO，PS，NB}。专家知识的推理规则为:IF(e=第一列中相应元素，de=第一行中相应元素)，THEN(u=表格中对应元素)

表1 模糊推理规则表

采用三角形模糊集合作为隶属度函数，误差e，误差变化率de和输出控制量为u的输入隶属函数分别如图4和图5所示。

当e·de＜0或e=0且de≠0时，即 ZO时，模糊控制器处于保持控制模态，即u(e，de)=u0，维持占空比不变;

当e·de＞0时，根据误差e的大小进行相应的模糊控制，使得误差e→0，及达到恒压控制的目的。

基于上述思路，接下来介绍解模糊化的方法。假设，eL为保持阶段与微调阶段边界值，eH为微调阶段与粗调阶段边界值，eM为模糊控制器可以调节的最大误差，u0为模糊控制器前一状态输出。

(1)保持阶段

(3)粗调阶段

其中α为比例系数。

由于不同工况下，系统的电气特性不同，对系统调节时间的要求也不同，因此上述各边界值及系数值，要根据设计者的经验反复调节设定。

3 实验结果

图6和图8为原副边磁机构从10 mm突变到5 mm时，输出电压波形和原边回路电流。图7和图9为原副边磁机构从5 mm突变到10 mm时，输出电压波形和原边回路电流。

图8 原边回路电流波形(距离减小)

图9 原边回路电流波形(距离增大)

4 结束语

从实验波形可以看出，在原副边耦合磁机构距离从10 mm突变5 mm过程中，输出电压经历了5 V的超调过程，经历了40 ms的调节过程进入稳态;在原副边耦合磁机构距离从5 mm突变10 mm过程中，输出电压经历了5 V的超调过程，经过50 ms进入稳态。在两次耦合距离突变过程中，输出电压均被控制到给定电压12 V，稳态精度控制在0.3 V以内。由以上分析可知，基于模糊控制的恒压调节策略，可以在磁机构距离突变的条件下，达到恒压的目的。实验验证了该控制策略的有效性和理论分析的正确性。

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