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行能量傳輸，已成功應用于各種工業設備中。隨著研究的深入和實際工作的需要，在某些環境中，需要實現對不同負載供電，這種工作模式下隨著負載的變化，整個系統的總體等效負載電阻也是實時變化的，這種負載的變化容易造成系統的失諧和輸出電壓的不穩定[1-2]，導致輸出電壓質量下降，在需要輸出恒定電壓的場合會產生不期望的特性。
已經提出的控制拾取端電壓穩恒性的方法中參考文獻[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體開關器件，流入負載的平均電流能夠保證負載電壓的恒定，但是這種方法開關損耗大，使得整個系統的效率降低。參考文獻[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載情況下可以實現，但對于多負載接收端的系統，無法實現一對一的控制。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。通過投切電容實現拾取系統的諧振，當電路參數發生變化時，比較設定值與反饋值，將差值與差值變化率作為輸入，運用模糊控制輸出投切電容值。本文通過仿真發現負載變化時拾取端仍能保持輸出穩壓，可以在一些精度要求不高的場合及小功率設備中使用。
1 電路工作原理
圖1中根據初、次級回路電容補償方式的不同[6]，本文以串并拓撲結構為研究對象。在原邊部分逆變網絡采用頻率倍增電路[7]， S1～S8順序開通，開關頻率為逆變的輸出波形頻率的1/4，減少了單管的開關損耗。次級端為一電容陣列，將負載電壓與給定的差值進行模糊處理轉換成開關序列，通過切換等效電容使系統達到諧振狀態，為負載提供一個穩定的輸出電壓。
2 負載端電壓與補償電容值關系
為得出負載端電壓與等效補償電容值之間的關系，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絡。
感應電動勢可表示為：
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，當系統因環境或負載擾動而導致失諧時，通過改變等效電容Cequ的值調整輸出電壓為恒定的諧振電壓值。從而達到調諧與恒壓控制的目的。
3 基于電容陣列的穩壓調諧控制
3.1 電容陣列工作原理
圖3為電容陣列結構示意圖，電容陣列由兩個相同的單元構成，且每個單元分別有5個大小相同的電容及4個開關管組成。由于系統工作頻率較高，且開關管的開關損耗與頻率成正比，電容陣列的控制原則是每時刻只允許一個或兩個開關管導通，且開關對(S1、S2)與(S5、S6)不能同時導通。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的開關序列在表1中給出。
設第一單元的電容值為C1，單元2的電容值為C2，且滿足關系式(6)：
通過如圖4所示的α、β及組數x的三維關系，可以清晰、直觀地得到其變化規律。
從圖4中可以看出當α值增大時對應的β值的線性度越低，且Cequ的調節精度也降低。當α=3時，圖形的平滑性最好，即α值的線性度最高，對應的變化范圍為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，根據等效電容值確定開關管的開關。
(1)隸屬函數的建立
首先將輸入輸出語言變量進行模糊化，如表2所示，設定誤差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的論域為[-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的模糊子集確定為5個：NB、NS、ZE、PS、PB，分別表示負大、負小、零、正小、正大。各語言變量模糊子集通過隸屬度函數來定義。
(2)模糊控制決策方法
實際控制系統需要的是一個確切的等效電容值，采用重心法的反模糊化運算就可得到輸出等效電容值與隸屬度函數的關系，如式：
其中，u表示反模糊化輸出結果，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，相應的隸屬函數值。由等效電容值根據表1即可查詢對應的開關序列，進而控制電容陣列中的開關管。
4 Simulink仿真及參數的調整
4.1 穩壓控制仿真模型搭建
在Simulink模塊中構建次級線圈的穩壓控制模型如圖6所示，圖7為模糊控制仿真模型。
4.2 仿真結果分析
圖8為基于次級線圈的穩壓控制仿真圖。
由仿真波形可以看出圖8（b）中R=3.5 Ω時負載輸出電壓不足，為7 V左右，圖8（a）中R=5 Ω時負載電壓值超過設定值8 V，模糊控制根據電壓誤差與變化率確定輸出投切電容值，最終使得負載電壓穩定在恒定值8 V。圖8（c）中，在阻抗匹配下負載為最佳負載，此時輸出電壓穩定在8 V，當t=0.2 s時負載發生變化經投切電容調節，在t=0.5 s時電壓重新回到系統穩定值8 V。圖8（d）中，與圖（c）相同，初始狀態為最佳阻抗匹配時的負載值，電壓穩定在8 V，在t=0.1 s時負載發生變化，經電容調節至設定值8 V，t=0.3 s時負載再次發生變化，經模糊控制的電容陣列進行調節，系統經0.2 s重新進入穩定狀態，達到電壓設定值。
5 結論
本文使用模糊控制算法，通過對電容陣列的控制來實現無線電能傳輸拾取端輸出電壓的控制。通過對負載切換進行仿真，結果很好的表明了運用模糊控制可以有效的將輸出電壓控制在設定值，有一定的理論意義與實用價值。
參考文獻
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