摘 要

无线电力传输是当今一个热门的话题和研究方向。在电能传输方面有着极高的应用价值。其中感应模式下的无线电力传输是通过高频率的磁场，以非接触的模式进行电能的转换和传递电能。非接触模式较传统的接触模式具有安全可靠，低成本，可以克服不利的环境因素等优点。近些年关于强磁耦合共振系统的无线电力传输研究越来越得到相关学术领域人士的关注。但由于其模式结构的复杂性，相关的研究较少。本文在翟渊等人关于强磁耦合共振系统参数识别及原边控制的研究基础上，加入了自抗扰控制的研究。以增强系统的抗干扰能力和输出信号的稳定性。文献中建立了一套由四个线圈组成的无线传输系统，并通过传统PID控制校正调节输出电压，以起到保持输出信号恒定的效果。而本文除此之外，将原强磁耦合系统中传统的PI控制器用自抗扰控制器进行代替。通过对比替换前和替换后的系统输出信号数据和图像，突出自抗扰控制器更好的校正和抗干扰功能。通过实验表明，自抗扰控制器较传统的PI控制器，有更好的校正能力和抗干扰能力。

关键词：无线传输 强磁耦合 自抗扰控制 PID控制 抗干扰

Abstract

Wireless power transmission is a hot topic and research field today. It has high application value in electric energy transmission. Among them, the inductive mode of wireless power transmission is through the high-frequency magnetic field, in a non-contact mode of electrical energy conversion and transmission of electrical energy. Compared with the traditional contact mode, the non-contact mode is safe, reliable and low cost. It can overcome the unfavorable environmental factors and so on. In recent years, the research on wireless power transmission in strongly coupled resonant systems has attracted more and more academic attention. But because of the complexity of the model structure, the related research is less.This thesis is based on the study of the parameter identification and the primary control of the strong magnetic coupling resonance system by Zhai Yuan et al, the study of ADRC is added. By comparing the output signals, data, and images before and after replacement of the system, ADRC has better correction and anti-interference function.

Key Words：Wireless transmission Strong magnetic coupling ADRC PID Anti-interference

目录

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 无线电能传输的相关概况 2

1.2.1 无线电能传输的发展历史 2

1.2.2 无线电力传输的应用 3

1.2.3 强磁耦合共振式无线电能传输概况 3

1.3 本文主要研究内容 3

1.3.1 研究的基本内容 3

1.3.2 拟采用的技术方案 4

1.3.3 研究期望达到的目的 6

第二章 传统PI控制下的强磁耦合共振系统 7

2.1 强磁耦合系统下输出电压公式推导 7

2.2 传统PI控制下的强磁耦合系统电路模块搭建 9

2.2.1 带PI控制的BUCK电路模块的设计 9

2.2.2 DC/AC 全桥逆变器电路模块设计 10

2.2.3 函数传递和整流电路模块设计 11

2.3 PI控制下的强磁耦合系统实验研究 12

2.3.1 仿真电路系统元件参数 12

2.3.2 仿真电路系统输出图形 13

第三章 自抗扰控制技术 16

3.1 自抗扰控制技术概述 16

3.2 自抗扰控制技术提出的背景 16

3.2.1现代控制理论的缺点和改进 16

3.2.2 PID控制的优缺点 16

3.3 自抗扰控制器的基本结构与算法 17

3.3.1 自抗扰控制器的基本结构 17

3.3.2 典型的二阶自抗扰控制器的算法 18

3.4 自抗扰控制技术的发展与应用 19

第四章 自抗扰控制下的强磁耦合共振系统 21

4.1 自抗扰控制器的设计 21

4.2 自抗扰控制下的强磁耦合系统实验研究 22

4.2.1 系统变量改变下的参数辨识 22

4.2.2 仿真电路系统输出图形 23

4.3 传统PID控制与自抗扰控制实验结果对比 25

第五章 总结与展望 28

参考文献 29

附录 30

致谢 33

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

无线传输技术近年来在能量传输领域是一个热门话题。在国内外都引起了广泛关注。这项技术在电力传输方面具有十分重大的意义。无线电力传输这项技术现阶段以感应模式为主。通过高频率的磁场打造供电仪器和用电仪器之中的能量传送通道，到达电力以非接触的方式传送的目的，这样就解决了以前接触模式在不良环境下运用的缺点，例如易燃易爆、高湿度、高腐蚀、高温度的情况。拥有可靠安全，无需后期维护的优点。2007年，由麻省理工学院提出的强磁耦合共振使无线电力传送在传送距离方面取得了新的突破。MIT通过强磁耦合共振原理，在两米的距离让一个电灯泡点亮，共振线圈之间的传送效率接近百分之四十。近年来对于强磁耦合共振无线模式下的电力无线传送的研究引起了国内外的广泛地关注和重视。

在强磁耦合共振无线电力传送系统中，因为加入了两个共振环节，导致整个系统的阶数增加，使电能的传送规律与以前的电磁感应方式不同。因为强磁耦合共振系统的结构比较复杂，有关强磁耦合共振系统下的参数识别和对原边的控制研究工作目前较少。本文在翟渊，孙跃，戴欣，苏玉刚，王智慧在电机与控制学报发表的强磁耦合共振系统参数辨识与原边控制一文的思路上，进行进一步的研究.在翟渊，孙跃等教授的论文中，为了可以通过原边对副边进行相关参数识别和控制，通过互感模型得到原边线圈电压和电流的相位，并以此来得到互感以及负载阻抗的大小^[1]。通过识别的相关参数得到输入电压跟输出电压的函数关系，据此构造Buck变换器调节输入电压，因为Buck变换器的输入输出可由原边的相关情况得到，所以不需构造其他的测量电路。因此,不需要构造其他测量电路。它降低成本,提高可靠性。

自抗扰控制器不仅继承了传统PID控制器误差反馈控制的策略，还在此基础上加以改进优化，以此发展演变而成。传统的PID控制器的控制信号是输入与输出的误差，所以会产生超调和响应速度的矛盾。自抗扰控制器主要由扩展状态观测器 (extended state observer) ，非线性状态误差反馈控制律(nonlinear state error feedback law)，跟踪微分器(tracking differentiator)三部分组成^[2]。扩展状态观测器的主要功能是消除各种外界干扰对被控对象的影响。扩展状态观测器通过建立一个扩展的状态量来跟踪系统内部未知部分与外部未知干扰的影响。并通过输出控制量消除此部分的误差。建立此状态观测器的目的就是用来测量扩展的状态变量，得到未知干扰和被控对象未建模部分，实现动态系统的反馈线性化。非线性误差反馈控制律主要用来构建对控制对象的控制方式。跟踪微分器主要通过创建一个过渡过程来输出相关的控制信号，可以消除超调性与响应速度之间的矛盾。

1.2 无线电能传输的相关概况

1.2.1 无线电能传输的发展历史

十九世纪末期，塞尔维亚裔美籍发明家特斯拉在电气和无线电技术方面做出了重大贡献，被称之为开创了电力时代的天才。