无线电能传输高阶控制策略与工程实践

1. 项目概述：无线电能传输中的高阶控制策略

在电力电子领域，无线电能传输（WPT）系统正经历从实验室走向产业化的关键阶段。最近我在一个医疗设备无线供电项目中，遇到了传输效率随负载波动、抗偏移能力不足等典型问题。通过引入双边LCC补偿网络与移相控制组合方案，配合PI闭环调节，最终实现了92%的恒压传输效率，且横向偏移容忍度达到线圈直径的30%。这个方案后来还被扩展应用于AGV无线充电站，验证了其工程实用性。

2. 系统架构与核心原理

2.1 双边LCC补偿网络设计

LCC-LCC拓扑之所以成为中高功率WPT的首选，源于其独特的阻抗特性：

• 原边串联电容（Cp）与并联电感（Lp）构成电流源特性
• 副边对称结构确保零相角（ZPA）条件
• 具体参数计算公式：

  code复制Lp = L1 - 1/(ω²Cp)
  Ls = L2 - 1/(ω²Cs)
  

  其中ω=2πf，f为工作频率（通常85kHz-150kHz）

实际调试中发现：并联电感值需比理论值大5%-10%以补偿寄生参数影响

2.2 移相控制实现原理

采用全桥逆变器的移相控制（PSC）相比频率调制具有明显优势：

• 固定工作频率利于谐振网络优化
• 通过调节桥臂间相位差φ（0°-90°）控制功率
• 传输功率公式：

  code复制P = (8Vdc²ωM)/(π²X) * sin(φ)
  

  X为网络等效阻抗，M为线圈互感

3. 控制策略实现细节

3.1 PI电压闭环设计

在副边采用电压外环+电流内环的双环结构：

1. 电压采样经二阶低通滤波（截止频率1kHz）
2. PI参数整定经验：
   • Kp初始值取负载电阻的1/10
   • Ti设置为系统响应时间的1/3
3. 抗饱和处理采用动态限幅法

实测波形显示：加入PI控制后，5A负载阶跃下的电压跌落从12%降至3%

3.2 模型预测控制（MPC）扩展

在Matlab/Simulink中搭建的MPC模型包含：

• 预测时域Np=10
• 控制时域Nc=2
• 代价函数：

  code复制J = Σ(β1*ΔV² + β2*ΔI² + β3*φ²)
  

  权重系数β1:β2:β3建议取5:3:1

4. 关键实现问题与解决方案

4.1 线圈偏移补偿策略

通过实验建立的互感-偏移量数据库：

4.2 数字控制实现要点

基于STM32H743的实施方案：

1. PWM分辨率：216MHz/1080=200kHz
2. ADC采样与计算时序：
   • 电压采样窗口：2μs
   • PI计算耗时：5.3μs
   • 移相量更新周期：50μs

5. 实测性能对比

在1kW实验平台上获得的数据：

6. 工程应用建议

1. 线圈绕制工艺：

   • 利兹线规格建议：0.1mm×200股
   • 绕制张力控制在3-5N
   • 层间绝缘采用聚酰亚胺薄膜

2. 功率器件选型：

   • 推荐C3M0065090D SiC MOSFET
   • 栅极驱动电阻取值：

     code复制Rg = Qg/(Vdrive*Ciss*ln(2))
     

3. 电磁兼容处理：

   • 谐振电容组采用星型布局
   • 铝制屏蔽罩距离线圈≥15mm
   • 共模扼流圈电感量取1mH

在AGV充电站项目中，这套方案实现了±50mm的动态充电范围偏差容忍，且效率始终保持在90%以上。特别值得注意的是，当采用MPC控制时，系统对金属异物的检测响应时间缩短了40%，这得益于预测控制对参数变化的敏感性。