对于单级谐振WPT系统，根据原、副边补偿结构的串、并联形式，可以分为SS、SP、PS、PP型4种电路拓扑。而多拾取WPT系统是在原边不变基础上，副边加入多个拾取机构，实现给多个负载供能，或是叠加输出给较高功率需求的负载。本文以原边为并联谐振，副边为多个串联谐振电路(PS)型串联输出拓扑为例，研究系统输出电压控制策略。多拾取WPT系统原理如图 1所示。

图  1  多拾取WPT系统工作原理图

PS型WPT系统可分为原边部分和副边部分，原、副边通过高频磁场进行耦合以完成能量的传输。其中原边部分包括直流输入${E_{{\rm{dc}}}}$和直流电感${L_{\rm{d}}}$组成的电流源，高频逆变环节(${S_{\rm{1}}}$~${S_{\rm{4}}}$)以及串联谐振环节(${L_{\rm{P}}}$、${C_{\rm{P}}}$)。高频逆变将直流输入转换为高频方波电流输出，并联谐振环节主要用于将高频方波输入转换为高频正弦谐振电流，并在激磁线圈${L_{\rm{P}}}$周围产生高频磁场。而处于邻近空间中的拾取线圈L_sn将在高频磁场上产生感应电动势，并通过副边的串联谐振环节产生谐振以提高功率传输能力。高频整流、Buck调压及滤波环节主要用于将高频形式的能量转换为直流形式输出给负载${R_{\rm{L}}}$。副边部分为多个单级串联谐振的组合，每级输出正负串联，输出到负载的电压为多个拾取输出的总和。

为保证系统工作在软开关模式，减小逆变环节高频切换时开关损耗，高频逆变环节的切换方式控制为(${S_{\rm{1}}}$, ${S_{\rm{4}}}$)和(${S_{\rm{2}}}$, ${S_{\rm{3}}}$)进行互补驱动，并选择并联谐振网络的谐振电压${U_{{{\rm{C}}_{\rm{P}}}}}$作为切换状态，当${U_{{{\rm{C}}_{\rm{P}}}}}$过零时完成逆变切换，实现零电压开关(zero voltage switching, ZVS)软开关运行。

系统稳态运行时，原边发射线圈的谐振电流保持不变，拾取端的等效电路如图 2所示，此时原边的谐振电流有效值为${I_{\rm{P}}}$，则3个拾取端的电压为：

图  2  系统稳态时拾取等效模型

式中，ω=2πf为谐振角频率。

三路拾取电压经Buck调压电路分别输出响应占空比控制的电压，在完全谐振状态下，设定三路PWM控制信号的占空比分别为${D_1}$、${D_2}$、${D_3}$，对应的每路输出电压为：

三路Buck调压经正负串联输出，可得负载上的电压为：

由式(3)可知，通过调节三路Buck占空比，即可对输出电压进行相应的稳压输出控制。

为实现多拾取系统的综合控制，本文基于背包策略的思想，提出一种新型的多拾取WPT系统综合控制方法。该方法围绕给定的控制目标，通过对多拾取端进行综合优化，并综合考虑各拾取端的输出能力，实现以最小代价满足控制需求。

由式(3)可知通过独立调节三路Buck占空比，能实现输出电压的稳压控制。因三路拾取机构位置差异，拾取到的电压各不相同，根据三路电压霍尔采样结果判定支路的电压拾取能力，输出采用DSP控制器优化算法控制。

在控制步长设定情况下，三路Buck占空比同时调节可能使输出电压纹波较大，造成输出电压不稳定。在预设相同占空比条件下检测三路输出电压，可相应判断对应支路的拾取能力。优化算法控制步骤如下：

1) Buck电路预设占空比${D_1}$、${D_2}$、${D_3}$同为50%，对应支路拾取电压${U_{{S_1}}}$、${U_{{S_2}}}$、${U_{{S_3}}}$，设定三路Buck占空比的控制步长分别为${d_1}$、${d_2}$、${d_3}$；

2) 检测三路输出电压计算拾取电压${U_{{S_1}}}$、${U_{{S_2}}}$、${U_{{S_3}}}$，假定电压关系为${U_{{S_1}}} > {U_{{S_2}}} > {U_{{S_3}}}$，检测输出电压${U_{\rm{O}}}$，计算稳压偏差$\delta U = {U_{{\rm{ref}}}} - {U_{\rm{O}}}$，$|\delta U| > 2\;{\rm{V}}$时进入步骤3)，否则进入步骤4)；

3) $\delta U$为正时增加三路占空比，$\delta U$为负时减小三路占空比，使输出电压快速逼近设定电压附近范围，重新计算$\delta U$，$|\delta U| > 2\;{\rm{V}}$时重复步骤3)，否则进入步骤4)；

4) $\sigma < \delta U \leqslant 2\;{\rm{V}}$时，计算电压增量$\Delta {U_1} = $ $\Delta {U_1} + {d_1}{U_{{S_1}}}$，若$\Delta {U_1} < \delta U$，${D_1}$设定为${D_1} + {d_1}$，则重复步骤4)，否则清零$\Delta {U_1}$，重新计算$\delta U$，进入步骤5)；

5) $\sigma < \delta U \leqslant 2\;{\rm{V}}$，计算电压增量$\Delta {U_2} = $ $\Delta {U_2} + {d_2}{U_{{S_2}}}$，若$\Delta {U_2} < \delta U$，${D_2}$设定为${D_2} + {d_2}$，则重复步骤5)，否则清零$\Delta {U_2}$，重新计算$\delta U$，进入步骤6)；

6) $\sigma < \delta U \leqslant 2\;{\rm{V}}$时，计算电压增量$\Delta {U_3} = $ $\Delta {U_3} + {d_3}{U_{{S_3}}}$，若$\Delta {U_3} < \delta U$，${D_3}$重新设定为${D_3} + {d_3}$，则重复步骤6)，否则清零$\Delta {U_3}$，重新计算$\delta U$，进入步骤7)；

7) 当$|\delta U| \leqslant \sigma $，输出电压偏差在容许范围内($\sigma = 0.1$)，则结束，否则跳转步骤2)。

算法步骤中只考虑$\sigma < \delta U \leqslant 2\;{\rm{V}}$时的情况，优化控制算法流程如图 3所示，当$ - 2\;{\rm{V}} \leqslant \delta U < - \sigma $时，步骤3)~步骤6)都相应进行减小占空比处理。此种方法能使系统的输出电压较快地逼近设定电压，且输出电压的纹波较小，系统输出稳定。系统控制整体流程图如图 4所示。

图  3  优化控制算法流程

图  4  系统稳压控制流程图

为进一步验证本文提出拓扑的有效性，采用表 1给出的参数进行实验研究。

实验系统工作频率为25.8 kHz，采用FPGA作为逆变器主控芯片，主开关管采用FGA25N120型IGBT，通过检测谐振电压${U_{{{\rm{C}}_{\rm{P}}}}}$的过零点，可使开关管工作于零电压开关(zero voltage switching，ZVS)模式下，以此降低高频开关损耗。Buck电路中的开关管型号为IRFP460的MOSFET，Buck驱动信号通过DSP控制，Buck驱动频率为19.95 kHz。

实验原理图如图 5所示，实验实物图如图 6所示。

图  5  多拾取WPT系统实验原理图

图  6  实验系统实物图

图 7是逆变输出谐振电压${U_{{{\rm{C}}_{\rm{P}}}}}$与开关管S₁驱动信号V_g1相位图。由图可知开关管的开通和关断都运行在谐振电压的过零点，逆变部分能工作在ZVS(zero voltage switching)软开关模式下。

图  7  系统逆变谐振波形

系统设计要求稳压输出为24 V给指定负载供电，电压偏差控制在0.1 V以内。在负载R=20 Ω时，图 8为输入电压40 V时的输出稳压波形，图 9为输入电压60 V时系统输稳压出波形，其中CH1、CH2、CH3为对应三路Buck占空比。由图可知系统能稳定在给定电压值，且输出电压纹波较低。在不同的电压输入情况下，三路Buck占空比会有差异，说明优化算法能很好地实现输出电压稳压控制。

图  8  系统40 V输入时输出波形

图  9  系统60 V输入时输出波形

图 10为负载变化R=50 Ω时，输入电压40 V系统输出稳压波形。与图 8相比系统仍能实现输出稳压控制，因负载为轻载，Buck开通占空比减小。

图  10  系统40 V输入时轻载输出波形

为验证系统在负载扰动情况下的动态调节能力，实验分别测试了轻载切换重载和重载切换轻载时的输出稳压效果。实验中在相同输入电压(输入电压为40 V)情况下切换20 Ω和50 Ω阻性负载，分别对应图 11负载切换1和图 12负载切换2，系统输出稳压效果如图 11和图 12所示。图中可看出负载跳变点1由50 Ω阻性负载切换到20 Ω，系统变为重载，输出电压出现1 V的超调，经10 ms的调节过程输出电压稳定在设定值。在负载跳变点2由20 Ω阻性负载切换到50 Ω，系统变为轻载，输出电压有2 V超调，经10 ms调节过程系统输出电压仍稳定在设定值，从而验证了在负载扰动条件下系统的控制效果。从以上分析可以看出，在控制作用下，系统输出电压具有较好的稳恒性及鲁棒性。

图  11  负载跳变1输出波形

图  12  负载跳变2输出波形

针对多拾取非接触电能传输系统输出稳压控制，本文提出了一种优化算法的输出稳压控制策略。该方法在不同拾取电压情况下，根据多拾取支路的拾取能力差异，动态调节拾取支路占空比，最终实现输出电压的稳压调节。该方法易于实现，具有较快的响应速度，系统的输出纹波较小，且系统具有较强的鲁棒性。该方法对于其他类型的电力电子系统电压调节具有一定的参考价值。