0 引言

　　自動導引運輸車（AGV）是裝備有電磁或光學等自動導引裝置，能夠沿規(guī)定的導引路徑行使，具有安全保護及各種移載功能的移動機器人[1]，廣泛運用于各種物流系統(tǒng)中。AGV的動力來源主要采用高品質(zhì)車載鋰離子電池組。鋰離子電池具有較高的能量密度和較低的自放電率，且對環(huán)境無污染，已逐步成為車載動力電池的理想能源之一。當電能耗盡，必須采用人工干預(yù)方式對AGV進行充電，使得AGV處于非連續(xù)的任務(wù)環(huán)[2]。為真正實現(xiàn)AGV的長期自治以及大范圍活動，即需要在電能不足的情況下自主進行充電。如何讓AGV在無人工干預(yù)環(huán)境下安全、可靠、快速、高效地實現(xiàn)自主充電是一項關(guān)鍵技術(shù)[3-4]。

　　本文針對AGV的自主充電問題，在分析了移相全橋DC/DC變換器暫態(tài)過程的基礎(chǔ)上，提出一種基于英飛凌公司XMC4000系列DSP XMC4200的數(shù)字控制實現(xiàn)方法。在該控制方法中，采用電壓、電流雙閉環(huán)控制策略，實現(xiàn)對輸出電壓的控制，滿足AGV動力系統(tǒng)對充電的要求，最后通過一臺原理樣機驗證了該方案的可行性。

1 變換器暫態(tài)過程分析

　　移相控制ZVS全橋變換器的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要波形如圖2所示?？梢钥闯觯琕T2、VT4的驅(qū)動信號比VT1、VT3的驅(qū)動信號滯后一個角度?琢，正是由于這種驅(qū)動信號的后移，使開關(guān)管零電壓開通或關(guān)斷[5-6]。

　　實際上，電容C1~C4及D1~D4是MOSFET的輸出電容及寄生二極管，因此電路結(jié)構(gòu)簡潔。為便于分析，假定：(1)所有開關(guān)管、二極管、電感、電容均為理想器件；(2)變壓器是理想變壓器，忽略激磁電流；(3) C1=C3=Clead，C2=C4=Clag，Lf>>Lr/K2，K是變壓器的變比，在一個開關(guān)周期內(nèi)，負載電流變化不大，可近似認為恒定不變。

　　圖3給出了在不同的開關(guān)模態(tài)下的等效電路，各開關(guān)模態(tài)的工作情況描述如下：

　　(1)模態(tài)0，在t<t0時，VT1 和VT4導通，原邊電流經(jīng)VT1、變壓器、Lr、VT4向副邊傳遞能量。A、B兩點之間的電壓vAB=Vin，原邊電流線性上升。

　　(2)模態(tài)1，[t0，t1]，VT4仍導通。t=t0，VT1關(guān)斷，由于C1的存在，VT1電壓緩升， VT1實現(xiàn)軟關(guān)斷，VT1關(guān)斷后，A、B兩點之間的電壓vAB開始下降，但仍大于零，故此時副邊仍工作在整流狀態(tài)?？烧J為輸出濾波電感和原邊漏感串聯(lián)，因此電流不能突變，ip仍按原方向流動。ip給C1充電，給C3放電。t1時刻vAB減小為零。

　　(3)模態(tài)2，[t1，t2]，t=t1時，C1充電，C3放電結(jié)束，vAB減小為零，此后ip經(jīng)過VT4、二極管D3和Lr續(xù)流，ip逐漸減小，二次側(cè)N21、DR1導電，續(xù)流If。在該模態(tài)， 開通VT3，則VT3是零電壓開通。

　　(4)模態(tài)3，[t2，t3]，t=t2時，VT4關(guān)斷，原邊電流ip給C2放電，C4充電，vc4從零逐漸上升，VT4軟關(guān)斷，由于vAB=-vc4，故二次側(cè)N22感應(yīng)電動勢使DR2導通。

　　(5)模態(tài)4，[t3，t4]，t=t3時，vc4=Vin，vc2放電為零，ip使D2開始導通。電流流向如圖3(e)所示。原邊電流在-Vin作用下開始下降。在t=t4時，ip下降為零。在該模態(tài)，開通VT2，則VT2是零電壓開通。

　　(6)模態(tài)5，[t4，t5]，t=t4時，ip=0。由于此時VT2、VT3已施加驅(qū)動信號，故t>t4時，電源電壓Vin經(jīng)VT2、VT3形成反向ip，并線性增加。變壓器一次側(cè)繞組兩端電壓雖然反向，但不足以提供負載電流If，因此DR1、DR2同時導通，提供負載電流If。

　　(7)模態(tài)6，[t5，t6]，t>t5時，原邊電流上升至負載電流，Vin經(jīng)VT2、VT3向負載持續(xù)供電。二次側(cè)繞組N22、DR2提供負載電流If，DR1截止。t=t6時，VT3關(guān)斷。之后再依次經(jīng)歷后半個周期，直到t12結(jié)束一個完整周期。

2 變換器的參數(shù)設(shè)計

　　該移相全橋DC/DC變換器由H型全控橋、控制電路兩部分組成，其中相應(yīng)的參數(shù)設(shè)計方法如下[6]：

　　2.1 諧振電路的參數(shù)

　　諧振電感：

　　式中，tmax為輕載時的最大過渡時間，Coss為MOS的輸出電容，Ctr為高頻變壓器的分布電容，Cr為諧振電容。

　　在移相軟開關(guān)變換電路設(shè)計時，應(yīng)考慮到諧振電感Lr與諧振電容的匹配問題，一般情況下，在開關(guān)周期內(nèi)應(yīng)保證存儲在諧振電感中的能量大于過渡過程中存儲在諧振電容Cr中的能量，即有：

　　2.2 功率器件參數(shù)的計算

　　移相軟開關(guān)電源中功率開關(guān)器件的電壓、電流定額的選擇要考慮到電源電壓Vin、輸出功率Po、輸出電壓等因數(shù)的影響[7]，一般情況下，功率器件的耐壓Ued及電流額定Ied為（式中η為變換器的效率，K為高頻變壓器的變比）：

　　3 數(shù)學建模及控制策略

　　在變壓器的副邊由基爾霍夫電壓、電流定律可得，移相全橋開關(guān)電源的數(shù)學模型為：

　　將上式進行拉氏變換可得：

　　式中，r為電路綜合阻尼效應(yīng)的等效電阻，Co為輸出濾波電容，Lf為輸出濾波電感。

　　變換器原邊主電路可以等效為一階慣性環(huán)節(jié)。根據(jù)上述分析，可得到控制系統(tǒng)各功能單元的動態(tài)數(shù)學模型。移相全橋充電電源控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

　　控制系統(tǒng)基于英飛凌公司的XMC4200完成對AGV動力鋰電池組自主充電的全部控制功能。系統(tǒng)控制策略如圖5所示。

　　當鋰電池組的剩余電能小于設(shè)定值時，向AGV控制系統(tǒng)發(fā)出充電請求，AGV自主尋找充電位置，充電系統(tǒng)接收到AGV位置確認信號后啟動對鋰電池組的充電過程。充電控制系統(tǒng)具有恒壓/恒流充電功能，采用電壓、電流雙閉環(huán)控制算法，根據(jù)當前鋰電池組的荷電狀態(tài)，自主判斷采用恒壓或恒流充電，根據(jù)采集的鋰電池組實時電流、電壓和溫度等數(shù)據(jù)，在XMC4200中完成鋰電池組的實時充電狀態(tài)分析。

4 實驗結(jié)果

　　在理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計制作了一臺AGV自主充電系統(tǒng)原理樣機。AGV自主充電系統(tǒng)的基本參數(shù)為：輸入電壓220 VAC(+20%)/50 Hz(+5 Hz)，額定輸出電壓48 V，額定輸出電流20 A，開關(guān)頻率為10 kHz。

　　圖6給出了開關(guān)管驅(qū)動信號以及漏-源極電壓的波形，從圖中可以看出，實現(xiàn)了零電壓開通或關(guān)斷。圖7、圖8為負載變化時，系統(tǒng)的輸出電壓波形。從圖7可看出，從滿載到空載時，輸出電壓首先出現(xiàn)瞬時小幅度上升，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器作用，電壓很快穩(wěn)定在48 V左右；同樣，從圖8可看出，從空載到滿載時，輸出電壓首先出現(xiàn)瞬時小幅跌落，之后電壓經(jīng)過震蕩很快穩(wěn)定在48 V左右。由此可得，在不同的負載擾動下，輸出電壓都能夠波動較小，穩(wěn)定在48 V左右（1±5%），系統(tǒng)工作性能良好，滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)論

　　本文針對AGV的自主充電問題，將移相全橋DC/DC變換器應(yīng)用于鋰電池組充電系統(tǒng)，在對主電路暫態(tài)過程進行詳細分析的基礎(chǔ)上給出了相關(guān)參數(shù)的計算方法，建立了充電控制系統(tǒng)的數(shù)學模型?；谟w凌公司XMC系列DSP XMC4200設(shè)計了全數(shù)字化控制系統(tǒng)，完成了AGV自主充電所需的所有控制功能。理論分析和實驗結(jié)果均驗證了本系統(tǒng)所研究的主電路拓撲、相應(yīng)的控制策略的正確性及可行性。實驗結(jié)果證明該變換器能很好地實現(xiàn)軟開關(guān)，提高了整機工作效率，該變換器的輸出電壓、電流能夠滿足電池組的充電要求。AGV系統(tǒng)能夠根據(jù)自身攜帶鋰離子電池組的剩余電量以及充電點之間的距離，自主完成充電，滿足了AGV動力系統(tǒng)對自主充電的要求。

參考文獻

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