0 引言

　　自動導(dǎo)引運(yùn)輸車（AGV）是裝備有電磁或光學(xué)等自動導(dǎo)引裝置,，能夠沿規(guī)定的導(dǎo)引路徑行使，具有安全保護(hù)及各種移載功能的移動機(jī)器人[1]，廣泛運(yùn)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(dāng)電能耗盡，必須采用人工干預(yù)方式對AGV進(jìn)行充電,，使得AGV處于非連續(xù)的任務(wù)環(huán)[2],。為真正實(shí)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(jìn)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(shí)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(shí)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(shí)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(jī)驗(yàn)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(shí)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(fù)載電流變化不大，可近似認(rèn)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(dǎo)通,，原邊電流經(jīng)VT1、變壓器,、Lr,、VT4向副邊傳遞能量。A,、B兩點(diǎn)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(dǎo)通,。t=t0,，VT1關(guān)斷，由于C1的存在,，VT1電壓緩升,， VT1實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷，VT1關(guān)斷后,，A,、B兩點(diǎn)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),。可認(rèn)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(dǎo)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(dǎo)通,。

　　(5)模態(tài)4，[t3,，t4],，t=t3時，vc4=Vin,，vc2放電為零,，ip使D2開始導(dǎo)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(fù)載電流If,，因此DR1、DR2同時導(dǎo)通,，提供負(fù)載電流If,。

　　(7)模態(tài)6，[t5,，t6],，t>t5時，原邊電流上升至負(fù)載電流,，Vin經(jīng)VT2,、VT3向負(fù)載持續(xù)供電。二次側(cè)繞組N22,、DR2提供負(fù)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(xué)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(xué)模型為：

　　將上式進(jìn)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(xué)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(dāng)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(rèn)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(dāng)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(shí)時電流、電壓和溫度等數(shù)據(jù),，在XMC4200中完成鋰電池組的實(shí)時充電狀態(tài)分析,。

4 實(shí)驗(yàn)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(jī),。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(shí)現(xiàn)了零電壓開通或關(guān)斷,。圖7,、圖8為負(fù)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(fù)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(jìn)行詳細(xì)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(xué)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(shí)驗(yàn)結(jié)果均驗(yàn)證了本系統(tǒng)所研究的主電路拓?fù)?、相?yīng)的控制策略的正確性及可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該變換器能很好地實(shí)現(xiàn)軟開關(guān),，提高了整機(jī)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(diǎn)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(xiàn)

　　[1] 朱玉玉,，劉福兵,，李朋飛.AGV車用鋰離子電池組均衡系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014,，40(9)：55-57.

　　[2] SILVERMAN M,，NIES D，JUNG B.Staying alive：a dockingstation for autonomous robot recharging[C].IEEE InternationalConference on Robotics and Automation.Washington D C,，2002：1050-1055.

　　[3] 劉志雄,，李浙昆.室內(nèi)移動機(jī)器人自動充電技術(shù)[J].機(jī)械與電子，2007(3)：51-31.

　　[4] 崔志恒,，韓紅玲.紅外導(dǎo)航自主充電室內(nèi)移動機(jī)器人設(shè)計[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,，2012，31(10)：33-36.

　　[5] 陳堅,，康勇.電力電子學(xué)—電力電子變換和控制技術(shù)[M].北京：高等教育出版社,，2013.

　　[6] REDL R，SOKAL N O,，BALOGH L.A novel soft-switchingfull-bridge DC/DC converter：analysis,，design considerationsand experimental results at 1.5 kW，100 kHz[J].IEEE Trans. on Power Electronics,，1991,，6(3)：408-418.

　　[7] 陳息坤，李麗娟.全控橋式移相軟開關(guān)電源設(shè)計及應(yīng)用[J].研發(fā)必讀,，2001(11)：66-67.