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,，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,，必須采用人工干預方式對AGV進行充電,，使得AGV處于非連續(xù)的任務(wù)環(huán)。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)。

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,。

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

(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),。可認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,，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,。基于英飛凌公司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,。