AGV自主充電數(shù)字控制DC/DC變換器研究*

李紀(jì)曉，陳息坤

(上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海200072)

AGV自主充電數(shù)字控制DC/DC變換器研究*

李紀(jì)曉，陳息坤

(上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海200072)

針對(duì)AGV車(chē)用電池組自主充電問(wèn)題，研究了一種基于英飛凌XMC4200的數(shù)字控制DC/DC變換器系統(tǒng)，在對(duì)移相全橋DC/DC變換器主電路拓?fù)浞治龌A(chǔ)上，結(jié)合該控制芯片的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有體積小、電源效率高的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性及數(shù)字控制的可行性，滿足了AGV對(duì)車(chē)用動(dòng)力鋰離子電池組頻繁低壓大電流的充電要求。

移相全橋；零電壓開(kāi)關(guān)；數(shù)字控制

0　引言

自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車(chē)（AGV）是裝備有電磁或光學(xué)等自動(dòng)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(dòng)機(jī)器人[1]，廣泛運(yùn)用于各種物流系統(tǒng)中。AGV的動(dòng)力來(lái)源主要采用高品質(zhì)車(chē)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(duì)環(huán)境無(wú)污染，已逐步成為車(chē)載動(dòng)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(duì)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(zhǎng)期自治以及大范圍活動(dòng)，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(wú)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[3-4]。

本文針對(duì)AGV的自主充電問(wèn)題，在分析了移相全橋DC/DC變換器暫態(tài)過(guò)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(duì)輸出電壓的控制，滿足AGV動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)充電的要求，最后通過(guò)一臺(tái)原理樣機(jī)驗(yàn)證了該方案的可行性。

1　變換器暫態(tài)過(guò)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?，VT2、VT4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)比 VT1、VT3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)滯后一個(gè)角度琢，正是由于這種驅(qū)動(dòng)信號(hào)的后移，使開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)通或關(guān)斷[5-6]。

圖1　主電路

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(jiǎn)潔。為便于分析，假定：(1)所有開(kāi)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(gè)開(kāi)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2　主要波形

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

圖3　各中開(kāi)關(guān)模態(tài)等效電路圖

(1)模態(tài) 0，在 t＜t0時(shí)，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(kāi)始下降，但仍大于零，故此時(shí)副邊仍工作在整流狀態(tài)?？烧J(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(dòng)。ip給C1充電，給C3放電。t1時(shí)刻vAB減小為零。

(3)模態(tài) 2，[t1，t2]，t=t1時(shí)，C1充電，C3放電結(jié)束，vAB減小為零，此后 ip經(jīng)過(guò) 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(kāi)通VT3，則VT3是零電壓開(kāi)通。

(4)模態(tài) 3，[t2，t3]，t=t2時(shí)，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(dòng)勢(shì)使DR2導(dǎo)通。

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

(6)模態(tài) 5，[t4，t5]，t=t4時(shí)，ip=0。由于此時(shí)VT2、VT3已施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)，故 t＞t4時(shí)，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(shí)導(dǎo)通，提供負(fù)載電流 If。

(7)模態(tài)6，[t5，t6]，t＞t5時(shí)，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(shí)，VT3關(guān)斷。之后再依次經(jīng)歷后半個(gè)周期，直到 t12結(jié)束一個(gè)完整周期。

2　變換器的參數(shù)設(shè)計(jì)

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(jì)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(shí)的最大過(guò)渡時(shí)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(kāi)關(guān)變換電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮到諧振電感Lr與諧振電容的匹配問(wèn)題，一般情況下，在開(kāi)關(guān)周期內(nèi)應(yīng)保證存儲(chǔ)在諧振電感中的能量大于過(guò)渡過(guò)程中存儲(chǔ)在諧振電容 Cr中的能量，即有：

2.2功率器件參數(shù)的計(jì)算

移相軟開(kāi)關(guān)電源中功率開(kāi)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(kāi)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(dòng)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。

圖4　系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖

控制系統(tǒng)基于英飛凌公司的XMC4200完成對(duì)AGV動(dòng)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。

圖5　系統(tǒng)控制策略框圖

當(dāng)鋰電池組的剩余電能小于設(shè)定值時(shí)，向AGV控制系統(tǒng)發(fā)出充電請(qǐng)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(hào)后啟動(dòng)對(duì)鋰電池組的充電過(guò)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(shí)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(shí)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(jì)制作了一臺(tái)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(kāi)關(guān)頻率為10 kHz。

圖6給出了開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(kāi)通或關(guān)斷。圖7、圖8為負(fù)載變化時(shí)，系統(tǒng)的輸出電壓波形。從圖7可看出，從滿載到空載時(shí)，輸出電壓首先出現(xiàn)瞬時(shí)小幅度上升，經(jīng)過(guò) 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(shí)，輸出電壓首先出現(xiàn)瞬時(shí)小幅跌落，之后電壓經(jīng)過(guò)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(dòng)下，輸出電壓都能夠波動(dòng)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(jì)要求。

圖6　開(kāi)關(guān)管管壓降及驅(qū)動(dòng)電壓波形

圖7　滿載到空載輸出電壓波形

圖8　空載到滿載輸出電壓波形

5　結(jié)論

本文針對(duì)AGV的自主充電問(wèn)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(duì)主電路暫態(tài)過(guò)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(jì)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(jì)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)洹⑾鄳?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(kāi)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(dòng)力系統(tǒng)對(duì)自主充電的要求。

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

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

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Research on digital control technology autonomous charging of DC/DC converter of AGV

Li Jixiao，Chen Xikun
(School of Mechatronics Engineering and Automation，Shanghai University，Shanghai 200072，China)

A digital control system of phase-shifted full bridge DC/DC converter based on Infineon XMC4200,autonomous charging for AGV is studied in this thesis.The control system is designed according to the analysis of the main circuit topology of phaseshifted full bridge DC/DC converter and the characteristics of XMC4200.Small volume and high power efficiency are features of this system.Experimental results verify the validity of the theoretical analysis and feasibility of the digital control system.This converter could meet the requirements of the lithium-ion batteries in AGV applications which usually need charge with low voltage and high current frequently.

phase-shift full-bridge；zero voltage switching；digital control

TM92

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.09.034

上海市經(jīng)信委重大技術(shù)裝備項(xiàng)目(ZB-ZBYZ-02-14-0825)；上海市科委重點(diǎn)項(xiàng)目(14DZ1206302)

2015-05-17)

李紀(jì)曉(1985-)，男，碩士研究生，主要研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。

陳息坤(1962-)，通信作者，男，副教授，主要研究方向：大功率電力電子變換與控制技術(shù)、新型儲(chǔ)能及其變換控制技術(shù)、新能源發(fā)電技術(shù)等，E-mail：chenxk@shu.edu.cn。

中文引用格式：李紀(jì)曉，陳息坤.AGV自主充電數(shù)字控制 DC/DC變換器研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(9)：125-127，131.

英文引用格式：Li Jixiao，Chen Xikun.Research on digital control technology autonomous charging of DC/DC converter of AGV[J].Application of Electronic Technique，2015，41(9)：125-127，131.