0 引言

　　自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車（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(duì)環(huán)境無污染，已逐步成為車載動(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(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。可以看出，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(jiǎn)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(gè)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(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開始下降，但仍大于零，故此時(shí)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(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(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(shí)，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(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題，一般情況下，在開關(guān)周期內(nèi)應(yīng)保證存儲(chǔ)在諧振電感中的能量大于過渡過程中存儲(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(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。

　　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。

　　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，開關(guān)頻率為10 kHz。

　　圖6給出了開關(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。

5 結(jié)論

　　本文針對(duì)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(duì)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(jì)算方法，建立了充電控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。基于英飛凌公司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。

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