【学习笔记】AGV自主充电数字控制DC/DC变换器研究
0 引言
自动导引运输车（AGV）是装备有电磁或光学等自动导引装置，能够沿规定的导引路径行使，具有安全保护及各种移载功能的移动机器人，广泛运用于各种物流系统中。AGV的动力来源主要采用高品质车载锂离子电池组。锂离子电池具有较高的能量密度和较低的自放电率，且对环境无污染，已逐步成为车载动力电池的理想能源之一。当电能耗尽，必须采用人工干预方式对AGV进行充电，使得AGV处于非连续的任务环。为真正实现AGV的长期自治以及大范围活动，即需要在电能不足的情况下自主进行充电。如何让AGV在无人工干预环境下安全、可靠、快速、高效地实现自主充电是一项关键技术。
本文针对AGV的自主充电问题，在分析了移相全桥DC/DC变换器暂态过程的基础上，提出一种基于英飞凌公司XMC4000系列DSP XMC4200的数字控制实现方法。在该控制方法中，采用电压、电流双闭环控制策略，实现对输出电压的控制，满足AGV动力系统对充电的要求，最后通过一台原理样机验证了该方案的可行性。
1 变换器暂态过程分析
移相控制ZVS全桥变换器的主电路结构如图1所示，主要波形如图2所示。可以看出，VT2、VT4的驱动信号比VT1、VT3的驱动信号滞后一个角度?琢，正是由于这种驱动信号的后移，使开关管零电压开通或关断。
实际上，电容C1~C4及D1~D4是MOSFET的输出电容及寄生二极管，因此电路结构简洁。为便于分析，假定：(1)所有开关管、二极管、电感、电容均为理想器件；(2)变压器是理想变压器，忽略激磁电流；(3) C1=C3=Clead，C2=C4=Clag，Lf>>Lr/K2，K是变压器的变比，在一个开关周期内，负载电流变化不大，可近似认为恒定不变。
图3给出了在不同的开关模态下的等效电路，各开关模态的工作情况描述如下：
(1)模态0，在t
(2)模态1，[t0，t1]，VT4仍导通。t=t0，VT1关断，由于C1的存在，VT1电压缓升， VT1实现软关断，VT1关断后，A、B两点之间的电压vAB开始下降，但仍大于零，故此时副边仍工作在整流状态。可认为输出滤波电感和原边漏感串联，因此电流不能突变，ip仍按原方向流动。ip给C1充电，给C3放电。t1时刻vAB减小为零。
(3)模态2，[t1，t2]，t=t1时，C1充电，C3放电结束，vAB减小为零，此后ip经过VT4、二极管D3和Lr续流，ip逐渐减小，二次侧N21、DR1导电，续流If。在该模态， 开通VT3，则VT3是零电压开通。
(4)模态3，[t2，t3]，t=t2时，VT4关断，原边电流ip给C2放电，C4充电，vc4从零逐渐上升，VT4软关断，由于vAB=-vc4，故二次侧N22感应电动势使DR2导通。
(5)模态4，[t3，t4]，t=t3时，vc4=Vin，vc2放电为零，ip使D2开始导通。电流流向如图3(e)所示。原边电流在-Vin作用下开始下降。在t=t4时，ip下降为零。在该模态，开通VT2，则VT2是零电压开通。
(6)模态5，[t4，t5]，t=t4时，ip=0。由于此时VT2、VT3已施加驱动信号，故t>t4时，电源电压Vin经VT2、VT3形成反向ip，并线性增加。变压器一次侧绕组两端电压虽然反向，但不足以提供负载电流If，因此DR1、DR2同时导通，提供负载电流If。
(7)模态6，[t5，t6]，t>t5时，原边电流上升至负载电流，Vin经VT2、VT3向负载持续供电。二次侧绕组N22、DR2提供负载电流If，DR1截止。t=t6时，VT3关断。之后再依次经历后半个周期，直到t12结束一个完整周期。
2 变换器的参数设计
该移相全桥DC/DC变换器由H型全控桥、控制电路两部分组成，其中相应的参数设计方法如下[6]：
2.1 谐振电路的参数
谐振电感：
式中，tmax为轻载时的最大过渡时间，Coss为MOS的输出电容，Ctr为高频变压器的分布电容，Cr为谐振电容。
在移相软开关变换电路设计时，应考虑到谐振电感Lr与谐振电容的匹配问题，一般情况下，在开关周期内应保证存储在谐振电感中的能量大于过渡过程中存储在谐振电容Cr中的能量，即有：
2.2 功率器件参数的计算
移相软开关电源中功率开关器件的电压、电流定额的选择要考虑到电源电压Vin、输出功率Po、输出电压等因数的影响，一般情况下，功率器件的耐压Ued及电流额定Ied为（式中η为变换器的效率，K为高频变压器的变比）：
3 数学建模及控制策略
在变压器的副边由基尔霍夫电压、电流定律可得，移相全桥开关电源的数学模型为：
将上式进行拉氏变换可得：
式中，r为电路综合阻尼效应的等效电阻，Co为输出滤波电容，Lf为输出滤波电感。
变换器原边主电路可以等效为一阶惯性环节。根据上述分析，可得到控制系统各功能单元的动态数学模型。移相全桥充电电源控制系统结构框图如图4所示。
控制系统基于英飞凌公司的XMC4200完成对AGV动力锂电池组自主充电的全部控制功能。系统控制策略如图5所示。
当锂电池组的剩余电能小于设定值时，向AGV控制系统发出充电请求，AGV自主寻找充电位置，充电系统接收到AGV位置确认信号后启动对锂电池组的充电过程。充电控制系统具有恒压/恒流充电功能，采用电压、电流双闭环控制算法，根据当前锂电池组的荷电状态，自主判断采用恒压或恒流充电，根据采集的锂电池组实时电流、电压和温度等数据，在XMC4200中完成锂电池组的实时充电状态分析。
4 实验结果
在理论分析的基础上，设计制作了一台AGV自主充电系统原理样机。AGV自主充电系统的基本参数为：输入电压220 VAC(+20%)/50 Hz(+5 Hz)，额定输出电压48 V，额定输出电流20 A，开关频率为10 kHz。
图6给出了开关管驱动信号以及漏-源极电压的波形，从图中可以看出，实现了零电压开通或关断。图7、图8为负载变化时，系统的输出电压波形。从图7可看出，从满载到空载时，输出电压首先出现瞬时小幅度上升，经过PI调节器作用，电压很快稳定在48 V左右；同样，从图8可看出，从空载到满载时，输出电压首先出现瞬时小幅跌落，之后电压经过震荡很快稳定在48 V左右。由此可得，在不同的负载扰动下，输出电压都能够波动较小，稳定在48 V左右（1±5%），系统工作性能良好，满足设计要求。
5 结论
本文针对AGV的自主充电问题，将移相全桥DC/DC变换器应用于锂电池组充电系统，在对主电路暂态过程进行详细分析的基础上给出了相关参数的计算方法，建立了充电控制系统的数学模型。基于英飞凌公司XMC系列DSP XMC4200设计了全数字化控制系统，完成了AGV自主充电所需的所有控制功能。理论分析和实验结果均验证了本系统所研究的主电路拓扑、相应的控制策略的正确性及可行性。实验结果证明该变换器能很好地实现软开关，提高了整机工作效率，该变换器的输出电压、电流能够满足电池组的充电要求。AGV系统能够根据自身携带锂离子电池组的剩余电量以及充电点之间的距离，自主完成充电，满足了AGV动力系统对自主充电的要求。