摘 要： 針對AGV車用電池組自主充電問題，研究了一種基于英飛淩XMC4200的數字控制DC/DC變換器系統，在對移相全橋DC/DC變換器主電路拓撲分析基礎上，結合該控制芯片的特點，設計了相應的控制系統。該系統具有體積小、電源效率高的特點。實驗結果驗證了理論分析的正确性及數字控制的可行性，滿足了AGV對車用動力锂離子電池組頻繁低壓大電流的充電要求。

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[1]，廣泛運用于各種物流系統中。AGV的動力來源主要采用高品質車載锂離子電池組。锂離子電池具有較高的能量密度和較低的自放電率，且對環境無污染，已逐步成為車載動力電池的理想能源之一。當電能耗盡，必須采用人工幹預方式對AGV進行充電，使得AGV處于非連續的任務環[2]。為真正實現AGV的長期自治以及大範圍活動，即需要在電能不足的情況下自主進行充電。如何讓AGV在無人工幹預環境下安全、可靠、快速、高效地實現自主充電是一項關鍵技術[3-4]。

本文針對AGV的自主充電問題，在分析了移相全橋DC/DC變換器暫态過程的基礎上，提出一種基于英飛淩公司XMC4000系列DSP XMC4200的數字控制實現方法。在該控制方法中，采用電壓、電流雙閉環控制策略，實現對輸出電壓的控制，滿足AGV動力系統對充電的要求，最後通過一台原理樣機驗證了該方案的可行性。

1 變換器暫态過程分析

移相控制ZVS全橋變換器的主電路結構如圖1所示，主要波形如圖2所示。可以看出，VT2、VT4的驅動信号比VT1、VT3的驅動信号滞後一個角度?琢，正是由于這種驅動信号的後移，使開關管零電壓開通或關斷[5-6]。

實際上，電容C1~C4及D1~D4是MOSFET的輸出電容及寄生二極管，因此電路結構簡潔。為便于分析，假定：(1)所有開關管、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，在一個開關周期内，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模态下的等效電路，各開關模态的工作情況描述如下：

(1)模态0，在t<t0時，VT1 和VT4導通，原邊電流經VT1、變壓器、Lr、VT4向副邊傳遞能量。A、B兩點之間的電壓vAB=Vin，原邊電流線性上升。

(2)模态1，[t0，t1]，VT4仍導通。t=t0，VT1關斷，由于C1的存在，VT1電壓緩升， VT1實現軟關斷，VT1關斷後，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态。可認為輸出濾波電感和原邊漏感串聯，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)模态2，[t1，t2]，t=t1時，C1充電，C3放電結束，vAB減小為零，此後ip經過VT4、二極管D3和Lr續流，ip逐漸減小，二次側N21、DR1導電，續流If。在該模态， 開通VT3，則VT3是零電壓開通。

(4)模态3，[t2，t3]，t=t2時，VT4關斷，原邊電流ip給C2放電，C4充電，vc4從零逐漸上升，VT4軟關斷，由于vAB=-vc4，故二次側N22感應電動勢使DR2導通。

(5)模态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。在該模态，開通VT2，則VT2是零電壓開通。

(6)模态5，[t4，t5]，t=t4時，ip=0。由于此時VT2、VT3已施加驅動信号，故t>t4時，電源電壓Vin經VT2、VT3形成反向ip，并線性增加。變壓器一次側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)模态6，[t5，t6]，t>t5時，原邊電流上升至負載電流，Vin經VT2、VT3向負載持續供電。二次側繞組N22、DR2提供負載電流If，DR1截止。t=t6時，VT3關斷。之後再依次經曆後半個周期，直到t12結束一個完整周期。

2 變換器的參數設計

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，其中相應的參數設計方法如下[6]：

2.1 諧振電路的參數

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。

在移相軟開關變換電路設計時，應考慮到諧振電感Lr與諧振電容的匹配問題，一般情況下，在開關周期内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 功率器件參數的計算

移相軟開關電源中功率開關器件的電壓、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，移相全橋開關電源的數學模型為：

将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節。根據上述分析，可得到控制系統各功能單元的動态數學模型。移相全橋充電電源控制系統結構框圖如圖4所示。

控制系統基于英飛淩公司的XMC4200完成對AGV動力锂電池組自主充電的全部控制功能。系統控制策略如圖5所示。

當锂電池組的剩餘電能小于設定值時，向AGV控制系統發出充電請求，AGV自主尋找充電位置，充電系統接收到AGV位置确認信号後啟動對锂電池組的充電過程。充電控制系統具有恒壓/恒流充電功能，采用電壓、電流雙閉環控制算法，根據當前锂電池組的荷電狀态，自主判斷采用恒壓或恒流充電，根據采集的锂電池組實時電流、電壓和溫度等數據，在XMC4200中完成锂電池組的實時充電狀态分析。

4 實驗結果

在理論分析的基礎上，設計制作了一台AGV自主充電系統原理樣機。AGV自主充電系統的基本參數為：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，開關頻率為10 kHz。

圖6給出了開關管驅動信号以及漏-源極電壓的波形，從圖中可以看出，實現了零電壓開通或關斷。圖7、圖8為負載變化時，系統的輸出電壓波形。從圖7可看出，從滿載到空載時，輸出電壓首先出現瞬時小幅度上升，經過PI調節器作用，電壓很快穩定在48 V左右；同樣，從圖8可看出，從空載到滿載時，輸出電壓首先出現瞬時小幅跌落，之後電壓經過震蕩很快穩定在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，穩定在48 V左右（1±5%），系統工作性能良好，滿足設計要求。

5 結論

本文針對AGV的自主充電問題，将移相全橋DC/DC變換器應用于锂電池組充電系統，在對主電路暫态過程進行詳細分析的基礎上給出了相關參數的計算方法，建立了充電控制系統的數學模型。基于英飛淩公司XMC系列DSP XMC4200設計了全數字化控制系統，完成了AGV自主充電所需的所有控制功能。理論分析和實驗結果均驗證了本系統所研究的主電路拓撲、相應的控制策略的正确性及可行性。實驗結果證明該變換器能很好地實現軟開關，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系統能夠根據自身攜帶锂離子電池組的剩餘電量以及充電點之間的距離，自主完成充電，滿足了AGV動力系統對自主充電的要求。

參考文獻

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[3] 劉志雄，李浙昆.室内移動機器人自動充電技術[J].機械與電子，2007(3)：51-31.

[4] 崔志恒，韓紅玲.紅外導航自主充電室内移動機器人設計[J].實驗室研究與探索，2012，31(10)：33-36.

[5] 陳堅，康勇.電力電子學—電力電子變換和控制技術[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電源設計及應用[J].研發必讀，2001(11)：66-67.

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