基于Buck電路的機(jī)器人底盤(pán)能量緩沖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

逯逸　周銘哲　曹梓鈺

關(guān)鍵詞：Buck 電路；能量緩沖；恒功率控制

中圖分類號(hào)：TM910.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

Buck 電路是一種常用的降壓型電力電子變換電路，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可控性強(qiáng)、成本低廉等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軍事工業(yè)、新能源汽車(chē)、便攜電子設(shè)備和儀器儀表等領(lǐng)域[1]。

麥克納姆輪底盤(pán)是一種全向運(yùn)動(dòng)底盤(pán)[2]，在全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人大賽中，比賽規(guī)則對(duì)底盤(pán)電源輸出功率進(jìn)行了限制，在機(jī)器人底盤(pán)突發(fā)高功率運(yùn)行時(shí)，電源無(wú)法為機(jī)器人底盤(pán)提供足夠的能量，而機(jī)器人低功率移動(dòng)或停止時(shí)，電源提供的能量又無(wú)法充分利用。

為解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于Buck電路的機(jī)器人底盤(pán)能量緩沖系統(tǒng)，并進(jìn)行了系統(tǒng)仿真。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以在機(jī)器人底盤(pán)突發(fā)高功率運(yùn)行時(shí)提供額外的底盤(pán)功率。為機(jī)器人底盤(pán)能量緩沖提供了有效的解決方案。

1 基于Buck電路的機(jī)器人底盤(pán)能量緩沖系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于Buck 電路的機(jī)器人底盤(pán)能量緩沖系統(tǒng)由超級(jí)電容組、Buck 電路和串級(jí)PID 控制器等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

電壓環(huán)使用串級(jí)PID 控制器， 其作用是控制超級(jí)電容組電壓。電壓環(huán)的輸出為開(kāi)關(guān)器件PWM 控制信號(hào)的占空比，范圍為0 ～ 1，該信號(hào)輸入到PWM 發(fā)生器，產(chǎn)生頻率為10 kHz 的PWM 信號(hào)，輸出到開(kāi)關(guān)器件，從而完成電壓的閉環(huán)控制。

功率環(huán)的作用是控制充電功率，當(dāng)超級(jí)電容組的電壓沒(méi)有達(dá)到23 V 時(shí)，系統(tǒng)的功率設(shè)定值為電源最大輸出功率，從而保證系統(tǒng)的電源利用率達(dá)到最高。功率環(huán)的輸出范圍為0 ～ 23 V。

3 基于Buck電路的機(jī)器人底盤(pán)能量緩沖系統(tǒng)仿真

為測(cè)試基于Buck 電路的機(jī)器人底盤(pán)能量緩沖系統(tǒng)的有效性和實(shí)用性，使用MATLAB 仿真軟件進(jìn)行超級(jí)電容組的恒功率充電、恒壓控制和能量緩沖測(cè)試。機(jī)器人底盤(pán)的供電電壓范圍為12 ～ 24 V。

3.1 PID 控制器參數(shù)整定

采用實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行串級(jí)PID 控制器的參數(shù)整定。

首先進(jìn)行電壓環(huán)的整定，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)參，確定內(nèi)環(huán)參數(shù)為：P=1 000，I=0，D=0，其中D 為PID控制器的微分系數(shù)。

其次在電壓環(huán)整定完成后，需調(diào)節(jié)電流反饋濾波器的時(shí)間常數(shù)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)整，最后確定濾波器時(shí)間常數(shù)T=0.1。

最后進(jìn)行功率環(huán)的參數(shù)整定。使用實(shí)驗(yàn)法整定，確定功率環(huán)參數(shù)為：P=100，I=1，D=0。

3.2 超級(jí)電容組恒功率充電、恒壓控制仿真

進(jìn)行超級(jí)電容組的恒功率充電、恒壓控制實(shí)驗(yàn)。超級(jí)電容組初始電壓為0，仿真時(shí)間設(shè)置為40 s，仿真結(jié)果如圖4 所示。

仿真開(kāi)始時(shí)，功率在t=0.003 5 s 時(shí)刻達(dá)到設(shè)定值，功率曲線無(wú)超調(diào)，無(wú)靜差。電容開(kāi)始恒功率充電，電容電壓逐漸上升，在t=37.5 s 時(shí)刻，電容組電壓達(dá)到23 V，功率環(huán)飽和，電源輸出功率下降，直至與負(fù)載達(dá)到功率平衡，實(shí)現(xiàn)了電容組的恒壓控制。

3.3 系統(tǒng)突發(fā)高功率運(yùn)行能量緩沖測(cè)試

為驗(yàn)證在底盤(pán)突發(fā)高功率運(yùn)行情況下該系統(tǒng)的能量緩沖能力，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)突發(fā)高功率運(yùn)行能量緩沖實(shí)驗(yàn)。

為模擬機(jī)器人底盤(pán)負(fù)載功率突變，在t=1 s 時(shí)刻減小負(fù)載電阻到原來(lái)的1/2，即2.5 Ω，在t=1.5 s時(shí)刻，恢復(fù)原有負(fù)載電阻大小，超級(jí)電容組初始電壓設(shè)置為23 V。系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖5 所示。

在t=1 s 時(shí)刻，負(fù)載發(fā)生突變，功率環(huán)退出飽和狀態(tài)，功率上升到設(shè)定功率，即電源的最大輸出功率。此時(shí)電源輸出的能量全部用于底盤(pán)負(fù)載供電，不足的部分由超級(jí)電容組進(jìn)行補(bǔ)足。

在t=1.5 s 時(shí)刻，負(fù)載恢復(fù)，電源繼續(xù)以最大輸出功率輸出，其中一部分能量用于底盤(pán)供電，剩余的能量用于超級(jí)電容組充電。

在t=4.5 s 時(shí)刻，超級(jí)電容電壓達(dá)到23 V，此時(shí)電源的輸出功率下降，負(fù)載達(dá)到功率平衡，電路重新進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。

根據(jù)以上分析，基于Buck 電路的機(jī)器人底盤(pán)能量緩沖系統(tǒng)能夠在機(jī)器人底盤(pán)突發(fā)高功率運(yùn)行時(shí)起到有效的能量緩沖作用，可充分利用電源的剩余能量。

4 結(jié)論

為解決機(jī)器人底盤(pán)短時(shí)間突發(fā)高功率用電時(shí)消耗功率較大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于Buck 電路的機(jī)器人底盤(pán)能量緩沖系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在機(jī)器人底盤(pán)突發(fā)高功率運(yùn)行時(shí)提供額外的底盤(pán)功率。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠在超級(jí)電容儲(chǔ)能不滿時(shí)充分利用電源的剩余能量，在電源輸出功率不足的情況下，為機(jī)器人底盤(pán)提供有效的能量緩沖。