逯逸　周銘哲　曹梓鈺

關鍵詞：Buck 電路；能量緩沖；恒功率控制

中圖分類號：TM910.6 文獻標識碼：A

0 引言

Buck 電路是一種常用的降壓型電力電子變換電路，其具有結構簡單、可控性強、成本低廉等特點，廣泛應用于軍事工業(yè)、新能源汽車、便攜電子設備和儀器儀表等領域[1]。

麥克納姆輪底盤是一種全向運動底盤[2]，在全國大學生機器人大賽中，比賽規(guī)則對底盤電源輸出功率進行了限制，在機器人底盤突發(fā)高功率運行時，電源無法為機器人底盤提供足夠的能量，而機器人低功率移動或停止時，電源提供的能量又無法充分利用。

為解決上述問題，本文設計了一種基于Buck電路的機器人底盤能量緩沖系統(tǒng)，并進行了系統(tǒng)仿真。仿真結果表明，該系統(tǒng)可以在機器人底盤突發(fā)高功率運行時提供額外的底盤功率。為機器人底盤能量緩沖提供了有效的解決方案。

1 基于Buck電路的機器人底盤能量緩沖系統(tǒng)總體設計

基于Buck 電路的機器人底盤能量緩沖系統(tǒng)由超級電容組、Buck 電路和串級PID 控制器等組成，系統(tǒng)結構如圖1 所示。

電壓環(huán)使用串級PID 控制器， 其作用是控制超級電容組電壓。電壓環(huán)的輸出為開關器件PWM 控制信號的占空比，范圍為0 ～ 1，該信號輸入到PWM 發(fā)生器，產生頻率為10 kHz 的PWM 信號，輸出到開關器件，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，當超級電容組的電壓沒有達到23 V 時，系統(tǒng)的功率設定值為電源最大輸出功率，從而保證系統(tǒng)的電源利用率達到最高。功率環(huán)的輸出范圍為0 ～ 23 V。

3 基于Buck電路的機器人底盤能量緩沖系統(tǒng)仿真

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

3.1 PID 控制器參數(shù)整定

采用實驗法進行串級PID 控制器的參數(shù)整定。

首先進行電壓環(huán)的整定，經(jīng)過實驗調參，確定內環(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，需調節(jié)電流反饋濾波器的時間常數(shù)，經(jīng)過實驗調整，最后確定濾波器時間常數(shù)T=0.1。

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

3.2 超級電容組恒功率充電、恒壓控制仿真

進行超級電容組的恒功率充電、恒壓控制實驗。超級電容組初始電壓為0，仿真時間設置為40 s，仿真結果如圖4 所示。

仿真開始時，功率在t=0.003 5 s 時刻達到設定值，功率曲線無超調，無靜差。電容開始恒功率充電，電容電壓逐漸上升，在t=37.5 s 時刻，電容組電壓達到23 V，功率環(huán)飽和，電源輸出功率下降，直至與負載達到功率平衡，實現(xiàn)了電容組的恒壓控制。

3.3 系統(tǒng)突發(fā)高功率運行能量緩沖測試

為驗證在底盤突發(fā)高功率運行情況下該系統(tǒng)的能量緩沖能力，設計了系統(tǒng)突發(fā)高功率運行能量緩沖實驗。

為模擬機器人底盤負載功率突變，在t=1 s 時刻減小負載電阻到原來的1/2，即2.5 Ω，在t=1.5 s時刻，恢復原有負載電阻大小，超級電容組初始電壓設置為23 V。系統(tǒng)仿真結果如圖5 所示。

在t=1 s 時刻，負載發(fā)生突變，功率環(huán)退出飽和狀態(tài)，功率上升到設定功率，即電源的最大輸出功率。此時電源輸出的能量全部用于底盤負載供電，不足的部分由超級電容組進行補足。

在t=1.5 s 時刻，負載恢復，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供電，剩余的能量用于超級電容組充電。

在t=4.5 s 時刻，超級電容電壓達到23 V，此時電源的輸出功率下降，負載達到功率平衡，電路重新進入穩(wěn)態(tài)。

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

4 結論

為解決機器人底盤短時間突發(fā)高功率用電時消耗功率較大的問題，設計了基于Buck 電路的機器人底盤能量緩沖系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在機器人底盤突發(fā)高功率運行時提供額外的底盤功率。仿真結果表明，該系統(tǒng)能夠在超級電容儲能不滿時充分利用電源的剩余能量，在電源輸出功率不足的情況下，為機器人底盤提供有效的能量緩沖。