基于Buck電路的機器人底盤能量緩沖系統設計

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、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，比賽規則對底盤電源輸出功率進行了限制，在機器人底盤突發高功率運行時，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，并進行了系統仿真。仿真結果表明，該系統可以在機器人底盤突發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總體設計

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

電壓環使用串級PID 控制器， 其作用是控制超級電容組電壓。電壓環的輸出為開關器件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控制。

功率環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，系統的功率設定值為電源最大輸出功率，從而保證系統的電源利用率達到最高。功率環的輸出范圍為0 ～ 23 V。

3 基于Buck電路的機器人底盤能量緩沖系統仿真

為測試基于Buck 電路的機器人底盤能量緩沖系統的有效性和實用性，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 控制器參數整定

采用實驗法進行串級PID 控制器的參數整定。

首先進行電壓環的整定，經過實驗調參，確定內環參數為：P=1 000，I=0，D=0，其中D 為PID控制器的微分系數。

其次在電壓環整定完成后，需調節電流反饋濾波器的時間常數，經過實驗調整，最后確定濾波器時間常數T=0.1。

最后進行功率環的參數整定。使用實驗法整定，確定功率環參數為：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，功率環飽和，電源輸出功率下降，直至與負載達到功率平衡，實現了電容組的恒壓控制。

3.3 系統突發高功率運行能量緩沖測試

為驗證在底盤突發高功率運行情況下該系統的能量緩沖能力，設計了系統突發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。系統仿真結果如圖5 所示。

在t=1 s 時刻，負載發生突變，功率環退出飽和狀態，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，電路重新進入穩態。

根據以上分析，基于Buck 電路的機器人底盤能量緩沖系統能夠在機器人底盤突發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，該系統能夠在機器人底盤突發高功率運行時提供額外的底盤功率。仿真結果表明，該系統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。