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硕士论文电动叉车驱动控制器设计与实现 摘要 电动叉车与内燃叉车相比具有无污染、能源利用率高等优点，正是这些优点使其在 物料搬运作业中得到了越来越广泛的应用，并使其成为物料搬运设备的研究热点，本文 以此为背景，完成电动叉车驱动控制器的设计工作。 论文在分析电动叉车驱动控制器功能需求的基础上给出了其总体设计方案，拟采用 高性能d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为控制核心，驱动电机使用永磁同步电机( p m s m ) 。将驱 动控制器分为驱动和功能两个模块进行设计；在分析相关控制技术的基础上给出了驱动 模块的控制方案。 驱动模块完成了与永磁同步电机驱动相关的设计工作。主要包括：电源设计、驱动 信号采集、电机转子初始位置测定以及驱动单元设计等。 功能模块是对驱动模块的功能扩展。主要设计工作包括：叉车行走控制信号的给定 与处理、通用性设计以及保护性设计等。通用性设计包括用户配置与监控功能设计和可 编程i 0 设计。 在驱动设计和功能设计的基础上，本文还给出了程序设计和系统调试，调试结果表 明驱动控制器的基本功能得以实现，达到了预期的设计目的。 关键词：电动叉车，d s p ，驱动控制器，p m s m ，通用性 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t e l e c t r i cf o r k l i f th a sb e e nw i d e l yu s e db e c a u s eo fi t so w n a d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g he n e r g y e f f i c i e n c y ，l e s sp o l l u t i o n ，e t c i ti sn o war e s e a r c hf o c u si nm a t e r i a lh a n d l i n g b a s e do nt h i s b a c k g r o u n d ，t h i sp a p e rf i n i s h e dt h ed e s i g nw o r ko faf o r k l i f td r i v e r & c o n t r o l l e r a f t e rh a v i n ga n a l y z e dt h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so ft h ef o r k l i f td r i v e r & c o n t r o l l e r ，t h i s p a p e rg a v eo u tt h eo v e r a l ld e i g ns c h e m e w h i c hu s e dd s pc h i pt m s 3 2 0 f 2 8 12a st h ec o n t r o l c o r ea n dp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) a st h ed r i v em o t o r t h i sp a p e r d i v i d e dt h ed r i v e r & c o n t r o l l e ri n t od r i v em o d u l ea n df u n c t i o nm o d u l e ，a n dg a v et h ec o n t r o l s c h e m eo ft h ed r i v em o d u l e t h ed r i v em o d u l ef i n i s h e dt h ep m s m d r i v i n gw o r k ，i n c l u d i n gp o w e rd e s i g n ，s i g n a l a c q u i s i t i o n ，r o t o ri n i t i a lp o s i t i o nm e a s u r ea n dd r i v eu n i td e s i g n t h ef u n c t i o nm o d u l ei sa ne x t e n d i o nt ot h ed r i v em o d u l e t h ed e s i g nw o r ko ft h i sm o d u l e i n c l u d et h ef o l l o w i n ge l e m e n t s ：f o r k l i f tw a l k i n gs i g n a l sg i v i n ga n dp r o c e s s i n g ，u n i v e r s a l d e s i g n a n dp r o t e c td e s i g n u n i v e r s a ld e s i g nc a na l s ob ed i v i d e di n t ot w o p a r t s ：u s e r c o n f i g u r a t i o n & m o n i t o r i n gd e s i g n ，a sw e l la sp r o g r a m m a b l ei od e s i g n o nt h eb a s i so fd r i v ed e s i g na n df u n c t i o nd e s i g n ，t h i sa r t i c l ea l s og a v eo u tt h ep r o g r a m d e s i g na n ds y s t e md e b u g g i n g t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h eb a s i cf u n c t i o no fd r i v e r & c o n t r o l l e r h a sb e e nm e t ，a n dt h ed e s i g np u r p o s eh a sa l s ob e e ns a t i s f i e d k e yw o r d s ：e l e c t r i cf o r k l i f t ，d s p ，d r i v e r & c o n t r o l l e r ，p m s m ，u n i v e r s a l i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：一平幻一 舯6 月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：矽哞6 月媚 硕士论文电动叉车驱动控制器设计与实现 1 绪论 1 1 课题背景介绍 叉车是仓储物料搬运的主要设备，它能够有效地减轻搬运工人的劳动强度；同时， 它具有较强的通用性、灵活性，在仓储作业中使用叉车能够有效地提高作业效率。 目前，市场上的叉车可以分为手动叉车、内燃叉车以及电动叉车。集电子技术和机 械制造技术于一体的电动叉车，与内燃叉车和手动叉车相比，具有明显的优势。除了众 所周知的能量转换效率高、噪声小、无废气排放、控制方便等特点外l l j ，电动叉车的使 用和维护成本相对于内燃叉车而言也具有很大的优势。就使用成本而言，电能的消耗成 本比柴油或者石油液化气的消耗成本低很多；操作人员的劳动强度相对于内燃叉车也大 大降低。就维护成本而言，电动叉车的维护保养周期比内燃叉车长两到三倍、维护保养 范围更小、维护保养时间更短、更换配件所需时间更短1 2 】。另外，由于电动叉车采用蓄 电池供电技术，在电动叉车的作业过程中，可以采用一定的方法对能量进行回收【3 j ，这 将进一步减少电动叉车的使用成本。这些优势对于电动叉车进一步扩大市场份额具有积 极意义。 另外，随着微电子技术、电动机技术、电力电子技术以及控制技术的快速发展，电 机驱动与控制技术得到了很大的提高，电动叉车的使用效率和可靠性等技术指标取得了 突破性的进展，这使得研发新一代的电动叉车驱动控制器成为必然。 1 2 国内外研究现状分析 1 2 1 电动叉车市场分析 目前，电动叉车在我国的市场占有率为2 0 左右，远低于欧美的4 0 。这主要由两 方面原因造成：第一，欧美国家的环境保护法对于内燃叉车市场是一个限制，因为内燃 叉车会产生尾气排放，造成空气污染；第二，国外电动叉车的研究起步比国内早、技术 先进、产品规格比较齐全，能满足不同需求。然而，目前国内众多的叉车厂家，有的消 化吸收国外先进的技术，有的自主研发，都在电动叉车的研究方面进行了大量的投入， 部分厂家如合力、杭叉都推出了自己的电动叉车产品，有的还形成了产品系列。可以预 见，随着我国对于环保的逐渐重视以及国家和企业对自主产品开发投入的增加，国内的 电动叉车即将迎来一个发展的黄金期。 目前，全球有2 6 0 多家生产叉车的企业，全球叉车年需求量约为8 0 9 0 万台。其中， 欧美和日本的需求量均比我国大，但是随着我国经济的高速发展，最近几年我国叉车的 需求量保持着约l o 的增长速度，达到了8 万台的年需求量。物流配送现代化、集装箱 l 绪论硕士论文 运输、特种搬运设备等方面的蓬勃发展将会刺激我国叉车市场的进一步发n t 4 j 。 1 2 2 电动叉车行走电机现状分析 多年来，直流电一直是电动仓储搬运设备的主要动力源，直流驱动作为一种比较便 宜的驱动方式很早以前就已经在电动设备上广泛应用。传统的电动叉车行走电机以直流 电机为主，直流电机能够提供叉车行走系统所需要的低速大转矩，速度控制相对简单， 能够实现在较宽范围内的无极调速，具有较好的机械性能【5 1 。但由于直流电机结构较为 复杂，具有换向器和碳刷，电流需流过碳刷来输送，碳刷的结构尺寸和磨损状况对电机 性能影响很大，电机的维护和保养也很麻烦；在同样的功率下，直流电机的外形尺寸要 大于交流电机；直流电机的转速要比同等的交流电机小，产生的力矩也要小；另外，当 蓄电池的电量不足或因为叉车爬坡而引起电机电流增大时，都会引起换向器的发热增 加，导致电刷的磨损和失效。正是由于这样的原因，国外许多厂家开始在电动叉车上使 用交流电机，而永磁同步电机( p m s m ) 由于以下优越性能，成为交流电机中的典型被广 泛应用。 ( 1 ) p m s m 的电磁转矩变化小、运行平稳、过载能力强、动态响应快。永磁同步电 机的负载转矩发生变化时，只会改变电机的功角，而转速维持在同步转速不变，转动惯 量不会影响电机转矩的快速响应。瞬间的最大转矩可以达到额定转矩的三倍以上，这样 的特点使得永磁同步电机适合在负载转矩变化较大的情况下运行； ( 2 ) 功率因素高，效率高。由于电机的转子采用了永磁体，无需励磁电流，因此提 高了效率，而且永磁同步电机的功率因数可以根据需要调整，最大可以达到l ； ( 3 ) 体积小，重量轻。高性能永磁材料的发展和应用使得永磁同步电机的功率密度 得到很大的提高，与同容量的异步电机相比，p m s m 在体积和质量上都有很大的优势， 并且转子结构的多样化使得它的应用更加广泛； “) 可靠性高。与直流电机和电励磁同步电机相比，p m s m 没有电刷，结构简单，系 统的可靠性高。 目前我国电动叉车主要使用的仍是直流电机，这与欧美和日本等国家和地区有一定 的差距。 1 2 3电动叉车行走电机驱动技术分析 传统的电动叉车直流驱动控制器利用高频开关的快速接通和断开来进行速度调节， 改变开和关的时间比就可以实现速度和加速度的调节。常见的控制器有两种：一种是可 控硅整流器( s c r 控制器) ，另一种是晶体管脉冲宽度调制控制器( p w m 控制器) 。这两 种形式的直流控制器都是将流向电机的电流转换为固定频率的“开 、“关特性。“开 的时间越长，流入电机的电流越大，运转的速度就越高，电机产生的电磁力矩也大。但 是由于直流电机本身的一些问题，近年来，人们把目光转向交流驱动系统，以期能够获 2 硕士论文 电动叉车驱动控制器设计与实现 得更好的控制性能。 交流驱动的电动叉车使用的电源仍为直流电源，仅有控制电路采用交流电路，控制 器和换流器将直流电转换为三相交流电来供给电机。采用交流驱动系统的电动叉车与直 流驱动的相比，具有效率高、体积小、结构简单、免维护、易于冷却和寿命长等优点。 另外，交流驱动系统调速范围宽，能够实现低速恒转矩、高速恒功率运转，更好的满足 电动叉车实际行驶的转速需求。采用交流驱动系统的叉车，整车性能显著提高，故障和 元件更换次数明显降低，可靠性极大增加，且叉车单位时间的生产率更高，操作和维护 成本更低，给用户带来显著的效益【6 j 。 目前，永磁同步电机已经在多个领域得到了广泛的应用，尤其是在对控制性能要求 较高的伺服系统中。永磁同步电机的转子很大部分是使用稀土永磁材料制造的，电机的 体积和重量与同功率的异步电机相比有了很大的改善；另外，转子没有滑环和电枢使得 电机的运行效率更高。电动叉车使用永磁同步电机控制的技术在国外已经成熟。对永磁 同步电机的控制也提出了许多控制算法【_ 7 1 。但在实际的应用中，使用较多的主要有两种 控制算法，即直接转矩控制控制算法和空间矢量控制方法。 直接转矩控制由德国和日本学者分别提出，虽然两国学者在理论推导和实现方法上 有所不同，但基本思想是一致的。它放弃了矢量控制中电流解耦的思想，不再设计p w m 脉宽调制器，即放弃电流反馈；它需要检测母线电压与电机定子电流，并据此计算出电 机的转矩与磁链，它还需要两滞环比较器分别来实现转矩和磁链的解耦控制j 。这种算 法的特点是转矩响应快、控制结构简单、易于实现全数字化。目前，这种控制算法已经 成熟，并且能够在不同型号的处理器上得以实现1 9 j 。 空间矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制交流电机的定子电流矢量，根据磁 场定向原理分别对交流电机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制交流电机转 矩的目的。其实质是将交流电机等效为直流电机，对速度和磁场两个分量分别进行控制。 在这种算法中，需要进行三相静止到两相静止、两相静止到两相旋转等多步坐标变换， 变换之后的参数可直接用于对永磁同步电机进行控制。国内外多家科研院校和企业对这 种算法进行了研究，取得了一定的成果，并且能够在d s p 的硬件上调试通过。这也说 明永磁同步电机的控制技术已经成熟，设计驱动控制器在理论上是可行的。 1 2 4电动叉车驱动控制器现状分析 电动叉车市场份额的逐年提高促进了国内外电动叉车驱动控制技术的进一步发展。 目前，我国国内主要的驱动控制器在技术上与国外仍存在一定的差距。 国内已经有厂家开发研制出了电动叉车驱动控制器，如邦荣科技、林氏科技、易发 科技等。邦荣科技的电动叉车驱动控制器已经能够做到很大的功率等级，驱动控制器也 能够实现低压大电流控制，然而该公司的核心技术多来自国外，如美国的专用车辆控制 1 绪论硕士论文 芯片和日本的大功率驱动技术等，没有自主知识产权；林氏科技和易发科技的主要产品 是用于低吨位叉车的驱动控制器，且功率等级一般都比较低；合肥凯利科技已经能够开 发系列的驱动控制器，功率可达数千瓦，而且也能够实现大电流的控制，并且还开发出 了具有监控和可配置功能的产品；缺点是这些产品是以直流电机和交流异步电机为应用 背景开发的，除了在能源利用效率方面有所不足外，电动叉车的使用和维修成本也比较 古 l e r lo 与国内还未能突破永磁同步电机在电动叉车上的应用的现状相比，目前国外的电动 叉车使用的驱动电机有很大部分为交流的p m s m ，这主要得益于他们先进的工艺和控制 技术。美国通用( g e ) 、科蒂斯( c u r t i s ) ，意大利萨牌( z a p i ) ，法国赛维康( s e v c o n ) 以 及日本的丰田等公司都开发出了系列化的电动叉车驱动控制器。与国内的驱动控制器技 术相比，他们的产品具有更加优越的性能。首先，这些公司都开发出了系列化的产品， 用户可以根据自己的需求选择不同功率的电动叉车驱动控制器；其次，他们的产品一般 都预留了用户配置接口并具有监测功能，用户可以根据需要配置控制器的相关参数，故 通用性更强；最后，这些公司的产品应用领域更加广泛，从直流电机到交流异步电机， 再到永磁同步电机，都有配套的驱动控制器可供选择。 1 3 论文的主要研究内容 本文在分析研究国内外电动叉车驱动控制器的现状及相关技术的基础上，给出电动 叉车驱动控制器的总体设计，该设计使用永磁同步电机作为叉车的行走驱动电机。永磁 同步电机的电流控制采用了直轴电流i a = 0 的控制策略，采用电压空间矢量脉宽调制控制 算法，并采用双闭环控制系统来设计电动叉车的驱动控制器。本文的研究内容包括： ( 1 ) 电动叉车驱动控制器的驱动模块设计，该部分完成与行走驱动电机控制相关的 研究，包括电源设计、闭环系统中闭环信号的采集与实现、驱动单元设计与实现以及驱 动电机转子初始位置分析等内容； ( 2 ) 电动叉车功能模块设计，该部分主要完成了用户配置与监控功能设计与实现、 电动叉车行走控制信号给定、可编程i o 设计以及电动叉车的保护性设计与实现等； ( 3 ) 电动叉车驱动控制器程序设计，该部分介绍了程序设计的开发平台、数据格式， 并对部分程序设计进行说明： ( 4 ) 驱动控制器设计的调试结果与分析，该部分对驱动控制器中的主要的模块进行 调试，并对调试结果进行分析，用于验证设计效果是否能够满足系统需求。 1 4 论文章节安排 4 论文章节安排如下： 第一章介绍了电动叉车的国内外现状，阐述了课题的主要研究内容及章节安排； 硕士论文电动叉车驱动控制器设计与实现 第二章给出了电动叉车驱动控制器的总体设计，并对驱动控制器设计所涉及的控制 技术做简单介绍； 第三章根据总体设计对电动叉车驱动控制器进行了驱动模块设计，完成了驱动永磁 同步电机所需的设计工作； 第四章完成电动叉车的功能设计，联系电动叉车实际操作状况，对驱动控制器进行 功能扩展，并设计与实现了用户配置等功能； 第五章在驱动模块和功能模块的基础上，给出了驱动控制器的部分程序设计； 第六章在对驱动控制器进行试验与调试，并对调试结果进行分析； 第七章对全文进行总结，并提出了需要进一步完成的工作。 硕士论文电动叉车驱动控制器设计与实现 2 驱动控制器总体设计 在设计驱动控制器之前，需要对驱动控制器的整体功能作出总体评估，并在细化分 析的基础上确定各个模块所要完成的设计任务，对驱动控制器的控制芯片选型；对相关 技术和算法进行比较和研究；综合考虑，确定最佳的驱动控制器设计方案。本章将从功 能需求分析和方案确定两个方面对驱动控制器的总体设计进行介绍。 2 1 驱动控制器功能需求分析 在仔细分析电动叉车行驶过程中所需执行的操作以及驱动控制器基本功能的基础 上，对驱动控制器的功能提出如下要求： ( 1 ) 电动叉车驱动控制器应该有双电机驱动能力，故驱动控制器的控制核心应该具 有双电机驱动功能，并且要求控制核心具有比较强大智能的处理能力； ( 2 ) 考虑到电动叉车需执行较多的输入输出操作，驱动控制器应该具有较多的i o 口，同时考虑到驱动控制器的预留i o 口在不同类型的叉车上可能具有不同的定义，因 此这些i o 口应该具有可编程功能； f 3 ) 由于电动叉车的方向和速度给定有别于传统的内燃叉车，故需要使用特殊的设 计方法实现电动叉车速度和行驶方向的给定。本设计拟使用三线电位计的方法，并保证 速度在线性范围内正比于速度调节电位计输入，转向输出正比于转向调节电位计输入； ( 4 ) 驱动控制器需要预留相应的通信接口和扩展的多功能面板接口，以接收p c 机 的控制指令和控制参数，并能接收不同控制需求下的不同配置，为车体的升级换代提供 保证； ( 5 ) 需要应用闭环控制方法来保证驱动控制器的控制精度，故在设计驱动控制器的 过程中，需要设计信号采集电路； ( 6 ) 为了保证驱动控制器运行的可靠性，需要对驱动控制器进行保护性设计，并要 求驱动控制器具有故障指示、故障保存与故障再现等功能； ( 7 ) 出于降低功耗、提高能源利用率等因素的考虑，驱动控制器应在器件选型、控 制策略与算法选择方面作出优化选择，使得电池的使用效率更高； ( 8 ) 受限于电动叉车的体积和电池的容量，综合考虑驱动控制器的功率需求，需要 采用低压大电流的设计方案； ( 9 ) 为了保证系统的安全，并需要设置在紧急情况下控制器迅速停止工作，需设计 急停开关。 在对驱动控制器的总体功能进行分析后，构建电动叉车驱动控制器的功能接线图如 图2 1 所示。 7 2 驱动控制器总体设计硕士论文 图2 1 电动叉车驱动控制器功能接线图 在上图中，i n l i n 8 为开关信号输入同时也作为可编程的输入口，在不同的叉车平 台上有着不同的定义；o u t 口作为输出，连接到对应的执行器件，控制着叉车的行走。 在实际设计中，所保留的o u t 口的数目比上图中列出的要多。叉车行走方向和速度都 是通过三线电位计的方法给定的，不过两者使用的三线电位计给定数值的方法有一定的 8 硕士论文 电动叉车驱动控制器设计与实现 差异，这将在驱动控制器功能设计的章节予以介绍。两路热电偶传感器用于测量电机的 温度，一旦温度过高，系统将及时对电机做出保护动作。光电编码器负责测定电机的实 时转速，用于闭环控制，以实现驱动电机的平稳运行。另外，预留的p c 配置编程接口、 选配面板控制器等都是为了实现驱动控制器的通用性，方便用户根据自己的需要对驱动 控制器的参数实现再配置，也可以对电动叉车的各种参数进行监控。 2 2 驱动控制器主要技术指标与方案确定 技术指标作为电动叉车驱动控制器设计的核心依据，直接关系着设计的成功与否； 设计方案作为具体设计实现的大纲，对于设计实现具有很强的指导意义。 2 2 1 驱动控制器的主要技术指标 驱动控制器的主要技术指标为： ( 1 ) 叉车行走控制采用双电机驱动方法，三相全桥，功率可配置； ( 2 ) 本电动叉车驱动控制器设计标准电压为4 8 v ，电压输入范围为3 6 v 7 2 v ；并可 根据需要设计系列化产品； ( 3 ) 工作电流最大达2 8 0 a ，双电机各采用2 个线电流传感器，响应时间小于3 螂， 精度小于0 5 ； ( 4 ) 速度反馈采用增量式光电编码器，6 4 脉冲转； ( 5 ) 电流控制周期为5 0 s ，速度控制周期为2 0 m s ： ( 6 ) 使用永磁同步电机作为电动叉车行走控制电机，电机额定功率为1 l k w ，转速为 l7 8 0 r m i n ： ( 7 ) 电压检测点有2 个，分别是电池电压、电机单相定子电压； ( 8 ) 温度检测点6 个，分别是2 路大功率模块温度、2 路散热器温度、2 路电机温度。 2 2 2电动叉车驱动控制器总体设计方案 在对电动叉车驱动控制器进行功能分析和主要技术指标分析后，给出电动叉车的总 体设计方案，如图2 2 所示。 图2 2 将电动叉车驱动控制器分为两个主要模块，分别是驱动模块和功能模块。驱 动模块主要负责与电动叉车驱动控制相关的设计；而功能模块则主要完成驱动控制器的 功能设计：分别在第三章和第四章进行详细介绍。 驱动模块使用t i 公司的高性能电机控制芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为控制核心。电池提 供的4 8 v 电压经过电压转换后变换为5 v ，1 5 v ，1 5 v 三个电压等级。其中，为了防止 相互干扰，5 v 和1 5 v 电源又可分为模拟电源和功率电源，这些电压主要为驱动控制器 中的芯片供电；控制核心芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内核和外设所使用的供电电压不同，分别 为1 8 v 和3 3 v 1 0 】，需要模拟的5 v 电压经过转换后获得。事件管理器具有p w m 输出 q 2 驱动控制器总体设计 硕士论文 功能，输出的p w m 经驱动单元后驱动三相永磁同步电机的运行。为了实现精确控制， 还需要组成闭环系统，这将在第三章详细介绍。 驱动模块功能模块 图2 2 驱动控制器整体结构图 功能模块主要对电动叉车驱动控制器进行功能设计。该模块将叉车行驶给定速度、 行驶方向等信号采集进驱动控制器，对i o 口进行功能定义；为了叉车的可靠运行，还 进行了保护性设计。预留的用户配置接口可以让产品具有通用性和可扩展性。这将在第 四章详细介绍。 2 3 总体控制方案设计 在电动叉车驱动控制器的设计中，驱动模块的设计占了较大的比例。驱动模块的主 要作用是控制永磁同步电机按照要求平稳运行，这就要求系统具有良好的控制性能。本 电动叉车驱动控制器的设计以永磁同步电机( p m s m ) n 背景，故控制方案是建立在永磁 同步电机的基础上的。本节将从电流控制策略、脉宽调制方式选择以及双闭环系统的建 立三个方面来分析控制方案的设计。 2 3 1电流控制策略选择 通过等效坐标变换，可以将三相静止坐标系中的定子电流变换为两相旋转坐标系中 的直轴电流i 。和交轴电流i 。【1 1 】【1 2 】。根据给定转矩确定直轴电流和交轴电流的控制方法， 就是永磁同步电机的电流控制策略。 1 n 硕士论文电动叉车驱动控制器设计与实现 永磁同步电机的电流控制策略主要有：( 1 ) 功率因数等于l 控制；( 2 ) i d = o 控制； ( 3 ) 恒磁链控制；( 4 ) 力矩电流比最大控制。 ( 1 ) 功率因数等于l 的控制方法是使电机的功率因数恒为1 。这种方法可以充分利 用逆变器的容量。其缺点是在同等电流下电机输出的力矩较小，在负载变化的情况下， 转矩绕组的总磁链难以保持恒定，电枢电流和转矩不能保持线性关系； ( 2 ) i a = o 控制是最简单的一种电流控制方法，这种方法的计算量最小。其最大优点 是电枢电流没有直轴励磁分量，电磁力矩和电枢电流成线性关系，不会出现电机退磁而 使电机性能变坏的现象。其缺点是功角( 电机转子磁场与定子磁场之间的夹角) 和电机端 电压均随负载增大而增大，功率因素下降；另外，该方法没有充分利用磁阻转矩，也没 有充分发挥电机转矩输出能力； ( 3 ) 恒磁链控制方法是控制电机定子电流，使电机气隙磁链与定子交链磁链在幅值 上相等。最大输出力矩虽然能在高功率因素的条件下有所提高，但其还是受限的； ( 4 ) 力矩电流比最大的控制方式，电机在输出力矩满足要求的条件下，其输出的定 子电流最小，这样就可以减小电机线圈的铜耗，提高能源系统效率。这种控制方法的逆 变器损耗也是最小的。其缺点是运算复杂，在实现上有难度，且功率因数会随着电机输 出力矩的增大而迅速下降。 以上四种电流控制策略各有优缺点，分别适用于不同的应用场合【1 3 】【1 4 】，本文的电动 叉车驱动控制器在设计时选择了i a = o 的控制策略。 2 3 2 脉宽调制方式选择 目前，用于永磁同步电机控制的脉宽调制方式主要有电压空间矢量脉宽调制和正弦 脉宽调制。 电压空间矢量脉宽调制( s v p w m ) ，其主要思想是以三相对称正弦波电压供电时三 相对称定子理想磁链圆为参考标准，对三相逆变器不同开关模式施以适当的切换，使其 在定子线圈中产生三相互差1 2 0 0 的波形失真较小的正弦电流，并使用该正弦电流形成的 磁链矢量追踪标准的磁链圆f l 5 1 。 传统的正弦脉宽调制技术( s e w n ) 从电源角度出发，以生成个频率和幅值可调的 正弦波电源；电压空间矢量脉宽调制技术则将逆变电路和电机当做整体考虑，建模更加 容易，控制更为灵活。另外，相比于s p w m 而言，s v p w m 技术输出的定子电压和电 流有更少的谐波失真，更能有效的利用直流供电电压，其利用率可提高1 5 。本驱动控 制器采用更加先进的s v p w m 技术来设计。 2 3 3 双闭环系统的建立 为了满足电动叉车驱动控制器控制精度的要求，本设计对于永磁同步电机的控制采 用了双闭环的方法。电流环的主要作用是提高控制精度和系统的响应速度，此外，它还 1 l 2 驱动控制器总体设计 硕士论文 能改善系统的控制性能；转速环主要用于增强系统抗扰动的能力，使系统能够进行稳定 的速度控制，并能在速度控制时不产生振荡。双闭环系统的结构如图2 3 所示。 图2 3 驱动控制器双闭环结构图 在图2 3 中，转速环作为外环，电流环作为内环构成了驱动控制器的双闭环结构。 电流环对电机的直轴电流和交轴电流分别进行p i d 控制，以使电流环获得较好的控制精 度；转速环对电机转速进行控制，实现转速平稳控制。图2 3 还对电机的三相定子电流 进行测量，作为坐标变换的输入量，另外，在p a r k 变换和s v p w m 模块中都使用了功 角这个量，故需要对这个角进行测量，测量方法是使用光电编码器。直流电压u d c 加在 逆变电路的电源和地端，经过逆变输出对称的三相电压加载在电机上，用以驱动电机的 运行。 2 4 本章小结 本章主要介绍了电动叉车驱动控制器的总体设计，首先分析了电动叉车驱动控制器 所需具备的功能，在功能分析的基础上，给出了驱动控制器的总体设计方案，将驱动控 制器分为驱动模块和功能模块；其中，驱动模块主要完成三相永磁同步电机驱动的相关 工作，而功能模块则主要完成的是驱动控制器与电动叉车的交互设计，包括信号量的给 定、叉车驱动控制器的保护性设计等方面。最后还分析了驱动控制器能够正常运行所需 要使用到的控制技术，包括电流控制策略、脉宽调制方式以及双闭环控制结构等内容。 总之，本章是论文的基础，是详细设计的概述，同时对于论文的撰写具有很强的指导性。 1 2 硕士论文电动叉车驱动控制器设计与实现 3 驱动模块设计与实现 3 1 电源设计 电源模块作为驱动控制器的能量来源，其性能直接关系到整个电动叉车驱动控制器 的性能。在设计电源模块时，应多加考虑可能对控制器性能产生影响的不利因素，并尽 可能将这些影响降到最低。 电动叉车采用4 8 v 的电池为整个叉车系统供电。在设计驱动控制器的电源模块时， 首先应该对系统中所需要使用到的电压等级有明确的了解，在此基础上进行器件选型。 本驱动控制器所需要使用的电压等级包括：4 8 v 、1 5 v 、1 5 v 、5 v 、3 3 v 、1 8 v ，从电 压等级可以看出电动叉车驱动控制器电压等级的跨度之大。另外，在设计电源模块时， 还需要考虑到信号之间的相互干扰，故本设计将电源模块分为控制部分和驱动部分。在 设计控制电源时，除了需要将4 8 v 电源转换到1 5 v 、1 5 v 、5 v 外，还需要将5 v 电压 转换为3 3 v 和1 8 v 用于d s p 供电。驱动电源部分只需要将4 8 v 电压转换为1 5 v 和5 v 即可。控制电源设计部分如图3 1 和图3 2 所示，其中，图3 2 为d s p 电源设计原理图。 c5 v k e y 0 l i f e + v 诅+ v o b - 一 ： + v 缸c o m v 血c o m e踟缈 图3 1 电池电压转换电路图 在图3 1 中，分别使用了金升阳的电源模块w r a 4 8 1 5 z p 。6 w 和w r a 4 8 0 5 z p 6 w 产 生1 5 v 、一1 5 v 以及5 v 的电压。其中，k e y 表示电动叉车的钥匙开关，其电气特性表 现为电池的电源正端，b 坝4 相当于电池的电源负端。o f 端电平的高低控制着d c d c 输出状态，本设计中该引脚未连接，相当于置高，即让d c d c 模块一直处于o n 的状 态。输出端接电容的目的是使输出电压值更加稳定，在选取电容值时，要综合考虑滤波 效果和系统启动问题，本设计中选择2 2 0 心和6 8 0 庐作为输出滤波电容。 3 驱动模块设计与实现硕士论文 。2 n lv o u t l 2 3 丁 】c 3 8 3 n lv o u t l 2 2 】il 飞 m r 16 2 1r 6 6 臣于7 宅j 1p g l5 m r lf b l矿。 。 菇o k j 一 m r 2p g l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ p g l 山1 0 n 2l 强s e t 1 9 - 1 1 n 2 x r sj r 3 7 1 5 4 7 k 芝c 3 9i v o u t 2可广 v d d l 8 m r l 1 0 4 1 2 g n dv o u t 2 1 3 g n df b 2 1 6 】 2 4 g n d c 2 lc 5 5+ g n d 降1 - 91 7= ，、 g n dn c百1 0 4 l u f l i s w - p b 7 n c e nn c 4 8 一 。_ _ _ 。一 s r q _ 图3 2t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 电源设计原理图 在图3 2 中，使用t i 公司的专用电源芯片t p s 7 0 3 5 1 为t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 提供工作电 压【16 1 。由于2 8 1 2 要求外设优先于内核上电，故在上电次序上有一定的要求。d s p 外设 i o 的3 3 v 电压应该提前于内核的1 8 v 上电，不过提前时间不能大于1 秒。在图3 2 中，5 v 作为电源输入端，在使能信号有效的情况下，输出端即可产生相应的电压转换 输出。其输出顺序由s e q 引脚控制，当该引脚为高时，1 8 v 优先于3 3 v 输出，反之则 3 3 v 优先输出。在本设计中，需要d s p 的u o 优先供电，故将s e q 引脚置低。将p g l 连接到输入的丽匝也实现了这一功能。当v o u t l 达到其额定值的8 3 时，p g l 引脚被 置高，此时，丽匝引脚置高，手动复位无效，将启动第二路输出，即v o u t 2 开始有电 压信号输出。这样的设计有助于保证d s p 的正常工作，也有利于系统的可靠性。另外， 蕊作为t p s 7 0 3 5 1 输出的复位信号，可用于使d s p 复位。驱动控制器还带有手动复位 的功能，该手动复位键即为s 1 。 驱动电源设计电路如图3 3 所示，采用了l m 2 5 7 6 h v t - 1 5 和l m 2 5 7 6 h v t - 5 来完成 驱动电源的设计l l7 1 。与控制电源稍有不同的是，驱动电源的输出是受控的，它们是否能 够输出相应的电压信号由p o n 的电平状态来控制。当p o n 为高时，电压转换芯片处于 关断状态，电压输出被关闭。只有在p o n 为低时才能够输出驱动用的电压等级。由于 p o n 的电平状态与驱动电源分属于不同的参考系，故在驱动电源与控制电源之间采用了 光耦隔离，这里使用的是t l p 5 2 1 1 。光耦的电流在o 5 1 0 m a 区间段内线性度比较好【l8 1 ， 所以在选择限流电阻的时候采用的是1 k q 的电阻，此时，输入端的电流约为5 m a ，刚 好在电流线性范围较好的区间内。在选择输出端的电感、二极管以及电容时，需要考虑 到转换效率，开关特性等参数，使驱动电源输出能够获得最好的性能，本设计参照器件 手册，分别选用了3 0 0 h h ，3 3 0 心以及1 n 5 8 1 9 。 1 4 硕士论文电动叉车驱动控制器设计与实现 ，一u 2 8l m 2 5 7 6 i , i w 1 5 图3 。3 驱动电源电路图 电动叉车驱动控制器的电源采用了两套电源供电的策略，一套为控制电源，另外一 套则是与驱动和外部接口相关的驱动电源。两套电源之间采用光电隔离措施，这是因为 驱动电源部分与输入输出通道过程相连，是过程干扰进入d s p 系统的主要通道，而且 在两种电源的接口处，一方信号很容易干扰另一方导致信号的误采集。采用光电隔离措 施之后，信号变为单向传输，输入端与输出端之间完全实现了电气隔离，输出信号对输 入端没有影响，抗干扰能力得到加强，系统更加可靠。 3 2 驱动信号采集 电动叉车驱动控制器，需要对行走电机进行精确控制，以使电动叉车获得良好的控 制性能。在设计叉车驱动控制器时，采用了双闭环的策略对驱动电机进行控制。本节将 从电流、转速两个控制信号的获得来介绍驱动信号的采集与实现。 3 2 1 电机电流采集 双闭环电机控制系统中，电流环需要的是三相电机定子电流信号。在采集该电流信 号时，一般只需要采集其中两相即可，第三相电流可以根据矢量表达式i a + i b + i c = o 求得。 同样，在采样电流信号时，需要对采样所得的信号进行校准，以尽可能得到接近实际电 3 驱动模块设计与实现硕士论文 流的值。 1 、电流采样电路设计与软件实现 由于采集两相定子电流所采用的硬件电路在原理上相同，故只介绍其中一相。定子 电流采样电路如图3 4 所示。 ag n d 图3 4 定子电流采样原理图 在图3 4 中，电流传感器使用的是h n c 3 0 0 l t ，该传感器的输入检测电流可以达到 3 0 0 a ，线数比为2 0 0 0 ：1 ；即在输入电流为3 0 0 a 的条件下，输出的电流为1 5 0 m a ，经 过一个2 6 6 7 q 的调理电阻调理后，转换为4 v 的电压值送至比较放大电路。a d 5 的值 为输入到d s p 中的模拟值。图3 4 中设计了一个电压偏置电路，这是因为正常的三相电 机的定子电流是规则的正弦波，其存在数值上的正负之分，而处理器能够采集的电压信 号必须是大于0 的正值，偏置电路的作用就是保证采集的电压信号为正。调试时需要对 r p l 进行调节，使得当u 1 d 的1 2 脚为4 v 时，a d 5 的值为3 v 。 在电流采样的软件实现时，需要使用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的a d c 模块，这里简单介绍 2 8 1 2 的a d c 模块。2 8 1 2 的a d c 模块具有以下特剧1 9 】： ( 1 ) 数据位数为1 2 位，采样快速；可以由多个触发源启动，中断控制灵活 1 6 硕士论文 电动叉车驱动控制器设计与实现 ( 2 ) 两个采样和保持器( s h ) ，1 6 通道模拟输入，1 6 个结果寄存器 ( 3 ) 同步或顺序采样模式，既可以工作在两个独立的8 通道排序器模式，也可以工 作在1 6 通道级联模式 ( 4 ) 模拟输入电压范围为0 - 3 v 转换后的数字量表示为： 数字值：4 0 9 5 塑尘蕉堡攀幽 ( 3 1 ) j 式( 3 1 ) 中，a d c l o 为参考低电平，其值般为0 。在具体设计中，需要配置相应 的a d c 模块的寄存器，以使其能够正常工作，本设计中设定在t 1 定时器的下溢中断 启动a d 转换，以a 相定子电流为例，中断程序中的a d 软件框图如图3 5 所示。 ( a 。转换开始 ) 上 等待a d c 转换完成 上 读取a d c r e s u l t l 3 的值，并右移4 位 j 又t a d 电流采样结果进行软件校准 j 复位排序器，为下次a d 采样做准备 - j 惯上转速用每分钟转数( r m i n ) 来表示，则驱动电机的转 速可以表示为： 6 0 m 1 6 0 m l f o p 4 r c + z x r ) p u m 2 ( 3 7 ) 式( 3 7 ) q b ，f o 表示采样频率。采样周期的选取对于该测速方法的性能具有重要的影 响。在设定该值时应该根据电机参数、控制参数等综合考虑。另外，式( 3 6 ) 在计算转角 的时候，还应该考虑编码器的z 相与定子的a 相间的夹角。理想情况下，该角度应该 为0 。然而由于机械安装偏差等缘故，实际中该角度并不为o ，因此在使用时应该做出 相应的补偿。 本节给出了电流采样、速度采样的硬件设计，分析了电流采样的校正方法，阐述了 转角和转速测量的基本理论。本节是驱动控制器性能设计的关键，对驱动控制器的控制 性能有着至关重要的影响。 3 3 驱动电机转子初始位置测定 永磁同步电机转子初始位置检测是驱动控制器的设计中一个必不可少的环节。若转 子位置检测失误，则会严重影响到对角度和转速的计算，以致无法正确完成关于电机控 制的其他算法，从而造成电机运行紊乱甚至失步。故驱动电机的初始位置测定至关重要。 解决这个问题有一种常用的简单方法【2 6 】：在电机的三相定子中的任意相上加上已知 硕士论文 电动叉车驱动控制器设计与实现 大小和方向的直流偏量并持续一段时间，用于产生一个恒定的磁场。永磁同步电机的磁 极在该磁场的作用下缓慢转动，并最终转到两个磁链同方向的位置。完成这些工作后， 电机再正常启动。这种方法虽然可以实现定转子磁场的精确定位，但是在此过程中，电 机的转子产生了物理上的转动，这在很多实际应用系统中是不被允许的，因此它的实用 性也大大减小。电动叉车驱动控制器在设计的过程中使用了一种转子几乎不动的情况下 估算初始位置的方法。 3 3 1 定子初始位置测定基本原理 在忽略了永磁同步电机的磁路饱和影响，假设相绕组的电感与电流大小无关，由电 机理论分析可得出相绕组电感随转子位置角0 的变化应呈周期性变化【2 7 】f 2 8 】。以a 相绕组 为例，在忽略高次谐波分量的影响下，a 相绕组的电感会随着位置角0 的变化而变化， 其函数关系可以表示为： 上a ( 0 ) = l o + 三c o s ( p e )( 3 8 ) 式( 3 8 ) 中，p 为电机极对数，l 为a 相电感的基波分量，l 0 为a 相电感的恒定量。 由于永磁同步电机各相结构相同，所以b 、c 两相电感的基波分量和恒定分量也是相同 的，只是不同相的电磁特性在空间上有1 2 0 0 的相位差，假设a b c 为电机的正常运行 顺序，则可以得出： f z o ( 0 ) = l o + 三c o s ( p e ) 厶( 0 ) = l o + l c o s ( p