电动叉车直流电机驱动与控制系统的设计 前沿论文.doc

电动叉车直流电机驱动与控制系统的设计井学智，全书海，黄亮（武汉理工大学自动化学院，武汉 430070）5摘要：本文完成了电动叉车直流电机驱动与控制系统的设计，对他励直流电机的控制原理以 及驱动系统中功率场效应管 MOSFET 的选取、MOSFET 驱动电路中自举电容、自举二极管 及驱动电阻的选取进行了重点分析。对控制算法和驱动电路进行的仿真分析表明本设计实现 了对他励直流电机电枢、励磁的正确控制。 关键词：电力拖动系统及其自动化；电机驱动系统；MOSFET 驱动电路；仿真10中图分类号：TM331+.3Design Of Drive Module For Electric ForkliftJING Xuezhi, QUAN Shuhai, HUANG Liang(Automation School,Wuhan University of technology,Wuhan 430070)15Abstract: In this paper the drive and control system for the electric forklift - motor is designed.The principle of controlling for excited DC motor is demonstrated. Selection of MOSFET and selection of flying capacitor,the bootstrap diode and driving resistance for the driving circuit ofMOSFET are analized as focal point. The simulation of control algorithm and driving circuit indicate that this design implement the proper control for armature circuit and excitation circuit of20the excited DC motor.Key words: eletric power drive system and its automation; motor drive system;driving circuit forMOSFET;simulation0引言25随着现代技术的发展，电动车蓄电池技术日益成熟，蓄电池的能量密度、循环寿命、比 功率等主要技术性能指标有了突破性的发展。这为电动汽车的发展奠定了良好的基础。以蓄 电池为动力的电动叉车，没有空气和噪声污染，并且有较高的能量回馈率，因此研究电动叉 车的驱动以及能量回馈的方法对于节能减排构建节约型社会有重大意义1。本文以电动叉车 工程项目为背景，对他励直流电机的驱动与控制系统进行了研究与设计，实现对他励直流电30机的稳定、可靠控制。1硬件系统整体设计方案驱动器工作原理：叉车正常运行时，驱动器工作在带载模式下，通过调节控制单元的输 出 PWM 占空比来调节电动机电枢电压，实现控制行车速度；通过改变励磁电流的方向实现 电动机的正反转；叉车制动时驱动器工作在能量回馈模式下，通过将制动过程中产生的电能35回馈到电池中，提高了叉车的行驶里程。 整个系统由控制单元和驱动单元构成。控制单元负责完成所有的算法生成、PWM 波形生成与控制工作。驱动单元负责驱动电机与能量回馈。如图 1.1 所示。基金项目：教育部博士点基金资助（20090143110004）作者简介：井学智（1982-），男，硕士研究生，电动叉车直流电机驱动与控制系统的研究通信联系人：全书海（1955-），男，教授，主要研究方向：汽车电子与电动汽车技术，模式识别与图像处 理，智能信息处理与智能控制. E-mail: Q图 1.1 电动叉车驱动与控制系统40本设计对电机的电枢回路采用半桥驱动方式进行控制（如图 1.2），对励磁回路采用全 桥驱动方式进行控制（如图 1.3）2。PWMaPWMa图 1.2 半桥驱动电枢回路45图 1.3 全桥驱动励磁回路功率管 V1 和 V2 的 PWM 为互补信号，在每个 PWM 周期，当 V2 导通时 V1 截止，电枢电流为 Ia（如图 1.2 所示），当 V2 截止时，由于电枢绕组自感电动势的作用，电枢电流 通过续流二极管 D1 形成回路。电机加速时，增加 PWM 的占空比，电枢电压不断增大，从50而实现速度增加，调节速度快而且准确；减速时，降低 PWM 占空比，电枢电压不断降低， 电枢反电动势将超过电枢电压而产生反向电枢电流，从而产生反向力矩，加快减速过程。在要求电动机正转时，功率管 M1、M4 受 PWM 信号调制，M1、M4 导通，M2、M3 截止（如图 1.3 所示），电动机工作在电动状态。要求电动机反转时 M2、M3 受 PWM 控制， M2、M3 导通，此时 M1、M4 截止。552他励直流电动机驱动模块的设计MOSFET 为电压型驱动型功率器件，具有工作频率高、驱动功率小、价格低的优点， 因此在本设计中功率管选用功率 MOSFET，型号为 HUF75645。常见的 MOSFET 栅极驱动 器为 IR 公司生产的 IR21XX 系列集成电路。它不需要独立电源，能够依据自举原理同时驱动低压侧和高压侧两个元件。因而使电路得到简化，可以获得很好的驱动波形。在本设计中60选择 IR21103。图 2 励磁回路驱动电路以励磁驱动电路为例，对 MOSFET 驱动电路主要元器件参数进行计算4。2.1 自举电容的选择65电路采用自举方式实现上桥臂驱动，因此需要确定元件 D4 与 C1 和 C2 的值。由于CBOOT min = QTOT / VBSQTOT 为自举所需充电的总电荷， VBS 为充电电压摆动幅度。为满足 Q1 管导通最低门限电压，电容的充电电压的变化率 VBS 应控制为VBS VCC VF VGE min VCEon70其中VCC 为供电电压，VF 为自举二极管正向导通压降，VCEon 为下桥臂导通压降(1)(2)Q= Q+ ( I+ I + I + I+ I _ )T(3)TOT G LKGEQBS LK LKdoide LK CAP HonMOSFET 开启所需门极电荷( QG )，HUF75645 为 238nC；LKMOSFET 栅源漏电流 ( I ) ，HUF75645 为 100nA；GE浮动静态电流 ( IQBS )，IR2110 为 230 uA；75浮动漏电流 ( I LK )，IR2110 为 50 uA；LK自举二极管漏电流 ( I )，FR301 最坏情况为 150 uA；doide自举电容漏电流 ( I LK _ CAP )，电解电容 200 uA； 上管导通时间( THon )，最坏情况 64 uS。 自举电容必须能够提供这些电荷，并且保持其电压。否则VBS将会有很大的电压纹80波，并且可能会低于欠压值Vbsuv ，使高端无输出并停止工作。因此CBOOT min 电容的电荷应是最小值的二倍，最小电容值可以由下式计算：CBOOT min = 2QTOT / VBS(4)由公式（4）计算的CBOOT min 电容值是最小的要求，由于自举电路的固有工作原理，电容值过低可能引起过充电，从而导致 IC 损坏。为了避免过充电和进一步减小VBS 纹波，应85该在公式（4）计算的基础上乘一个系数 15。CBOOT min 电容只在高端器件关断，Vs 被拉到地时才被充电。因此低端器件开通时间应 足够长，以保证被高端驱动电路吸收掉的电容CBOOT min 上的电荷被完全补充，因此对低端器件的开通时间（或高端器件的关断时间）有最小要求5。VCC = 15 V；VF = 1.3V (最坏情况)；VCEon = 0.8 V（以电流 65A 查表，最坏情况电流不90均衡）；VGE min = 12 V （可靠导通，理论上 5V 就可以导通，这里取 12V）；将以上参数代 入公式（3）、公式（2）与公式（1）可计算出CBOOT min =0.93 uF 取整数 10uF（电解电容）。2.2 自举二极管的选择在高端器件开通时，自举二极管必须能够阻止高压，并且应是快恢复二极管，以减小从 自举电容向电源 Vcc 的回馈电荷。二极管特性：Vrrm =功率端电压FR307 为 1000V；最大95trr = 100ns。2.3 驱动电阻的选择被驱动功率 MOSFET 管的开关速度由门极选取的电阻决定，该电阻控制门极开通和关 断电流.在tr 时间内栅极驱动电压达到 10V，所需要的平均电流 I1 为：C V1I =issgstr(5)100当栅极驱动电压达到Vgs 时，漏极导通，漏源极间的电压由供电电压Vdc 下降到导通压降Vds 。则COss 的上端电压下降了Vds （Vds 很小可以忽略），下端电压上升了Vgs 。完成此过程所需要的电流 I 2 为：105则所需的总电流：C (V + V )2I =Oss dc gstrI avg = I1 + I2(6)(7)则门极开通电阻可以取为：RTOTV V= dc gsI avg(8)110RDRP 为门极驱动等效电阻。RTOT= RDRP + RGon(9)由此可以确定 RGon 。此外，还需要考虑输出电压的斜率，因为门极开通电阻 RGon 可以 用于控制输出电压斜率 dVout / dt 。过高的变化率会在驱动线路或节点上耦合出大的浪涌电 流和尖峰电压。如果变化速率超过了 MOSFET 的承受极限，功率管会发生损坏6。输出电压斜率变化是非线性的,最大输出电压斜率为公式：115dVoutdt= Vdc VgsRTOT Ciss(10)根据电路参数与要求（查数据手册可得）：Coss = 810 pF；Vdc= 48V；Vgs = 15V；tr = 117nS； RDRP = 12； dVout / dt = 5V/ns；将以上参数代入公式（5）（6）（7）（8）（9）可计算出 I1 =436mA； I 2 =104mA；120RTOT = 61 ； RGon = 49 。验证将计算结果代入斜率公式（10） dVout / dt = 0.143V/nS， 小于阈值， RGon = 49 。3系统仿真根据以上选取的参数，用 SABER 仿真软件搭建电动机驱动系统仿真模型，对驱动模块 进行仿真，验证其正确性，并对部分结果进行调整7。125130135图 3.1 电动驱动系统仿真模型图 3.2 仿真波形 曲线(1)为，流过大电容的电流曲线； 曲线(2)为，电枢两端的电压曲线；曲线(3)为，铅酸电池的电流输出曲线；曲线(4)为，上桥臂续流二极管电流曲线； 曲线(5)为，下桥臂续流二极管电流曲线； 曲线(6)为，下桥臂 Mosfet 栅极的驱动电压波形； 曲线(7)为，上桥臂 Mosfet 栅极的驱动电压波形； 曲线(8)为，电枢电流曲线。图 3.3 电流与转速的响应图140145150对仿真分析可以得出以下结论：（1）通过调用 SABER 仿真系统中的模块，可以直接对电机驱动系统进行仿真，不需 要建立系统的动态方程。（2）对于工程实践出现的问题，对系统进行仿真，可以方便的观察系统各个环节的波 形，能够快速的发现问题的所在，节约了时间。（3）该系统能够通过改变电枢电压而快速的调节电机转速，通过调节励磁电流方向实 现电机的正反转。4结论本文给出了他励直流电机驱动与控制系统的设计和分析，能够对他励直流电机进行无级 调速，以及实现了电机的正转、反转等功能；对功率管 MOSFET 驱动电路中的参数进行了 理论分析和计算，并进行了仿真。结果表明，本设计运行稳定、可靠性强。155160参考文献1 薛继超.电动汽车现状及未来J.天津工程师范学院学报,2007,（4）：45-492 高春艳.电动高尔夫球车他励直流电机驱动系统研究D.重庆：重庆大学，2007 3 蔡金萍.基于 PWM 的直流调速控制器的研究D