电动叉车用异步电机调速系统的研究

1、电动叉车用异步电机调速系统的研究摘 要电动叉车是物料生产中的一种重要运输装置，其一直沿用直流电动 机驱动。而随着电子技术和控制理论的发展，电动叉车驱动控制领域 逐步地由直流电机驱动转变为交流电机驱动。交流电机具有体积较小、 结构简单、维修方便等特点，在电动叉车驱动控制领域的应用越来越 广泛。在当前电动叉不驱动控制应用大形势下，本课题设计并且研制了一 款基于英飞凌单片机的交流电机控制器。电机调速的控制策略采用异 步电机间接矢量控制，能够应用于实际的电动叉车驱动控制系统中。本文首先在三相交流异步电机在三个坐标系上的数学模型以及坐标 变换的基础上简述了异步电机间接矢量控制原理，并且简单地介绍了 sv

2、pwm的调制原理。而后基于异步电机的物理电路模型，介绍了异步 电机的离线参数辨识。最后在mat lab中对异步电机间接矢量控制进 行了仿真，仿真结果表明了原理上系统的可行性。电动叉车驱动控制耍求可靠性高、耐用性强，因此本系统采用英飞 凌的高性能单片机xe164fn作为控制芯片，并在此基础上进行了系统 的软硬件设计。为了验证系统的可行性，在mat lab仿真的基础上，试制了实验板并且对整个系统进行了调试，调试结果表明本系统能实现对异步电机的 高性能可靠控制。1绪论1.1课题研究背景与意义进入新世纪，物流业开始成为支撑国民经济的一大产业。它不仅加 速了社会再生产的过程，而且大大地节约了流通成本。而

3、被誉为“搬 运之神”的叉车在物流领域发挥了巨大作用。按照动力方式来分类, 叉车可以分为内燃叉车和电动叉车。以往常用的内燃叉车以内燃机驱 动，噪声大，尾气排放严重，不适于药品食品等一些对周围环境要求 比较高的装载对象。随着油价越来越高，近来电动叉车以其环保无污 染的特点越来越受到用户的青睐。电动叉车利用蓄电池作为动力源, 使用吋无废气排放，噪声低、操作方便、灵活，运行稳定1。电动 叉车在整个叉车销量中所占比例稳步上升，但是从总体上来看，国内 电动叉车的市场占有率为21%,而欧美电动叉车的市场占有率超过 60%,国内与发达先进国家之间仍存在相当大的差距。电动叉车的广 泛使用是世界物流业发展的必然趋

4、势，因而国内电动叉车的市场潜力 很大2 3o本课题将对电动叉车用异步电机调速系统开展一系列的研究和试制。 它是一种可在复杂工况下运行的交流电机牵引控制器，其高性能矢量 控制的研发，能为以后各种牵引系统的再研发和升级打下坚实的基础。 这既符合国家对于能源高效率利用的迫切需求，也有力了推动了我国 新能源车辆事业和高性能电力传动事业的进一步发展。1.2国内外电动叉车发展现状1910年叉车开始出现，美国在1928年制造出电动叉车。1932年美 国克拉克公司将世界上第一台叉车投放市场，随后得到了迅速的发展, 在许多发达国家已形成一个成熟的产业。像德国的瓦格纳、永恒力， 美国的科朗、克拉克，日本的丰田、小

5、松，瑞典的bt等都属于世界 顶级叉车企业。国外的电动叉车行业产生于上世纪90年代，并且随 着交流驱动技术在电动叉车调速系统中的应用，电动叉车行业取得了 长足的进步4。我国的电动叉车行业起步较晚，目前在国内市场现阶段的主流依旧 是内燃叉车。但是随着全社会环保意识的增强，电动叉车在国内的发 展是大势所趋，在国内市场的需求已经越来越人。尤其是大家逐渐认 识到交流驱动技术的优势，c有不少厂家开始在电动叉车牵引上尝试 使用交流驱动技术。国内较大的叉车公司如合力叉车集团、杭州叉车 集团等近些年也推出了一些交流电动叉车产品，但普遍的局限在于没 有自主研发的电机控制器。而国外的法国赛维康(sevcon) 美国

6、通 用(ge)、科蒂斯(curtis)、日本的丰田(toyota).意大利萨牌(zapi) 等公司拥有一批具有自主知识产权的系列化产品，在交流控制市场占 有极高的份额。所以，交流驱动技术的研发，是当前国内电动叉车行 业的迫切需要和紧要任务。1.3交流调速技术概述1.3. 1直流与交流调速的对比电动叉车根据驱动方式的不同分为直流电机控制和交流电机控制。 亡流电机的优点是机械特性良好，转矩电流与励磁电流相互独立，在 牵引系统运行速度较低的情况下能够输出大扭矩，因此直流电机调速 比较简单，调速范围宽。缺点是结构复杂，电流需要靠换向器和碳刷 来输送，整个直流电机的性能受碳刷的使用状况限制，而且直流电机

7、 含有很多有色金属，电机的价格和维护成本都很高。交流电机没有碳 刷和换向器等运动件，维护保养相对较容易。5。交流电机的运行原理不同于直流电机，结构也差异很大。由于要安 装换向器和碳刷，同等输出功率下，直流电机外形尺寸大于交流电机。 直流电机的励磁绕组安装在定子上，电枢绕组安装在转子上，运行时 电枢电流较大。电枢绕组通过换向器和碳刷与电源相连，换向器与碳 刷相连，运转时电流较大，还会产生摩擦。因而同等情况下直流电机 的转速和产生的力矩要比交流电机小，并且碳刷极易损坏，需要定期 检查和更换6。交流电机的结构简单，运动部件少，尺寸比直流电机小很多。交流 电机的转了和定了之间靠感应磁场相互作用，定转了

8、之间存在气隙, 使得转子能够高速运转。交流电机的转速可以比直流电机快两倍，能 够产生更大的转矩7o直流驱动系统一般通过脉宽斩波控制直流电压来进行调速，而交流 驱动系统可通过逆变器将直流电逆变为三相交流电来控制电机，交流 电的幅值与频率都可改变，因而获得更广的调速范围8。1.3.2交流调速发展现状近几十年，随着电力电子器件的不断发展，高频大功率开关管的不断成熟，交流变频调速系统已经逐步取代了传统的直流调速系统。现 代控制理论也越來越多的应用到了交流电机调速当中。目前比较具有 代表性的交流变频调速控制方法有：转速开环恒v/f控制、转速闭环 转差频率控制、矢量控制以及直接转矩控制。9 10（1）转速

9、开环恒v/f控制：转速开环压频比恒定，并在低频电 压吋增加补偿，能够实现对电压-频率的的协调控制，其控制系统的 结构最简单，成本最低。可以达到平滑调速，但性能不是十分理想, 在一些对调速系统动态性能要求不高的场合例如风机、水泵等使用较 多。（2）转速闭环转差频率控制。由异步电动机转矩的近似公式：可知，当转差s很小时，如果能够保持气隙磁链不变，电动机转矩就 近似与转差频率成正比，控制转差频率即可间接控制转矩。但是这种 控制是基于异步电动机稳态等效电路和转矩公式，因此保持磁通恒定 需要在稳态的情况下才成立。一般来说，它只适用于转速变化缓慢的 场合，而在要求电动机转速做出快速响应的动态过程中，性能十

10、分有 限。（3）矢量控制（简称vc）,异步电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，控制效果最佳的首推20世纪70年代 提出的矢量控制技术11。矢量控制是根据交流电动机的坐标变换理 论，在同步旋转坐标系中把定子电流矢量分解为两个分量；一个与转 子磁链矢量重合，称为励磁电流分量；另一个与转子磁链矢量垂直， 称为转矩电流分量。通过控制定子电流矢量在旋转坐标系的位置及人 小，即可控制励磁分量和转矩电流分量的大小，实现类似直流电动机 对磁场和转矩的解耦控制。矢量控制的优点是转矩相应快、调速精度 高、调速范围宽，但需要大量的电机参数来进行计算。矢量控制技术 的出现，使交流传动控制性能获得了

11、极大的提升。（4）直接转矩控制（简称dtc）,该方法是继矢量控制之后发展 起来的另一种高动态性能的交流电动机变频调速方法，在其转速环里, 利用转矩反馈直接控制电动机的电磁转矩。先检测电机定子电压和电 流，再借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁通和转矩，比较给定值得 到差值，实现磁通和转矩的直接控制，方法简单、计算量小llo但 直接转矩控制多采用电压模型观测磁通，在低速时，定子电压降对磁 通观测有严重影响，导致低速性能不佳，存在转矩脉动和转速波动， 调速范围有限。1. 3. 3按转子磁链定向的矢量控制技术目前，矢量控制凭借优越的动静态性能使得其在电动叉车交流驱动 系统中被广泛的使用，本文就是采用了异

12、步电机按转子磁链定向的间 接矢量控制（简称f0c）o其控制原理是通过稳态转差率来计算转子 磁场的位置，异步电机的转差率能够决定电磁转矩，由转子磁场的稳 态方程知，直接通过稳态磁场来确定定子电流的励磁分量，控制定子 电流的转矩分量即可控制电机的电磁转矩。12。异步电机的间接矢量控制方法简单，不需要观察转子磁场的幅值和 位置，可以获得与直流电机相媲美的动态性能13。但是异步电机 间接矢量控制性能依赖于电机参数辨识的精度，因而需要对异步电机 的参数进行辨识14 o结论与展望电动叉车作为工业生产中重要的物料搬运工具，其研制工作对于降 低环境污染节约能源，加速工业生产，推进工业技术的进一步发展， 提高我

13、国工业自动化水平都具有重要意义。电动叉车的调速控制系统 则是其中的核心环节。本文是以电动叉车用特种低压大电流的三相异步电动机为研究对象, 从电机调速的实质出发，根据电动叉车实际执行操作的需求设计异步 电机调速系统，采用基于转子磁场定向的间接矢量控制策略，结合 svpwm脉宽调制方法，利用infineon公司的xe164fn作为控制芯片， 实现异步电机电流、转速双闭环的全数字化控制。系统硬件部分主要 由控制芯片、a/d采样及霍尔检测模块、功率管驱动模块、转速检测 模块、通信模块、故障检测与保护模块、电源模块和功率逆变桥模块 等组成。软件部分则包括mcu初始化模块、中断控制子程序、矢量算 法模块、

14、svpwm计算模块等。同时，系统根据矢量算法的耍求，采用 离线辨识的方法测得电机的各项参数。在以上工作的基础上，进行了大量的仿真和实验板调试，并给出了 结果。结果表明系统运行稳定，性能较好，能完成转向、爬坡等一系 列功能，满足电动叉车的控制要求。虽然本课题取得了一些研究和实践成果，但在某些方面还是暴露出 了一些不足，仍需进一步深入研究并予以解决，这些方面具体体现为：。1. 电机制动电流较大，频繁制动时控制器温度上升较快，需要细 化分析、研究系统的电流控制策略，在保证制动效果的同时降低制动 电流。2. 控制器能够进行多项参数的设置，以适应不同环境平台和不同 操作需求，但还有一些参数需要在后续上车使用过程中