采用永磁同步電機(jī)的電動叉車控制系統(tǒng)的功能特點與設(shè)計

引 言

近年來，隨著人們對環(huán)境污染危害的深刻認(rèn)識，環(huán)保已成為世界共同關(guān)注的焦點。因此，電動叉車等以蓄電池為動力源的各種蓄電池車輛得到了快速的發(fā)展。電動叉車具有能量轉(zhuǎn)換效率高、噪聲小、無廢氣排放、控制方便等優(yōu)點，在車間、倉庫、自動倉儲系統(tǒng)、大型超市等對環(huán)境條件要求較高的場合得到了廣泛的應(yīng)用。目前，歐美等發(fā)達(dá)國家電動叉車所占叉車總量比例已達(dá)60%,國內(nèi)電動叉車所占比例僅為20%左右。

電動叉車現(xiàn)已突破原來只能用于小噸位作業(yè)的局限，逐步由室內(nèi)走向室外，市場需求逐年上升。

1 電動叉車驅(qū)動電機(jī)

電動叉車的發(fā)展推動了其驅(qū)動電機(jī)及其控制系統(tǒng)的不斷革新。電機(jī)及其控制系統(tǒng)種類很多，國內(nèi)電動叉車主要采用的是直流電機(jī)，包括串激直流電機(jī)、并激直流電機(jī)、復(fù)勵直流電機(jī)等。雖然直流電機(jī)具有很多特點，比如調(diào)速性能好、調(diào)速范圍廣、起動轉(zhuǎn)矩大、易于控制等，但由于直流電機(jī)含有接觸電刷，致使運(yùn)行時容易出現(xiàn)換向故障和其他機(jī)械故障，噪聲較大，壽命較低，需要經(jīng)常維護(hù)，所以近幾年異步電機(jī)的應(yīng)用有越來越多的趨勢，永磁同步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)等亦有應(yīng)用。從各種電機(jī)的特點來看，異步電機(jī)可靠性高，永磁同步電機(jī)則綜合性能優(yōu)良，但異步電機(jī)與永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)都面對控制器成本較高的問題。表1 所列是各種電動叉車驅(qū)動電機(jī)的性能比較。

從表1 中可以看出，永磁同步電機(jī)綜合性能超過其他類型的電機(jī)，是非常理想的電動叉車驅(qū)動電機(jī)。隨著計算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)及電力電子技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電機(jī)系統(tǒng)在電動車輛領(lǐng)域?qū)⒂懈鼜V的應(yīng)用。

針對以上分析，本文介紹了一套電動叉車用永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，并與相同功率等級的直流電機(jī)進(jìn)行了性能對比。

2 永磁同步電機(jī)

永磁同步電機(jī)的運(yùn)行原理與電勵磁同步電機(jī)相同，但它以永磁體代替了勵磁繞組，使電機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡單，降低了加工成本，且省去了容易出問題的換向器和電刷，提高了電機(jī)的可靠性；又因沒有勵磁損耗，提高了電機(jī)的效率和功率密度。

圖1 所示是一種電動叉車用永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路圖，該電機(jī)采用磁鋼內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。

磁鋼內(nèi)置式轉(zhuǎn)子的優(yōu)點是漏磁系數(shù)小、動態(tài)性能好，特別適合于動態(tài)性能要求比較高的電動叉車用永磁同步電機(jī)。其磁路的不對稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩還有助于提高電機(jī)的過載能力和功率密度，而且易于“弱磁”增速。電機(jī)具有低速大轉(zhuǎn)矩的特性，以保證車輛低溫下所需的啟動轉(zhuǎn)矩；具有寬廣的工作速度范圍，以滿足車輛發(fā)電與助力的需求；并具有較高工作效率。表2 所列是一款6.5 kW永磁同步電機(jī)與常用直流電機(jī)的性能比較。

3 永磁同步驅(qū)動電機(jī)控制系統(tǒng)

永磁同步電機(jī)控制器系統(tǒng)采用直接轉(zhuǎn)矩控制、空間矢量控制和無速度傳感器矢量控制等控制方式，具備高效率、高性能、高可靠性，并具有將電動叉車的制動能量回饋給動力電池組功能?？刂葡到y(tǒng)具備與車輛其他系統(tǒng)間的CAN 通信模塊。

用控制器局域網(wǎng)（CAN）裝備電動車輛的控制系統(tǒng)是當(dāng)今國際上最新控制技術(shù)之一，基于CAN 總線的電動叉車控制系統(tǒng)已是國際上各大叉車制造公司研究的熱點。

永磁同步電機(jī)控制器通過對驅(qū)動電機(jī)的有效控制，實現(xiàn)如下功能：①發(fā)電運(yùn)行：用于在剎車制動時的能量回收；②電動運(yùn)行：驅(qū)動車輛，亦可用于加速時助力。

電機(jī)驅(qū)動硬件部分：電機(jī)控制器主要由集成DSP 的高性能Infineon XC2000 系列嵌入式芯片、IGBT 模塊、驅(qū)動電路模塊和信號檢測電路模塊組成，通過檢測反饋電流來實現(xiàn)對驅(qū)動電機(jī)的閉環(huán)控制，采用多種傳感器對整個系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，以確保電機(jī)的可靠性與安全性。圖2 所示是驅(qū)動電機(jī)控制器的硬件原理圖。

驅(qū)動電機(jī)控制器的主要保護(hù)功能包括電機(jī)溫度故障保護(hù)、電機(jī)控制器溫度故障保護(hù)、直流母線過電壓故障保護(hù)、直流母線欠壓故障保護(hù)、電機(jī)過載故障保護(hù)、電機(jī)過速故障保護(hù)、電機(jī)控制器IPM 故障保護(hù)、12 V 控制電源故障保護(hù)、CAN 通信故障保護(hù)和整車控制指令異常故障保護(hù)等。

永磁同步電機(jī)控制器可以達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)功能如下：

（1）輸入電壓波動范圍：UN±30% ;

（2）通信控制接口：兩路CAN2.0B 總線；

（3）絕緣電阻：各端子對外殼大于25 MΩ ;

（4） 具有故障自診斷功能：過壓/ 欠壓、過載、控制器過溫限功率輸出、通信故障、極端溫度關(guān)斷等功能；

（5）高效率工作區(qū)：75% 的工作區(qū)效率大于90% ;

（6）平均無故障時間：>3 000 h ;

（7）轉(zhuǎn)矩控制精度小于等于5% ;

（8）最大控制速度和拐點轉(zhuǎn)速比大于3 ;

（9）峰值功率體積密度大于等于8 kW/L ;

（10） 電磁兼容性滿足GB/T18655-2002,GB/T17619-1998 的要求。

4 結(jié) 語

永磁同步電機(jī)及其控制系統(tǒng)是綜合性能優(yōu)良的一種車用驅(qū)動系統(tǒng)，在電動叉車領(lǐng)域具有逐步替代直流電機(jī)和異步電機(jī)系統(tǒng)的趨勢。