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。
在当前电动叉车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SVPWM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Matlab 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。
电动叉车驱动控制要求可靠性高、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Matlab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，使用时无废气排放，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势，因而国内电动叉车的市场潜力很大[2] [3]。
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大。尤其是大家逐渐认识到交流驱动技术的优势，已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。直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。交流电机的转子和定子之间靠感应磁场相互作用，定转子之间存在气隙，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 [7]。
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。现代控制理论也越来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） 转速开环恒V/F控制：转速开环压频比恒定，并在低频电压时增加补偿，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大小，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[11]。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，本文就是采用了异步电机按转子磁链定向的间接矢量控制（简称FOC）。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]。
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、SVPWM计算模块等。同时，系统根据矢量算法的要求，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进一步发现并参考，增强控制器的通用性和可操作性。
3. 系统采用离线辨识电机参数，仍需要空载试验，对于已经安装在车上的电动机进行辨识具有一定难度。可以考虑一些电机在线参数辨识的相关算法进行研究与试用。
4. PI调节器的参数整定方面可以尝试采用一些模糊控制、神经网络等人工智能的方法，电机在线辨识和PI参数自整定是系统下一步优化和改进的重要方向。
由于本人水平和能力有限，文中难免存在有疏漏和不妥之处，还望各位专家和老师给予批评和指正。