采用永磁同步电机的电动叉车控制系统的功能特点与设计

引 言

近年来，随着人们对环境污染危害的深刻认识，环保已成为世界共同关注的焦点。因此，电动叉车等以蓄电池为动力源的各种蓄电池车辆得到了快速的发展。电动叉车具有能量转换效率高、噪声小、无废气排放、控制方便等优点，在车间、仓库、自动仓储系统、大型超市等对环境条件要求较高的场合得到了广泛的应用。目前，欧美等发达国家电动叉车所占叉车总量比例已达60%,国内电动叉车所占比例仅为20%左右。

电动叉车现已突破原来只能用于小吨位作业的局限，逐步由室内走向室外，市场需求逐年上升。

1 电动叉车驱动电机

电动叉车的发展推动了其驱动电机及其控制系统的不断革新。电机及其控制系统种类很多，国内电动叉车主要采用的是直流电机，包括串激直流电机、并激直流电机、复励直流电机等。虽然直流电机具有很多特点，比如调速性能好、调速范围广、起动转矩大、易于控制等，但由于直流电机含有接触电刷，致使运行时容易出现换向故障和其他机械故障，噪声较大，寿命较低，需要经常维护，所以近几年异步电机的应用有越来越多的趋势，永磁同步电机、开关磁阻电机等亦有应用。从各种电机的特点来看，异步电机可靠性高，永磁同步电机则综合性能优良，但异步电机与永磁同步电机控制系统都面对控制器成本较高的问题。表1 所列是各种电动叉车驱动电机的性能比较。

从表1 中可以看出，永磁同步电机综合性能超过其他类型的电机，是非常理想的电动叉车驱动电机。随着计算机技术、传感器技术及电力电子技术的发展，永磁同步电机系统在电动车辆领域将有更广的应用。

针对以上分析，本文介绍了一套电动叉车用永磁同步电机驱动系统，并与相同功率等级的直流电机进行了性能对比。

2 永磁同步电机

永磁同步电机的运行原理与电励磁同步电机相同，但它以永磁体代替了励磁绕组，使电机结构较为简单，降低了加工成本，且省去了容易出问题的换向器和电刷，提高了电机的可靠性；又因没有励磁损耗，提高了电机的效率和功率密度。

图1 所示是一种电动叉车用永磁同步电机的转子磁路图，该电机采用磁钢内置式转子磁路结构。

磁钢内置式转子的优点是漏磁系数小、动态性能好，特别适合于动态性能要求比较高的电动叉车用永磁同步电机。其磁路的不对称性所产生的磁阻转矩还有助于提高电机的过载能力和功率密度，而且易于“弱磁”增速。电机具有低速大转矩的特性，以保证车辆低温下所需的启动转矩；具有宽广的工作速度范围，以满足车辆发电与助力的需求；并具有较高工作效率。表2 所列是一款6.5 kW永磁同步电机与常用直流电机的性能比较。

3 永磁同步驱动电机控制系统

永磁同步电机控制器系统采用直接转矩控制、空间矢量控制和无速度传感器矢量控制等控制方式，具备高效率、高性能、高可靠性，并具有将电动叉车的制动能量回馈给动力电池组功能。控制系统具备与车辆其他系统间的CAN 通信模块。

用控制器局域网（CAN）装备电动车辆的控制系统是当今国际上最新控制技术之一，基于CAN 总线的电动叉车控制系统已是国际上各大叉车制造公司研究的热点。

永磁同步电机控制器通过对驱动电机的有效控制，实现如下功能：①发电运行：用于在刹车制动时的能量回收；②电动运行：驱动车辆，亦可用于加速时助力。

电机驱动硬件部分：电机控制器主要由集成DSP 的高性能Infineon XC2000 系列嵌入式芯片、IGBT 模块、驱动电路模块和信号检测电路模块组成，通过检测反馈电流来实现对驱动电机的闭环控制，采用多种传感器对整个系统进行监控，以确保电机的可靠性与安全性。图2 所示是驱动电机控制器的硬件原理图。

驱动电机控制器的主要保护功能包括电机温度故障保护、电机控制器温度故障保护、直流母线过电压故障保护、直流母线欠压故障保护、电机过载故障保护、电机过速故障保护、电机控制器IPM 故障保护、12 V 控制电源故障保护、CAN 通信故障保护和整车控制指令异常故障保护等。

永磁同步电机控制器可以达到的技术指标功能如下：

（1）输入电压波动范围：UN±30% ;

（2）通信控制接口：两路CAN2.0B 总线；

（3）绝缘电阻：各端子对外壳大于25 MΩ ;

（4） 具有故障自诊断功能：过压/ 欠压、过载、控制器过温限功率输出、通信故障、极端温度关断等功能；

（5）高效率工作区：75% 的工作区效率大于90% ;

（6）平均无故障时间：>3 000 h ;

（7）转矩控制精度小于等于5% ;

（8）最大控制速度和拐点转速比大于3 ;

（9）峰值功率体积密度大于等于8 kW/L ;

（10） 电磁兼容性满足GB/T18655-2002,GB/T17619-1998 的要求。

4 结 语

永磁同步电机及其控制系统是综合性能优良的一种车用驱动系统，在电动叉车领域具有逐步替代直流电机和异步电机系统的趋势。