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毕业设计 2009级电气二班 韩瑞
指导教师 王冉冉
电动叉车的无刷直流电机控制的研究
【摘要】本文首先对无刷直流电机的研究和发展现状做了简要介 绍，对几种电动车驱动电机进行了比较，从而说明无刷直流电 机是一种较好的具有发展前景的电动叉车驱动电机。
在完成论文的基础上，本课题的主要工作和结论如下：
①研究无刷直流电机（BLDC）的基本理论。
无刷直流电动机系统分类
无刷直流电动机系统按其绕组反电动势波形和电流波形可 大致分为两大类：具有正弦波感应电动势并由正弦波电流驱动 的永磁同步电动机（PMSM）和具有梯形波感应电动势并由方 波电流驱动的方波无刷直流电动机（BLDCM），BLDCM 和 PMSM 相比主要有功率密度大、反馈装置简单、控制结构简单、 输出转矩大、成本低等优点 。
法进行选取和改进。 ③对无刷直流电机的转矩脉动抑制方法进行研究。
④对电动叉车用永磁无刷直流电机能量回馈制动的 研究。
2 无刷直流电机的基本原理 2.1 无刷直流电机的基本组成环节 永磁无刷直流电机是一种具有定子（电枢）绕 组和永磁或凸极软磁铁转子的电机。通过一系 列由转子位置传感器及译码器控制的静止开关 器件和直流电源给定子绕组供电。在没有调节 器时，电机的转速与直流侧的电压大小成正比 。 无刷直流电机主要由电机本体、位置检测环 节、逆变器三部分组成
• 3.2.1 基于反电动势过零检测法的起动方法 • ①三段式起动法 • ②预定位起动法 • 3.2.2 电动叉车用无传感器无刷直流电机起
动方法
• 三段式起动法已经比较成熟，控制方法简 单，容易实现，因此在本文中对电动叉车 用无刷直流电机控制系统采用三段式法进 行起动。由于三段式起动法适应用空载、 轻载条件，因此在实际使用时电机应空载 起动。
• 3.1 位置信号检测技控制中的一个关键问题。
• 3.1.1 有传感器位置检测法 • 3.1.2 无位置传感器检测法 • 3.1.3 电动叉车用无刷直流电机转子位置检测方法 • 反电动势法是无传感器转子位置检测法中应用最
广泛也是最成熟的方法之一，本文采用反电动势 法获取转子位置。无传感器转子位置检测方法大 部分是利用电机定子电压、电流等参数估算转子 位置，
• 3.2 起动方法研究
• 本文采用反电动势过零法检测转子位置，在速度为零的情 况下电机反电动势为零，电机不能自起动，因此反电动势 检测技术不可能在速度为零或极低速时使用，怎样顺利起 动成了控制无位置传感的无刷直流电机的重要问题。
• 无刷直流电机起动方法可大致分为两种：外同步方式起动 和预定位方式起动。无刷直流电动机外同步起动时需要给 电动机施加一由低频到高频不断加速地外同步切换信号， 这种方法实现电路较为复杂。预定位起动方式则是给预先 设定的两相电枢绕组通以持续的电流，经过一定的时间后 转子磁极就会固定在确定位置，就能得出三相桥式逆变电 路各相导通次序，使无刷直流电动机正常起动。预定位起 动方式需要一定延时来等待电动机轴停止振荡。
1 基本性能 1.1 无刷直流电机在电动叉车中的应用 ①高效率。续驶里程（蓄电池一次充电后所能行驶的里程）
是电动叉车和燃油车相比的最突出的性能指标。提高续驶 里程的主要办法是提高蓄电池容量和电动机效率，电机的 效率高，在同样的条件下，能耗就小，一次充电后行驶里 程将会提高，行驶成本将随之降低。
②体积小。驱动电机的体积大小直接影响其自身重量、整车 的重量和造型。高性能磁性材料的出现将为电动机体积缩 小创造了非常有利的条件，目前许多大公司（如通用汽、 福特汽车、通用电气等公司）都在致力于开发高功率密度 驱动电机。
• 2.2.2 三相绕组无刷直流电机主电路基本类型
• 三相无刷直流电机主电路主要有三相半控电路和 三相全控电路两种。三相半控电路主电路由三个 功率管组成，结构简单，但电动机本体的利用率 很低，每相绕只通电 1/3 周期，另外 2/3 周期处 于断开状态，没有得到充分利用，而且输出转矩 脉动比较大。本文采用三相全控桥做为电机主电 路，采用两两导通方式。
• 3.3.3 低速能量回馈制动技术的改进
为了满足制动的快速性要求，本文采 用了回馈制动与反接制动相接合的方法， 确定一个回馈制动临界转速，转速高于临 界转速时采用低速能量回馈制动，转速低 于临界转速时采用反接制动。制动时既能 在高速时回馈能量，又能在低速时保持一 定的制动转矩，实现快速制动。改进后的 回馈制动与反接制动的混合制动方式仍可 实现恒转矩控制。
• 2.1.1 电机本体 • 反电动势为方波或梯形波的电机称为永磁无刷直流电机。
• 2.1.2 位置检测环节 • 在有传感器的位置检测方式中，位置检测环节包括传感器、
AD 转换模块以及部分相关软件；在无传感器的位置检测 方式中，由于是通过定子电压电流等参数估算转子位置， 因此这个环节仅包括相关软件。
• 3 电动叉车用无刷直流电机的控制技术研究 • 电机调速系统总体设计采用速度、电流双闭环控制。速度
环可根据叉车行驶、提升重物时的速度要求，对无刷直流 电机的转速进行控制。当叉车起动、加速、提升货物或爬 坡（相当于加负载）时，电流闭环可将电机定子电流限制 在最大电流，防止过流。
• 本章从位置信号检测技术、起动方法、低速能量回馈制动 技术、PWM调制方式与转矩脉动抑制、弱磁调速等几个 方面进行分析研究。电动叉车经常工作在多粉尘、高温甚 至电磁干扰等比较恶劣的环境，因此电动叉车用无刷直流 电机的位置检测采用无位置传感器检测法中的反电动势过 零点检测法。“智能控制环保、节能型全液压电动叉车” 要求在空载或轻载时起动，因此本文中无刷直流电机起动 方法选用比较成熟、容易实现的三段式起动法。叉车在下 放货物、限速、刹车时需要对位能及动能进行回收，本文 对传统能量回馈制动方法进行了改进，使电动叉车在刹车、 限速或卸货时，既能实现能量回馈又能满足制动的时间要 求。本章还对PWM调制方法与转矩脉动的关系以及基频 以上的弱磁调速方法进行了研究分析。
引言
叉车是物流设备中用途广泛的一种物料搬运机械，仓 库、码头、物流中心等地到处可见，是一种面广量大的物 流设备，叉车的研究开发对于我国物流设备技术的发展乃 至国民经济的发展都有很重要的意义。
目前市场上的电动叉车绝大部分都是由交流电机提 供动力的交流电动叉车，交流电机有其自身的不足之处， 随着电力电子技术的发展，以无刷直流电机做为动力的直 流电动叉车代表了电动叉车的发展方向。要想增强竞争能 力，赶上甚至超过国外技术水平，就必须把握叉车的发展 方向。因此，以无刷直流电机提供动力的直流电动叉车的 研究具有极其重要的意义。
• 3.4 PWM调制方式与转矩脉动抑制
• 3.4.1 无刷直流电机PWM调制方式
• 转矩脉动会降低电力传动系统控制特性并造成机器噪音、 震动，降低机器使用寿命和驱动系统的可靠性。本系统采 用的二二导通、三相六状态 120°导通方式时有四种基本 的 PWM 调制方式：H_PWM-L_ON、H_ON-L_PWM、 PWM-ON 和 ON-PWM。在一个周期内有六次换相，任 意时刻只有两相导通，另一相关断。
• ②非换相转矩脉动及抑制方法
• 在理想的星形三相六状态两两导通方式下，非换相期间电 磁转矩一般是由流过导通两相绕组上的电流大小决定的， 而另一相绕组上没有电流流过，这也是电机在该工作方式 下的工作规则。
• 3.5 本章小结 • 通过对现有的无刷直流电机转子位置检测方法（包括有位
置传感器检测法及无位置传感器检测法）的分析和比较， 选取无位置传感器检测方式中的反电动势过零检测法作为 叉车用无刷直流电机的转子位置检测方法。以反电动势转 子位置检测法为例，对目前的无位置传感器无刷直流电机 起动方式进行了讨论，通过对目前常见的多种起动方法的 比较，本文选用了三段式起动法。
• 采用能量回馈制动技术，回收电动叉车工作中的动能和重 力势能是电动叉车用无刷直流电机控制系统的一个必不可 少的环节。本章对能量回馈制动的原理进行了分析，针对 传统低速能量回馈制动中存在的问题进行了改进，提出了 能量回馈制动与反接制动相接合的混合制动方式，采用该 制动方式不但能够实现能量的回馈，还能满足快速制动的 要求。阐述了传统 PWM 调制方法的基本原理，详细的推 导分析了 PWM 调制方式对转矩脉动的影响，并采用一种 新的 PWM 调制方式，对转矩脉动抑制有较好的效果。
• 2.1.3 逆变器 • 在电动叉车中，逆变器用于给电动机定子各相绕组在一定
时刻通以一定时间长短的恒定直流电流，以便与转子永磁 磁场相互作用产生持续不断的恒定转矩。 • 逆变器的结构有半桥和桥式两种，但多采用桥式结构。
• 2.2 电机运行原理
•
利用电机转子位置传感器输出的位置信
号控制电子换向线路去驱动逆变器的功率开
• 所谓两两导通方式是指每一瞬间有两个功率管导 通，每隔 1/6 周期（60°电角度）换相一次，第 次换相一个功率管，每一功率管导通 120°电角 度。
• 2.3 无刷直流电机运行特性 • 现以最常见的两两导通星形三相六状态工作方式
为例，分析 BLDCM 的数学模型及电磁转矩等特 性。为简化分析作以下假设： • ①定子三相绕组完全对称，星形连接。 • ②气隙磁场为方波，定子电流、转子磁场分布皆 对称。 • ③不考虑齿槽效应；电枢各相绕组结构相同，在 定子内表面均匀连续分布。 • ④忽略磁滞、涡流、集肤效应和温度对参数的影 响。
3.3.2 低速能量回馈制动控制方式 由升压斩波器的原理可知，充电电流的大小与反电动势大小以及 触发脉冲的占空比有关，反电动势越大则充电电流越大，占空比 越大，充电电流也越大。因此，在反电动势一定的条件下，调节 功率开关的占空比，就可以控制充电电流的大小，进而可以控制 制动转矩的大小。电机在制动时需要控制定子电流，从而控制制 动转矩。本文研究的无刷直流电动机的回馈制动系统采用恒转矩 闭环控制。。
关器件，使电枢绕组依次馈电，从而在定子
上产生跳跃式的旋转磁场，拖动永磁电机转
子旋转。同时，随着电机转子的转动，转子
位置传感器又不断送出位置信号，以不断的