基于DSP的电动叉车交流伺服控制系统的设计与研究

杭州电子科技大学
硕士学位论文
基于DSP的电动叉车交流伺服控制系统的设计与研究
姓名：刘欢
申请学位级别：硕士
专业：计算机系统结构
指导教师：@
20091101
摘要
随着现代物流技术的发展，人们对叉车产品的要求越来越高。

以交流电机为核心的交流驱动系统由于效率高、可靠性强、体积小、结构简单、调速范围宽、低速恒转矩、高速恒功率、维护成本低, 将引领新一轮电动叉车技术革命，成为叉车发展的趋势。

同时，电子技术的发展及新型控制理论的成熟也使得交流伺服控制系统由过去的模拟控制转向全数字控制。

数控伺服电机控制系统可以对电机实现精确的力矩控制，速度控制和位置控制，其性能、反应速度和稳定性都明显优于直流电动机伺服系统。

尤其是采用了高性能稀土永磁材料的伺服电机，其出力大，惯性小，起停动态性能特别好，有助于提高生产率和电动叉车质量。

越来越多电动叉车设备中采用这种省电、免维修、低噪音的新型电机控制系统已是大势所趋。

数控交流伺服电机控制系统正在逐步取代传统直流电动机、步进电机伺服控制系统而成为电动叉车驱动系统的主流技术。

论文首先分析了永磁同步电机(PMSM)的原理和模型，包括PMSM的结构、工作原理和数学模型，并对伺服系统的矢量控制理论进行了系统的分析研究。

选用了Id=0的磁场定向矢量控制(FOC)方法作为本系统的主要控制理论基础。

它可以实现对电机交直轴之间的解耦，具有转矩控制的线性特点，能够获得比较平稳的输出转矩，达到比较宽的调速范围。

随后，根据控制原理分析系统各组成部分的构成，以及伺服系统的工作流程。

在控制理论上，介绍了传统PID和数字PID控制算法，重点分析了SVPWM控制算法和一种死区补偿策略。

对电压源型三相逆变器死区效应的发生机理进行了详细分析，根据电压空间矢量图将三相电压分成6个区域，并采用时间补偿方法在各区域中按电流方向对三相输出电压进行补偿。

试验结果表明，该补偿方法能有效改善由于死区效应引起的电机电流波形畸变，提高了逆变器的输出性能。

本文讨论了基于DSP的电动叉车交流伺服控制系统的设计与研究，提出了一套基于TMS320F2812 DSP数字信号处理器为主控芯片，及并联多个低压大电流的MOSFET作为功率驱动模块的系统设计方案，并且详述了关键部分的功能与实现方法。

系统设计了较为完善的保护功能：控制器中增加了外围过压、过热和过流保护；功率模块中采用光耦隔离屏蔽措施，提高抗干扰能力，保障系统安全可靠运行。

在软件实现上，采用了模块化设计思想以及系统主程序和中断服务程序的结构，并介绍了几个主要子程序的实现过程。

最后在理论的基础上对系统进行Simulink仿真。

通过实验平台，对电机低速
运转进行了测试，结果证明该系统稳定性好、各参数符合设计要求。

测试结果表明整套控制系统能够满足现代数控电动叉车的工业需求，有较高的性能价格比，具备良好的市场前景。

关键词：电动叉车，永磁同步伺服电机，数字信号处理器，PID控制，SVPWM，MOSFET
ABSTRACT
With the development of modern logistics technology, people have higher and higher requirement on forklift products. AC motor as the core of AC drive system will lead a new wave of electric forklift technology revolution and become forklift truck trends because of high efficiency, reliability, small size, simple structure, wide speed range, low-speed constant torque, high-speed constant-power and low maintenance costs. Meanwhile, the development of electronic technology and maturity of new control theory also makes AC servo control system from the previous analog control to an all-digital control. The digital servo motor control system can achieve precise torque control, speed control and position control, and much better than DC motor servo systems special in quickly reaction and stability. Especially using the high energy Rare-earth permanent magnets motor, the servo system have performance in torque output, small force of inertia, fast dynamic response in start-stop mode, which help promote production efficiency and forklift quality. It become the irresistible trend that the low power consume, maintenance-free, low noise motor control system is more and more used in Electric Forklift Equipments. The NC (Numerical Control) AC servo motor control systems are gradually replacing traditional DC motor servo control system and become the mainstream technology in the sewing machine drive system.
First of all, the principle and model of Perrnanent Magnet Synchronous Motors (PMSM) are given, including the structure,works and mathematical model. Then the vector control theory of servo system is analyzed systematically and the Field Oriented Control(FOC) theory that d-axis current is equal to zero is selected as the main theoretical basis. It can realize the electrical decoupling between the the d and q axe with a linear torque control characteristics, and obtain relatively steady output of torque to achieve relatively wide speed range. Subsequently, according to the control principle, the composition of the various components and workflow of the servo system are analyzed.
In the control theory, the traditional PID control algorithm and the traditional PID control algorithm are introduced with the emphasis on SVPWM control algorithm and a kind of dead-time compensation strategy. Mechanism of dead-time
effect on the three-phase voltage source inverter is analyzed in detail. According to voltage space vector, three-phase voltage is divided into six regions and is compensated by the method of time compensation in various regions according to current direction. The results show that the compensation method can effectively improve motor current waveform distortion causing by the effect of dead zone, and enhance the output performance of the inverter.
The design and research of the electric forklift AC servo control system are discussed based on DSP. A set of hardware system design is presented out based on the TI TMS320F2812 DSP digital signal processor chip as a master, and multiple parallel low-voltage high-current of the MOSFET as the power drive module. The method and realization about some key segments are elaborated. System designs a more comprehensive protection functions. For example, the external overvoltage, overheating and overcurrent protections are added in the controller design. Optocoupler isolators shielding measures are used in the power module to raise the anti-jamming capability to ensure the system safe and reliable operation. In software design, the idea of modular design method and the structure of system main program, the interrupt service program are adopted, and implementation processes of some sub-programs are proposed.
Finally, this system is simulated by Simulink on the basis of the theory. The experiment platform is tested on low-speed operation of the motor. The results show that the system has good stability and the parameters are in line with design requirements. Test results show that the entire control system can meet the modern numerical control electric forklift industrial demand, and it has a high cost performance with good market prospects.
Keywords：Electric forklift, Permanent magnet synchronous motor, DSP, PID control SVPWM, MOSFET
杭州电子科技大学
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第1章绪论
本章首先介绍课题产生的背景，概述电动叉车的技术背景和发展现状，分析了国内外的发展动态，进而根据最新技术进展和市场需求，介绍本文的主要研究内容及结构安排。

1.1课题背景
叉车素来被称为“搬运之神”，它在物流领域发挥着巨大作用。

据调查统计，最近几年中国叉车销售量年均增幅都在30%以上，远远超过了国民经济的增长速度[1][2]。

中国已成为全球叉车市场上最为活跃的国家之一，受到世界的瞩目。

叉车按照动力方式来分类，可以分为内燃叉车和电动叉车[3]。

电动叉车利用蓄电池作为动力源，承载能力 1.0～4.8吨，作业通道宽度一般为3.5～5.0米。

由于电动叉车具有下述优点：使用时无尾气排放，低噪声，操作方便而灵巧，运行平稳，国内外用户对电动叉车的需求量不断增加。

国外市场特别是欧美发达国家，电动叉车的产量己占叉车总产量的40％以上，日本电动叉车产量也已超过了叉车总量的1/3[4]。

中国电动叉车也突破原来局限于小吨位作业的情况，所占比例迅速增长到30％左右。

可以看到，我国电动叉车在全世界的叉车销量中所占比例正稳中求升。

但同时不容忽视的是，发达国家的电动叉车产业已经处于成熟期，而我国电动叉车生产尚处于起步阶段，电控、电机、电瓶这三电的落后状况也是困扰着电动叉车的发展的主要原因。

所以必须正视国内厂家的技术水平与产品质量相对于国际领先的工业车辆制造商尚有一定差距。

直流驱动由于成本比较便宜，长期以来作为驱动方式被广泛应用于电动设备。

然而直流驱动系统由于本身在性能、维修等方面存在一些固有的缺陷。

相比之下，以交流电机为核心的交流驱动系统具有效率高、可靠性强、体积小、结构简单、调速范围宽、低速恒转矩、高速恒功率、维护成本低的特点，被称为是21世纪电动叉车的革命性技术。

随着电动叉车在叉车市场中所占份额不断攀升，交流驱动系统将引领新一轮电动叉车技术革命，其优势主要体现在以下方面[5]：
(1)再生制动，能量回馈
再生制动(Regenerative braking)亦称反馈制动，在制动时把车辆的动能转化及储存起来，而不是变成无用的热。

采用再生制动的系统，能减少机械磨损，而且比传统的制动系统大大简化。

大多数的电动叉车，再生制动通过将牵引电
动机作为发电机，使车轮产生制动力矩，并将能量送回给蓄电池，使电池工作时间延长，增加了电池的寿命。

交流电机均会产生能量再生，并且持续作用直至叉车完全静止，显然比直流电机的能量再生效率更高。

当驾驶者通过踩刹车踏板刹车，或是转换行驶方向刹车，会有再生能量产生。

刹车越强烈，再生的能量越多。

所以无论是刹车还是换向，电动机均会处于发电机状态,其电磁转矩将成为制动性质的转矩。

刹车片的磨损被降至最低，从而机械磨损大大下降，减少了叉车维护费用，使运行成本更低。

(2)易于编程，设计灵活
变频调速技术在交流驱动系统中的使用，使得可以实时控制交流电机，从而使交流电机获得和直流电机一样的调速性能。

控制能力大大增强；速度力矩控制，叉车的操作效率提高；采用加速踏板释放制动功能，提高了叉车的稳定性和可靠性；而采用CAN总线通信，使得分布式节点不受安装位置的限制，实现了总线接口标准化，系统集成简单设计灵活。

(3)提高生产效率
交流电机最高转速比直流电机提高很多，动力更强劲。

而且，交流电机可以将获得的再生能量回馈给蓄电池，既延长了电池的使用时间，又可以将这些能量用于提高叉车的整体性能。

其结果是叉车在行驶中启动更快，加速/减速性能大大提高，缩短了达到最高速度的时间与行走距离。

研究表明，在大多数的实际使用中，叉车自启动至停止的一次搬运作业距离很少长于20m。

而交流电机优秀的加速性能使得在如此短的距离内实现叉车全速运转成为可能，叉车的工作效率显著提高。

(4)叉车操作人性化设计
使用交流驱动系统的电动叉车，由于电机的体积小巧轻便，使得叉车的设计更为灵活。

研究表明: 驾驶室内壁的精巧布置有利于提高生产率。

如果所有的控制都能按人机工程学进行布置, 司机操纵就更加舒适, 更能集中精力工作[6]。

比如，日本的丰田叉车，7FB系列电动叉车设计上揉合了人体工程学的概念，使叉车的操作更得心应手，不仅视野更开阔，而且操作空间加大，操作更加舒适。

还有其他一些厂家的电动叉车增加了驾驶室内的足部空间，并采用大的手垫和可调校高度的身垫，使操作更舒适。

部分厂商采用新式的树脂制造避震器以吸收震荡，使叉车行驶更加平稳安全。

此外，某些电动叉车车身上还附有软垫、手垫及新创的“浮板”式减震设计（专利确认中）使操作员在更舒适的环境中工作。

(5)降低维护成本
交流驱动的电动叉车由于没有碳刷和换向器，使得电机的体积减小，转速度提高，叉车的可靠性、稳定性、安全性大大提升。

同时，由于使用交流电机，
可以终生免维修，所以在整个叉车设计的环节中可以将电机密封起来，使叉车结构设计更加紧凑。

1.2国内外研究现状和发展
1.2.1国外电动叉车
目前国际上电动叉车的产量已占电动叉车总量的40%，在德国、意大利等一些西欧国家电瓶电动叉车的比例则高达65%，且有不断上升的趋势[7]。

而交流电机和变频调速在电动叉车中的使用，更是起到了质的飞跃的作用。

国外叉车企业早在上世纪90年代就开始自行研发和生产交流驱动叉车。

1996年，美国的丹纳赫传动(Danaher Motion)公司率先推出了第一代采用48V交流电机的驱动系统。

该交流驱动系统模块包括：转向驱动系统、牵引驱动、举升驱动、牵引电机、举升电机、导引装置、车辆主控器、显示器、制动器。

由于其运动控制系统耐用、可靠、安全、运行平稳、驾驶舒适，一直以来都备受业界的推崇。

所以发达国家的叉车产业进入了成熟期，现在已经批量生产，处于平稳发展阶段。

世界顶级的叉车企业比如德国的永恒力、瓦格纳、日本的丰田、小松、瑞典的BT、美国的皇冠等都采用了丹纳赫传动的交流驱动系统，设计和生产了具有自己特色的电动叉车。

如今，越来越多的叉车企业看好交流驱动系统叉车的市场前景，不断推出新车型并向用户大力推荐，将其视为在日益激烈的市场竞争中制胜的又一利器。

1.2.2国内电动叉车
据中国工程机械工业协会工业车辆分会统计，在2008年世界各国工业车辆销售排行榜中，中国已由原先的排名第四晋升到世界排名第二，仅位居美国之后。

但是就总体技术和水平而言，国内叉车产业和叉车产品尚处于发展期。

我国电动叉车行业近几年都呈现出高速增长，虽然在2008年受到金融危机的影响，但是中国叉车在国际和国内市场的发展前景仍然乐观。

我国的叉车市场历经 40 余年发展，初步形成高、中、低三个层次。

中高端、高端市场被以林德为代表的跨国巨头占领；中端、中低端市场以安徽合力叉车和杭州叉车等为主导;低端市场以浙江如意、虎力等民营企业为首，格局基本稳定[8]。

自从2003年交流驱动系统正式进入我国开始销售以来，国内一部分厂家也开始使用丹纳赫传动公司提供的交流驱动系统生产电动叉车。

例如,安徽合力股份有限公司采用丹纳赫传动交流驱动系统的四轮1.5t全交流驱动叉车样车已经完成测试，正在开始批量生产。

然而也存在着很多严峻的形势：国外品牌的长驱直入；行业竞争日趋激烈；能源材料价格上涨，国产品牌利润微薄，技术含量低。

未来的竞争必定是谁掌握了新技术，谁就能赢得更多的市场份额，占有更多的优势。

我国叉车企业要想在未来的市场竞争中取得优势，必须从薄弱环节入手，加大电动叉车自行研发的力度，尤其是交流驱动系统在电动叉车上的应用。

从而提升产品的品质，开拓更广阔的市场空间，赢得更多的客户。

总之，交流驱动系统作为叉车更新换代的技术，必将得到越来越广泛的运用。

1.3电动叉车介绍
如图1.1所示，为电动叉车的结构图。

电动叉车是以直流电源（大多数为蓄电池）为动力的装卸及搬运车辆。

据国外资料统计，日本电动叉车产量就已经超过了叉车总量的1/3。

在德国、意大利等一些西欧国家，电动叉车所占的比例达到50%左右。

电动叉车的迅速发展主要得益于各生产厂家的不断进步，实现了规模生产、零部件专业化生产和装配流水线作业[9]。

图1.1 电动叉车结构图
1.3.1电动叉车结构以及技术参数
1.3.1.1电动叉车结构
(1)车体
车体是叉车的主体结构，一般都是由5mm以上钢板制成，其特点是无大梁，车体强度高，可承受重载，就电瓶在叉车车体上的放置位置而言，有两种不同
的制造技术，即电瓶安置于前后桥之间或后桥之上[10]。

这两种技术代表了叉车设计的两种最优选择，且各有优缺点，稳定性好，但也有其局限性。

由于车体
内的空间有限，因此限制了电瓶的容量。

当电动叉车的载重量不超过3t时这个矛盾并不突出，但是对于大吨位的电动叉车要求工作时间长，电瓶容量大。

所
以追求大容量的电瓶，延长电动叉车的工作时间，扩大调速范围，成为各厂家
解决的当务之急。

(2)门架
叉车门架机构是叉车的主要作业及承重机构，其运动学和动力学的特性直接关系到叉车作业的可靠性[11]。

叉车门架，包括外门架、内门架、货叉、货叉架及安装在货叉架上的侧向滚轮、纵向滚轮和含油滚轮。

目前，国内外电动叉车大部分已经采用宽视野门架，起升液压缸由中间放置改为两侧放置。

液压缸的放置位置有两种：一种是液压缸位于门架后面；另一种是液压缸位于门架外测。

门架一般分为标准型、两节型或三节型。

国内叉车的起升高度一般在2~5m之间，且以3m及3m以下的居多，而国外电动叉车的起升高度一般在2~6m之间，由于仓库的立体化程度高，因此起升高度3m以上，电动叉车的需求量比国内高得多。

新型叉车门架的优点在于结构科学合理，改变了门架的受力状况，减轻了门架的变形，提高了叉车的使用性能和寿命。

(3)驾驶室
由于电动叉车的作业环境是室内居多，因此不像其他的叉车有封闭的驾驶室。

世界上比较先进的叉车驾驶室设计充分考虑到了工作效率、安全性、更符
合人体工学原理。

比如LINDE的E20新型叉车驾驶室，能够根据驾驶员的身高和体重进行调整加速系统在叉车改变行驶方向时无需转向，方向盘立柱的倾斜
角可以由操作者自由调节。

CROWN的FC4000系列增大了操作空间，相对于FC3000系列，头部空间增加61 mm，肩部间隙加大240 mm，膝盖空间加大90 mm，座椅和方向盘均可在三个自由度范围内。

Linde、Still等公司的驾驶室可
根据用户要求向左或向右旋转45°，便于短距离倒车。

这一系列措施可确保每
一位司机工作在最佳位置。

所以这些新设计都大大地减轻了驾驶员的劳动强度。

(4)驱动系统
驱动系统是电动叉车的关键部件之一。

各种叉车在驱动系统的结构上存在
很大的差别，如国内抚顺产的叉车，是单电机布置形式，其电机轴与驱动桥为
丁字型结构。

而LINDE的E20电动叉车和CARER的P50叉车的前轮驱动是由两个独立的电机来完成的，电机与驱动轴平行放置，结构紧凑。

由于是双电机
驱动，加速和爬坡性能好，牵引力大，采用了电子整速系统，替代原来的机械
差速系统，使用性得到了很大的提高。

(5)液压系统
电动叉车一般都采用单独的电机，带动齿轮泵，从而为其门架工作系统的
提升和倾斜提供液压动力。

液压电机在启动后，液压泵脉冲控制器能够根据液
压回路的反应，自动平衡电机速度与用油量，从而节约电能，这种控制的优点
是电源利用率高，无电压峰值，液压系统的噪声低，液压元件的磨损也低，从
而大大地提高了整车的可靠性和使用寿命。

(6)制动系统
电动叉车的制动系统有停车制动和行车制动，其中停车采用手制动，而行车则采用脚制动。

随着电力电子技术的发展， SCR 和MOS管被应用于制动系统中，使得电瓶叉车的制动能量再生成为可能。

能量再生过程其实也是一个电子制动过程，当操作者松开加速器控制踏板、踏下反向的加速器踏板或者踏下液压制动踏板都属于电子制动。

具有能量再生的叉车系统，当操作者踏下制动器时，牵引电机将变成一台发电机，电能回馈送回到电瓶，起到了充电和节能的作用。

只有当操作者进一步制动时，液压制动才真正起作用。

能量再生制动系统的优点是延长了每次充电后的工作时间，特别是在频繁制动工况下高速制动，提高电动叉车能量回收率，减少了电动叉车的机械磨损，减少了维修的停工时间，因而降低了维护和使用成本。

(7)转向系统
平衡叉车都采用后轮转向，且工作范围小，转向运动频繁。

在叉车的转向
系统中，如果采用机械转向，驾驶员的工作强度会很高；如果采用液压动力转向，则劳动强度会大大降低。

因此，现在市场上销售的叉车基本上实现了动力
转向。

国内电瓶叉车的液压转向一般是转向电机在叉车工作过程中不停地满负
荷运转，因此造成了不必要的能量浪费，以及电机和液压泵的磨损。

但是，LINDE 和NISSAN等公司的电瓶叉车，其动力转向则更进了一步，即通过方向盘不动时，则转向电机不工作。

此功能不但节约能量，还延长了再次充电后的可工作
时间，缩短了转向电机的空转时间，因此也减少了电机和液压泵的磨损。

日本小松公司的电瓶叉车采用EPS速度传感器动力转向。

该系统是“负荷感应型”转
向，带有一个伺服制动和动力液压转向型优先配给阀。

动力转向系统使用提升电机的动力，能自动选择转向所需的最佳力。

(8)电控及其自我诊断和液晶显示系统
电气控制是显示电动叉车技术水平的一个重要因素。

因此，随着电子技术的发展，电瓶叉车的电控也日趋完善。

电动机控制器也经历了从电池、电阻启动、晶闸管控制器、可控硅控制器到MOSFET控制器的发展过程。

尤其是晶体管斩波器在叉车上的成功应用，除了实现无级调速和再生性制动外，还增加了自我故障诊断和液晶显示系统。

自我诊断会对可能出现的错误向驾驶员发出警报，包括松开和锁定停车制动器，安全空挡联锁装置和电瓶的过量放电等。

液晶显示系统会向驾驶员显示出各种数据包括电瓶放电量、叉车载重量和行驶速度、电解液量、工作时间等，不但对叉车起到了维护和保养的工作，而且也为驾驶员的操作提供了安全保证。

1.3.1.2电动叉车技术参数
要选择适用的叉车，必须了解叉车的技术参数，叉车的技术参数包括性能参数、尺寸参数及重量参数。

其中性能参数有荷载中心距、最大起升高度、最大起升速度、门架倾角、最大运行速度、最小外侧转弯半径等[12]：
(1)载荷中心距C:标准载荷重心到货叉垂直段前壁的水平距离称为叉车的载荷中心，单位为mm。

载荷中心距是根据叉车稳定性设计决定的，不同起重量的叉车一般情况下载荷中心是不同的。

当货物的重心在载荷中心范围内时，叉车能以最大起重量进行装卸作业，否则叉车的稳定性会遭到破坏而易发生事故。

1t叉车规定载荷中心距为500mm。

(2)额定起升重量m：额定起重量是指门架处于垂直位置，货物重心位于载荷中心距范围以内时，允许叉车举起的最大货物重量，单位为t,是叉车的一个重要指标。

(3)门架倾角(前倾角α，后仰角β)：它是指无载叉车在平坦、坚实的地面上，门架相对其垂直位置向前和向后倾斜的最大角度。

前倾角的作用是为了便于叉取和卸放货物；后倾角的作用是当叉车带货运行时，预防货物从货叉上滑落。

根据作业需要，一般叉车前倾角为3°~6°，后倾角为10°～12°。

(4)最大起升高度Hmax：指门架处于垂直位置，货叉满载起升至最高位置，从叉面至地面的垂直距离。

最大起升高度一般为3～4 m，若要求再升高，则要增加门架和起升油缸的高度，或者采用三节门架和多级作用的油缸，这样不仅使叉车的自重和外形尺寸增大，而且使叉车工作时的纵向和横向稳定性都变差。

因此，当最大起升高度超过一定数值时，必须相应减小叉车的允许起重量。