交流电动叉车驱动系统发展现状及常用方案比较

交流电动叉车驱动系统发展现状及常用方案比较

黄秋芳1黄敬党2

（福建农林大学机电工程学院 福建 福州 350002）

摘要：介绍了交流电动叉车驱动系统发展现状，对电动叉车用交流电动机常用的矢量控制系统方案进行了比较，简述了电动叉车的发展趋势。

关键词：电动叉车; 交流驱动; 矢量控制

中图分类号：U469.72文献标示码：A

Development of AC electric forklifts drive system and common

programme comparison

Huang QiuFang， Huang JingDang

College of Mechanical and Electrical Engineering，Fujian Agriculture and Forestry University

Abstract: Introducted the development of AC electric forklifts drive system, compared common programme of vector control systems of AC electric forklift motor, Outlined the development trend of electric forklifts.

Keywords: electric forklift; AC Drive; vector control

1 引言

由于具有无污染、低噪声等显著优点，近年来随着全社会环保意识的增强，电动叉车技术得到了飞快的发展，产销量呈逐年上升的趋势[1]。传统的电动叉车以直流电机驱动为主，近年以丰田为首的世界知名的叉车生产企业开始在电动叉车上用交流动力系统替代传统的直流驱动系统，开创了电动叉车技术的新时代。

2 交流电动叉车驱动系统发展现状

20世纪60年代后，电力电子学、微电子技术和现代电机控制理论的发展，为交流电气传动产品的开发创造了有利条件，使得交流传动逐步具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能。现代电机控制理论的发展，一方面不断地有技术指标极其苛刻的特殊应用需求，另一方面又要求提高性能、降低损耗、减少成本。微电子技术和计算机技术的飞速发展，以及控制理论的完善，仿真工具的日渐成熟，给电机控制行业带来了很多机遇和发展契机[2]。人们已经能够开发出全数字的交流调速产品，采用先进的控制理论，获得优于直流调速的性能，现代电气传动领域已经步入交流调速取代直流调速的时代。

2.1 交流驱动系统的特点

交流电机与直流电动机相比而言结构简单得多，运动部件少，输出轴支撑在电机两端的轴承座内，转子是惟一的旋转件，没有碳刷和换向器，与直流电机同样大小的交流电机可以提供更大的功率。转子和定子之间不直接接触，气隙的存在使得转子可以以很高的转速运转。交流电机的转速可以比直流电机高3倍，可以给驱动轮提供更大的转矩、更大的加速度和更高的转速。交流传动的电动叉车所用电源仍为直流电源，除了控制电路外，其余电路仍为直流电。控制器和换流器将直流电转换为三相交流电供给电机。直流驱动系统的直流电源通过脉冲调制控制器转变为平均电压，频率是固定的，而交流驱动系统的直流电源通过控制器转变为交流电压，频率是可变的，这使得交流驱动的调速范围更广。

2.2 国外交流电动叉车驱动系统现状

一直以来，交流电机及控制器多用于固定设备的驱动，20世纪70年代开始在欧洲和日本用于行走设备，最早用于火车，后来用于电动行走车辆。交流电机及控制技术在欧洲和亚洲从研制到成熟经过了约10年时间，之所以得以迅速发展主要是因为交流控制器的快速发展使得控制器无论从尺寸到成本都有了较大幅度的降低，近几年在美国也开始被广泛认可和使用。美国交流动力控制技术发展滞后的主要原因是因为电压等级标准的不同，在欧洲和亚洲，普遍采用高电压、低电流的电机及控制系统而在美国，采用的是低电压、高电流的电机及控制系统。例如，在欧洲和亚洲1.5 t级的电动叉车多用48 V电压，而美国1.5 t级电动叉车多用36 V电压。最初的交流控制器尺寸较大，成本也较为昂贵，并且不支持美国所采用的电压等级。认识到了交流驱动系统的优越性，美国的叉车和电控开发部门就以交流动力控制技术发展的瓶颈问题展开了有针对性的研究，最终使成本、尺寸、电压等级等问题得以很好的解决，因此，交流电动叉车在美国得到了很好的发展[3]。交流电机及控制系统被认为是较高级的电动叉车技术特性之一，目前世界上采用交流动力控制技术的叉车企业主要有丰田、BT、Raymond、永恒力和克拉克等公司。

2.3 微电子技术的应用

随着功率电子技术和微处理器技术的发展，电动叉车交流驱动发展趋势为数字化、模块化、智能化。在功率电子技术方面，功率开关元件己进入了迅猛发展阶段。目前大多采用绝缘栅极晶体管IGBT、MOSFET控制晶闸管和集成了驱动、自检测、自保护功能的功率模块IPM。

在微处理器技术方面，DSP开始在交流驱动系统中使用。DSP芯片品种主要有TI公司的TMS320系列、AD公司的ADSP2100系列、Motorola公司的DSP56000系列等。其中性能比较突出是TI公司的TMS320LF2000系列DSP。它的高速运算能力可实现高效的控制算法，并且片内集成了用于电机控制的外围电路，为采用新的控制策略提供了有效的硬件环境。

3 电动叉车用交流电机常用的矢量控制系统方案及其比较

目前电动叉车用交流电机矢量控制方法应用较多、比较成熟的有四种。它们基于不同的控制思路，有着各自的优缺点。下面对它们进行简要的总结和比较。

3.1 转差频率的矢量控制方案

转差频率的矢量控制方案结构简单，不需要实际计算转子磁链的幅值和相位，避免了磁通的闭环控制，所能获得的动态性能基本上可以达到直流双闭环控制系统的水平。然而间接磁场定向控制中对转子时间常数比较敏感，当控制器中这个参数不正确时，计算出的转差频率也不正确，得出的磁通旋转角度将出现偏差，即出现定向不准的问题。这种控制方法不适合高性能的电机控制系统。

3.2 气隙磁场定向矢量控制方案

气隙磁场定向系统中磁通关系和转差关系中存在藕合，需要增加解藕器，这使得它比转子磁通的控制方式复杂，但具有一些状态能直接测量的优点，比如气隙磁通。同时电机磁通的饱和程度与气隙磁通一致，故基于气隙磁通的控制方式更适合于处理饱和效应。

3.3 定子磁场定向的矢量控制方案

定子磁场定向的矢量控制方案，在一般的调速范围内可利用定子方程作磁通观测器，非常易于实现且不包括对温度变化非常敏感的转子参数，可达到相当好的动静态性能，同时控制系统结构也相对简单。然而低速时，由于定子电阻压降占端电压的大部分，致使反电动势测量误差较大，导致定子磁通观测不准，影响系统性能。