永磁同步電機系統在電動(dòng)叉車(chē)上的應用

近年來(lái)，隨著(zhù)人們對環(huán)境污染危害的深刻認識，環(huán)保已成為世界共同關(guān)注的焦點(diǎn)。因此，電動(dòng)叉車(chē)等以蓄電池為動(dòng)力源的各種蓄電池車(chē)輛得到了快速的發(fā)展。電動(dòng)叉車(chē)具有能量轉換效率高、噪聲小、無(wú)廢氣排放、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，在車(chē)間、倉庫、自動(dòng)倉儲系統、大型超市等對環(huán)境條件要求較高的場(chǎng)合得到了廣泛的應用。目前，歐美等發(fā)達國家電動(dòng)叉車(chē)所占叉車(chē)總量比例已達60%,國內電動(dòng)叉車(chē)所占比例僅為20%左右。

電動(dòng)叉車(chē)現已突破原來(lái)只能用于小噸位作業(yè)的局限，逐步由室內走向室外，市場(chǎng)需求逐年上升。

1 電動(dòng)叉車(chē)驅動(dòng)電機

電動(dòng)叉車(chē)的發(fā)展推動(dòng)了其驅動(dòng)電機及其控制系統的不斷革新。電機及其控制系統種類(lèi)很多，國內電動(dòng)叉車(chē)主要采用的是直流電機，包括串激直流電機、并激直流電機、復勵直流電機等。雖然直流電機具有很多特點(diǎn)，比如調速性能好、調速范圍廣、起動(dòng)轉矩大、易于控制等，但由于直流電機含有接觸電刷，致使運行時(shí)容易出現換向故障和其他機械故障，噪聲較大，壽命較低，需要經(jīng)常維護，所以近幾年異步電機的應用有越來(lái)越多的趨勢，永磁同步電機、開(kāi)關(guān)磁阻電機等亦有應用。從各種電機的特點(diǎn)來(lái)看，異步電機可靠性高，永磁同步電機則綜合性能優(yōu)良，但異步電機與永磁同步電機控制系統都面對控制器成本較高的問(wèn)題。表1 所列是各種電動(dòng)叉車(chē)驅動(dòng)電機的性能比較。

從表1 中可以看出，永磁同步電機綜合性能超過(guò)其他類(lèi)型的電機，是非常理想的電動(dòng)叉車(chē)驅動(dòng)電機。隨著(zhù)計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)及電力電子技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電機系統在電動(dòng)車(chē)輛領(lǐng)域將有更廣的應用。

針對以上分析，本文介紹了一套電動(dòng)叉車(chē)用永磁同步電機驅動(dòng)系統，并與相同功率等級的直流電機進(jìn)行了性能對比。

2 永磁同步電機

永磁同步電機的運行原理與電勵磁同步電機相同，但它以永磁體代替了勵磁繞組，使電機結構較為簡(jiǎn)單，降低了加工成本，且省去了容易出問(wèn)題的換向器和電刷，提高了電機的可靠性;又因沒(méi)有勵磁損耗，提高了電機的效率和功率密度。

圖1 所示是一種電動(dòng)叉車(chē)用永磁同步電機的轉子磁路圖，該電機采用磁鋼內置式轉子磁路結構。

磁鋼內置式轉子的優(yōu)點(diǎn)是漏磁系數小、動(dòng)態(tài)性能好，特別適合于動(dòng)態(tài)性能要求比較高的電動(dòng)叉車(chē)用永磁同步電機。其磁路的不對稱(chēng)性所產(chǎn)生的磁阻轉矩還有助于提高電機的過(guò)載能力和功率密度，而且易于“弱磁”增速。電機具有低速大轉矩的特性，以保證車(chē)輛低溫下所需的啟動(dòng)轉矩;具有寬廣的工作速度范圍，以滿(mǎn)足車(chē)輛發(fā)電與助力的需求;并具有較高工作效率。表2 所列是一款6.5 kW永磁同步電機與常用直流電機的性能比較。

3 永磁同步驅動(dòng)電機控制系統

永磁同步電機控制器系統采用直接轉矩控制、空間矢量控制和無(wú)速度傳感器矢量控制等控制方式，具備高效率、高性能、高可靠性，并具有將電動(dòng)叉車(chē)的制動(dòng)能量回饋給動(dòng)力電池組功能?？刂葡到y具備與車(chē)輛其他系統間的CAN 通信模塊。

用控制器局域網(wǎng)(CAN)裝備電動(dòng)車(chē)輛的控制系統是當今國際上最新控制技術(shù)之一，基于CAN 總線(xiàn)的電動(dòng)叉車(chē)控制系統已是國際上各大叉車(chē)制造公司研究的熱點(diǎn)。

永磁同步電機控制器通過(guò)對驅動(dòng)電機的有效控制，實(shí)現如下功能：①發(fā)電運行：用于在剎車(chē)制動(dòng)時(shí)的能量回收;②電動(dòng)運行：驅動(dòng)車(chē)輛，亦可用于加速時(shí)助力。

電機驅動(dòng)硬件部分：電機控制器主要由集成DSP 的高性能Infineon XC2000 系列嵌入式芯片、IGBT 模塊、驅動(dòng)電路模塊和信號檢測電路模塊組成，通過(guò)檢測反饋電流來(lái)實(shí)現對驅動(dòng)電機的閉環(huán)控制，采用多種傳感器對整個(gè)系統進(jìn)行監控，以確保電機的可靠性與安全性。圖2 所示是驅動(dòng)電機控制器的硬件原理圖。

驅動(dòng)電機控制器的主要保護功能包括電機溫度故障保護、電機控制器溫度故障保護、直流母線(xiàn)過(guò)電壓故障保護、直流母線(xiàn)欠壓故障保護、電機過(guò)載故障保護、電機過(guò)速故障保護、電機控制器IPM 故障保護、12 V 控制電源故障保護、CAN 通信故障保護和整車(chē)控制指令異常故障保護等。

永磁同步電機控制器可以達到的技術(shù)指標功能如下：

(1)輸入電壓波動(dòng)范圍：UN±30% ;

(2)通信控制接口：兩路CAN2.0B 總線(xiàn);

(3)絕緣電阻：各端子對外殼大于25 MΩ ;

(4) 具有故障自診斷功能：過(guò)壓/ 欠壓、過(guò)載、控制器過(guò)溫限功率輸出、通信故障、極端溫度關(guān)斷等功能;

(5)高效率工作區：75% 的工作區效率大于90% ;

(6)平均無(wú)故障時(shí)間：>3 000 h ;

(7)轉矩控制精度小于等于5% ;

(8)最大控制速度和拐點(diǎn)轉速比大于3 ;

(9)峰值功率體積密度大于等于8 kW/L ;

(10) 電磁兼容性滿(mǎn)足GB/T18655-2002,GB/T17619-1998 的要求。

4 結 語(yǔ)

永磁同步電機及其控制系統是綜合性能優(yōu)良的一種車(chē)用驅動(dòng)系統，在電動(dòng)叉車(chē)領(lǐng)域具有逐步替代直流電機和異步電機系統的趨勢。