永磁同步電機系統(tǒng)在電動叉車上的應用

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

電動叉車現(xiàn)已突破原來只能用于小噸位作業(yè)的局限，逐步由室內走向室外，市場需求逐年上升。

1 電動叉車驅動電機

電動叉車的發(fā)展推動了其驅動電機及其控制系統(tǒng)的不斷革新。電機及其控制系統(tǒng)種類很多，國內電動叉車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，比如調速性能好、調速范圍廣、起動轉矩大、易于控制等，但由于直流電機含有接觸電刷，致使運行時容易出現(xiàn)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越多的趨勢，永磁同步電機、開關磁阻電機等亦有應用。從各種電機的特點來看，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(tǒng)都面對控制器成本較高的問題。表1 所列是各種電動叉車驅動電機的性能比較。

從表1 中可以看出，永磁同步電機綜合性能超過其他類型的電機，是非常理想的電動叉車驅動電機。隨著計算機技術、傳感器技術及電力電子技術的發(fā)展，永磁同步電機系統(tǒng)在電動車輛領域將有更廣的應用。

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

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，使電機結構較為簡單，降低了加工成本，且省去了容易出問題的換向器和電刷，提高了電機的可靠性;又因沒有勵磁損耗，提高了電機的效率和功率密度。

圖1 所示是一種電動叉車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)點是漏磁系數(shù)小、動態(tài)性能好，特別適合于動態(tài)性能要求比較高的電動叉車用永磁同步電機。其磁路的不對稱性所產生的磁阻轉矩還有助于提高電機的過載能力和功率密度，而且易于“弱磁”增速。電機具有低速大轉矩的特性，以保證車輛低溫下所需的啟動轉矩;具有寬廣的工作速度范圍，以滿足車輛發(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 永磁同步驅動電機控制系統(tǒng)

永磁同步電機控制器系統(tǒng)采用直接轉矩控制、空間矢量控制和無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，并具有將電動叉車的制動能量回饋給動力電池組功能?？刂葡到y(tǒng)具備與車輛其他系統(tǒng)間的CAN 通信模塊。

用控制器局域網(wǎng)(CAN)裝備電動車輛的控制系統(tǒng)是當今國際上最新控制技術之一，基于CAN 總線的電動叉車控制系統(tǒng)已是國際上各大叉車制造公司研究的熱點。

永磁同步電機控制器通過對驅動電機的有效控制，實現(xiàn)如下功能：①發(fā)電運行：用于在剎車制動時的能量回收;②電動運行：驅動車輛，亦可用于加速時助力。

電機驅動硬件部分：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、驅動電路模塊和信號檢測電路模塊組成，通過檢測反饋電流來實現(xiàn)對驅動電機的閉環(huán)控制，采用多種傳感器對整個系統(tǒng)進行監(jiān)控，以確保電機的可靠性與安全性。圖2 所示是驅動電機控制器的硬件原理圖。

驅動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、直流母線過電壓故障保護、直流母線欠壓故障保護、電機過載故障保護、電機過速故障保護、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指標功能如下：

(1)輸入電壓波動范圍：UN±30% ;

(2)通信控制接口：兩路CAN2.0B 總線;

(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：過壓/ 欠壓、過載、控制器過溫限功率輸出、通信故障、極端溫度關斷等功能;

(5)高效率工作區(qū)：75% 的工作區(qū)效率大于90% ;

(6)平均無故障時間：>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) 電磁兼容性滿足GB/T18655-2002,GB/T17619-1998 的要求。

4 結 語

永磁同步電機及其控制系統(tǒng)是綜合性能優(yōu)良的一種車用驅動系統(tǒng)，在電動叉車領域具有逐步替代直流電機和異步電機系統(tǒng)的趨勢。