蓄電池叉車電控系統(tǒng)的發(fā)展

1、電動叉車驅動控制系統(tǒng)的發(fā)展狀況概述 近年來隨著全社會環(huán)保意識的增強，電動叉車由于具有無污染、低噪聲等顯著優(yōu)點，得到了飛快的發(fā)展。國外市場特別是歐美發(fā)達國家，由于受環(huán)保法規(guī)影響，電動叉車的產量已占叉車總產量的40以上，日本電動叉車產量也已超過了叉車總量的13。在中國，電動叉車所占比例為20 左右，已突破原來只能用于小噸位作業(yè)的局限。但不容忽視的是，我國電動叉車生產尚處于起步階段，一直是我國工業(yè)車輛行業(yè)的弱項，特別是三電(電控、電機、電瓶)的落后狀況困擾著電動叉車的發(fā)展，國內廠家的技術水平與產品質量相對于國外先進的工業(yè)車輛制造商尚有一定差距。電動叉車主要部分是電氣系統(tǒng)，統(tǒng)稱“三電” 即電控、電機，

2、電瓶，尤其是電機驅動系統(tǒng)，它的性能好壞將直接影響蓄電池叉車的質量和性能。電動叉車驅動系統(tǒng)一般由電機、控制系統(tǒng)(包括電動機驅動器、調速控制器及各種傳感器)、機械傳動裝置等構成。目前正在應用或開發(fā)的電動車選用的驅動電機主要有直流電動機、交流電動機、永磁同步電動機、開關磁阻電動機四類，詳見表1。表1 電動車用電機驅動系統(tǒng)中選用的電機電機類型優(yōu)點缺點應用前景直流電機它勵直流電機結構簡單, 具有優(yōu)良的電磁轉矩控制特性。(1) 有刷, 易產生電火花, 引起電磁干擾, 維護困難; (2) 價格高, 體積和重量大。比較于其它驅動系統(tǒng), 已處于劣勢, 處于被淘汰地位串勵直流電機交流感應電動機( 1) 價格低;

3、(2) 易維護; (3) 體積小控制裝置較復雜已成為目前多數驅動電動車的首選。永磁同步電動機無刷直流電動機(1) 控制器較簡單;(2) 效率高, 能量密度大。價格較貴。隨著稀土永磁材料的出現, 這類電機有望與交流感應電機爭奪市場。無刷交流電動機開關磁阻電動機(SRM )(1) 簡單可靠, 可調范圍寬, 效率高; (2) 控制靈活; (3) 成本低。(1) 轉矩波動大; (2) 噪聲大; (3)需要位置檢測器; (4) 系統(tǒng)具有非線性特性。目前應用還受到限制。本文從驅動方面來討論控制系統(tǒng)的發(fā)展，可以分為三個階段，即串勵直流電動機控制系統(tǒng)、他勵直流電動機控制系統(tǒng)、交流電動機控制系統(tǒng)。串勵直流電動機

4、控制系統(tǒng)直流電動機結構簡單，具有優(yōu)良的電磁轉矩控制特性，所以直到20世紀80年代中期，它仍是國內外的主要研發(fā)對象。而且，目前國內用于電動叉車的絕大多數仍是串勵直流電動機。因為串勵直流電動機可以在低速時獲得較大的啟動轉矩，輕載時獲得較高的轉速，所以認為串勵直流電動機的軟機械特性更符合電動叉車驅動的要求。2.1 串勵直流電動機控制系統(tǒng)發(fā)展串勵直流電動機控制系統(tǒng)最初采用接觸器控制電阻進行調速，是國外五、六十年代的產品。八十年代國內有的廠家開始引進應用先進的電子技術，采用可控硅脈沖斬波無級調速，如八十年代初南平叉車總廠、撫順叉車總廠吸收國外先進技術，開發(fā)了可控硅脈沖無級調速裝置。其中長沙鐵道學院電子設

5、備廠DKM3型以及后來改進的QBZ3-7型都采用了可控硅。由于目前國產可控硅調速系統(tǒng)、場效應控制系統(tǒng)元器件質量及結構仍未過關，各整機廠很多采用美國GE可控硅調速系統(tǒng)EV100型。EV100型采用可編程控制系統(tǒng)，并配備電能再生制動器和隨機故障診斷系統(tǒng)等。國產牽引電機在過電流、過扭矩等性能上已接近國際水平，但在體積、重量等方面還有一定的差距，而且可供選用的電機品種規(guī)格較少，限制了電動叉車品種規(guī)格的發(fā)展。隨著電子元件的發(fā)展，八十年代出現的功率晶體管，可替代SCR可控硅斬波器，使控制板故障減少，維修更方便。采用微處理機接收的信號包括司機座開關、提升傾斜液壓油路、輔助液壓油路、行走電機控制和蓄電池電壓等

6、，經微處理機計算和分析這些信號，然后指令叉車各個部件完成動作。如意大利薩牌公司的H系列和美國科蒂斯公司PMC系列調速控制器；瑞典卡爾瑪公司的小噸位蓄電池叉車采用可編程控制系統(tǒng)，主要作業(yè)都經微機處理，電動系統(tǒng)始終保持在最佳工作狀態(tài)。 而且目前大噸位蓄電池叉車采用了轉向控制系統(tǒng)，例如日本輸送機公司對23噸的前移式蓄電池叉車作了改進，轉向機構不再采用液壓控制，而采用傳感器和控制器控制轉向力，比液壓控制的轉向機構節(jié)約電池能量四分之一，同時省去了液壓管路，結構簡單緊湊，運行更加平穩(wěn)。斯蒂爾公司在蓄電池叉車上也用了新型電動轉向裝置，比較省力，動作準確。因此，隨著電子技術的發(fā)展，電動叉車的電控也日趨完善。2

7、.2 電動機控制器的發(fā)展三個階段特點（1）電阻器啟動?？刂颇芰繐p失大，只可有限地分解速度。但其調速系統(tǒng)多用電阻調速方式。這種調速方式存在許多明顯的缺點：1耗能大、降低電瓶的使用壽命。2依靠繼電器接點改變電阻值達到調速，這樣繼電器接點經常被強大的工作電流燒損，同時接點上產生的弧光又是火災隱患。3由于變速級數只有四擋，叉車起動不穩(wěn)對機械傳動裝置沖擊力大，增加了機械維修量，也減少了機器的壽命。由于上述原因，國內外不少單位都花費了大量的時問和經費研究用電子調速裝置來代替電阻調速的方法，但這些產品在技術指標和性能上都不盡人意。如有些產品結構復雜，設計不合理，故障多，無保護電路，不能抗干擾。尤其在非常繁忙

8、的貨場，叉車使用條件復雜，工作環(huán)境惡劣，干擾因素多，連續(xù)工作時間長，使這些電子調速裝置在可靠性方面遠遠達不到要求。（2）晶閘管控制器控制。電子調速是靠晶閘管電路構成的斬波器來控制電機電流達到調速的。晶閘管相當于一個電子開關，與直流電機呈串聯連接。在控制電路的作用下，晶閘管有規(guī)律地導通和關斷，從而使流過晶閘管和電機的電流呈矩形波狀態(tài)(頻率一般可為幾十赫到幾百赫)。若改變電流矩形波的占空比，就可改變電流的平均值，從而改變了電機的轉速，這種電路結構也稱為斬波器。那么如何絕對可靠地控制晶閘管規(guī)律性的導通與關斷，乃是整個調速系統(tǒng)中的關鍵所在。因為當晶閘管應該導通而電路不能控制其導通時，或導通頻率不準時，

9、必然使叉車不能正常運行或速度不穩(wěn)，更為嚴重的是在晶閘管應該關斷而電路不能使其關斷時，電機電流會突然猛增，使叉車速度失控而致猛沖。這是很危險的。如果再沒有良好的電路保護系統(tǒng)，會導致晶閘管過流燒毀。在80年代早期出現了功率晶體管，它可以替代SCR可控硅斬波器。（3）MOS場效應管控制器。門極驅動電流小，并聯控制特性好，正向電壓降較小，開關損失降低。由于減少了元器件，并采用全封閉裝置，可靠性大大提高。MOS管場效應管的工作效率更高，允許的最高速度更大，操作噪聲更小，保護措施更強。晶體管斬波器的控制采用微處理器，除了可進行性能參數設定、再生制動外，還設有過壓過流過熱等保護功能，并可進行自我故障診斷和檢

10、測。新一代蓄電池叉車和牽引車上，就裝用了具有代表性的意大利薩牌公司的H系列和美國科蒂斯公司PMC系列調速控制器。他勵直流電動機控制系統(tǒng)他勵直流電動機及其控制器是上世紀末期逐步發(fā)展起來的。在此之前，蓄電池車輛上廣泛采用串勵直流電動機及電子控制斬波調速控制器。他勵直流電動機及其控制器對電動車輛的控制更加方便、可靠，技術更先進，在中小型電動車輛上有很好的應用前景。意大利薩牌（ZAPI）的SEM2 和SEM3、美國通用電氣（GE）的IC3546SR、科蒂斯（CURTIS）公司生產的PMC1243、PMC1244采用了他勵直流電動機控制器。3.1他勵直流電動機機械特性在對他勵電動機進行斬波調速控制時，保

11、持電源電壓不變，均勻調節(jié)電動機兩端電壓，電動機的電樞電流變化，導致電磁轉矩變化。如果設計中保證電動機的調節(jié)特性覆蓋電動車輛的阻力轉矩，即電動機的起動轉矩大于阻力轉矩，他勵電動機就可很好地滿足電動車輛的驅動要求。但是實用的他勵直流電動機為防止磁路過飽和，磁場要加以特別設計，磁場繞組通過的電流遠小于串勵電動機的磁場電流，磁場繞組的匝數多、導線截面積小，這樣可減少磁場部分的電能消耗。采用他勵的連接方式還可依據調速控制的需要，對磁場電流進行調節(jié)。3.2他勵直流電動機控制系統(tǒng)的特點他勵直流電動機及其控制器可實現傳統(tǒng)串勵電控無法實現的坡道防下滑功能，電瓶、電機工作電流的脈動大大減少，空載和滿載均能實現最大

12、車速。他勵電控取消了3個接觸器(換向、旁路、再生)，見圖 從根本上解決了接觸器易拉弧、故障多的問題，大大減少了維護工作量，降低了使用維修費用。他勵電動機調速控制電路接通方向控制開關，通過控制器使VT1、VT3（或VT2、VT4）同時導通，即可改變車輛運行方向。依據調速踏板信號，通過控制器改變功率場效應管VT5的相對導通率，即可實現車輛的調速控制。采用他勵電動機，實現再生制動控制也很方便。當車輛需要減速時，抬起調速踏板，控制器將再生制動接觸器RB設為圖6所示狀態(tài)，電動機接成并勵直流發(fā)電機運行狀態(tài)，電樞在車輛動力帶動下旋轉，產生感應電動勢，向蓄電池充電，實現制動能量的再生利用。再生制動時充電回路是

13、:電動機電樞下端續(xù)流二極管D主接觸器KM蓄電池組GB應急電源開關K再生制動接觸器RB電動機電樞上端。交流電動機控制系統(tǒng)一直以來，交流電機及控制器多用于固定設備的驅動，2O世紀7O年代開始在歐洲和日本用于行走設備，后來用于電動車輛。交流電機及控制技術在歐洲和亞洲從研制到成熟經過了約1O年時間，之所以得以迅速發(fā)展主要是因為交流控制器的快速發(fā)展使得控制器無論從尺寸到成本都有了較大幅度的降低，近幾年在美國也開始被廣泛認可和使用。美國交流動力控制技術發(fā)展滯后的主要原因是因為電壓等級標準的不同，在歐洲和亞洲，普遍采用高電壓、低電流的電機及控制系統(tǒng)，而在美國，采用的是低電壓、高電流的電機及控制系統(tǒng)。美國的叉

14、車和電控開發(fā)部門就瓶頸問題展開了有針對性的研究，最終使交流動力系統(tǒng)叉車在美國得到了很好的發(fā)展，例如科蒂斯1234控制器。交流電機及控制系統(tǒng)被認為是較高級的電動叉車技術特性之一， 目前世界上采用交流動力控制技術的叉車企業(yè)主要有豐田、BT、Raymond、永恒力和克拉克等公司。國內的交流驅動系統(tǒng)叉車2003年才開始在我國銷售，迄今在這一技術領域我國尚處于起步階段。只有幾家主要的叉車企業(yè)使用丹納赫傳動公司提供的交流驅動系統(tǒng)生產電動叉車，其系列化產品正在開發(fā)試制中。例如，安徽合力股份有限公司采用丹納赫傳動(Danaher Motion)交流驅動系統(tǒng)的四輪15T全交流驅動叉車樣車已經完成測試，開始批量生

15、產。4.1 AC交流驅動控制器的特點交流電機運用于叉車具有以下顯著特點：一是叉車運行速度高，工作裝置起升速度高；二是由于它采用高效控制器及具有再生制動功能，因此，比傳統(tǒng)叉車節(jié)能30以上；三是全封閉電機、軸承及多盤制動器免維護(無接觸器或碳刷)。交流電機的電壓有越來越高的發(fā)展趨勢，高電壓(728O V)已在歐洲開始使用。在高電壓下工作時，實際工作的電流很小，叉車在工作中發(fā)熱更少、效率更高，完全克服了直流電機產生熱量多、效率低下、維護頻繁的缺點。此外，AC交流控制器在低速時恒轉矩控制，高速時恒功率控制，在低速段有電壓補償功能，使得爬坡和起動性能更好，加之AC電機有速度反饋功能，因此操作靈敏度高，動

16、力控制精確。電機的特性可以通過改變三相交流電的正弦波的頻率而得到控制，使控制變得更為簡單，并且可以得到更寬范圍的調節(jié)。直流電機的特性由控制器的輸出電壓決定，所以當蓄電池的電量不足時，電機輸出特性變差。而交流系統(tǒng)就不存在此問題，電機可以在變化的電流和頻率之間調節(jié)， 因而輸出的特性可以維持在良好的狀態(tài)，受電池電量的影響較小。因此使用交流系統(tǒng)在同樣的蓄電池容量下可以比直流電機的使用時間延長25，有效地提高了生產效率。4.2 AC交流驅動控制器的控制方式應用于AC電動機的變頻控制技術主要有三種：轉差控制、矢量控制、V/F（電壓頻率）控制?，F在異步電動機變頻調速主要以交一直一交電壓型逆變的電壓頻率比控制

17、方式為主，這種控制方式控制線路比較簡單，能使傳動系統(tǒng)處于某性能指標或經濟指標最佳工況下運行。交流電機一般采用直流斬波器加逆變器和PWM (脈沖寬度調制) 逆變器兩種方式。PWM 逆變器又分電壓控制PWM 和電流控制PWM。對于交流電機來說, 由于電動叉車的電源(蓄電池) 電壓低, 采用直流斬波器加逆變器方式, 傳輸能量環(huán)節(jié)過多, 會降低整個系統(tǒng)的效率。而采用PWM電壓型逆變器, 則線路簡單、環(huán)節(jié)少、效率高。所以變頻器輸出電壓和頻率的控制一般采用脈沖寬度調制（PWM）的方式。變頻器的逆變原理是通過改變脈沖寬度來控制輸出電壓，通過改變調制周期來控制輸出頻率，見圖。5、結束語通過對蓄電池機械的驅動控制系統(tǒng)的比較可見, 交流電機仍將是未來電動車電機驅動系統(tǒng)的首選, 其控制系統(tǒng)將隨著微電子技術、傳感技術、信息技術的發(fā)展和應用,實現以微處理器為核心是未來叉車控制系統(tǒng)發(fā)展的主方向，即以微處理器為核心，控制由局部控制向網絡化方向發(fā)展，使整