蓄电池叉车电控系统的发展

1、电动叉车驱动控制系统的发展状况概述 近年来随着全社会环保意识的增强，电动叉车由于具有无污染、低噪声等显著优点，得到了飞快的发展。国外市场特别是欧美发达国家，由于受环保法规影响，电动叉车的产量已占叉车总产量的40以上，日本电动叉车产量也已超过了叉车总量的13。在中国，电动叉车所占比例为20 左右，已突破原来只能用于小吨位作业的局限。但不容忽视的是，我国电动叉车生产尚处于起步阶段，一直是我国工业车辆行业的弱项，特别是三电(电控、电机、电瓶)的落后状况困扰着电动叉车的发展，国内厂家的技术水平与产品质量相对于国外先进的工业车辆制造商尚有一定差距。电动叉车主要部分是电气系统，统称“三电” 即电控、电机，

2、电瓶，尤其是电机驱动系统，它的性能好坏将直接影响蓄电池叉车的质量和性能。电动叉车驱动系统一般由电机、控制系统(包括电动机驱动器、调速控制器及各种传感器)、机械传动装置等构成。目前正在应用或开发的电动车选用的驱动电机主要有直流电动机、交流电动机、永磁同步电动机、开关磁阻电动机四类，详见表1。表1 电动车用电机驱动系统中选用的电机电机类型优点缺点应用前景直流电机它励直流电机结构简单, 具有优良的电磁转矩控制特性。(1) 有刷, 易产生电火花, 引起电磁干扰, 维护困难; (2) 价格高, 体积和重量大。比较于其它驱动系统, 已处于劣势, 处于被淘汰地位串励直流电机交流感应电动机( 1) 价格低;

3、(2) 易维护; (3) 体积小控制装置较复杂已成为目前多数驱动电动车的首选。永磁同步电动机无刷直流电动机(1) 控制器较简单;(2) 效率高, 能量密度大。价格较贵。随着稀土永磁材料的出现, 这类电机有望与交流感应电机争夺市场。无刷交流电动机开关磁阻电动机(SRM )(1) 简单可靠, 可调范围宽, 效率高; (2) 控制灵活; (3) 成本低。(1) 转矩波动大; (2) 噪声大; (3)需要位置检测器; (4) 系统具有非线性特性。目前应用还受到限制。本文从驱动方面来讨论控制系统的发展，可以分为三个阶段，即串励直流电动机控制系统、他励直流电动机控制系统、交流电动机控制系统。串励直流电动机

4、控制系统直流电动机结构简单，具有优良的电磁转矩控制特性，所以直到20世纪80年代中期，它仍是国内外的主要研发对象。而且，目前国内用于电动叉车的绝大多数仍是串励直流电动机。因为串励直流电动机可以在低速时获得较大的启动转矩，轻载时获得较高的转速，所以认为串励直流电动机的软机械特性更符合电动叉车驱动的要求。2.1 串励直流电动机控制系统发展串励直流电动机控制系统最初采用接触器控制电阻进行调速，是国外五、六十年代的产品。八十年代国内有的厂家开始引进应用先进的电子技术，采用可控硅脉冲斩波无级调速，如八十年代初南平叉车总厂、抚顺叉车总厂吸收国外先进技术，开发了可控硅脉冲无级调速装置。其中长沙铁道学院电子设

5、备厂DKM3型以及后来改进的QBZ3-7型都采用了可控硅。由于目前国产可控硅调速系统、场效应控制系统元器件质量及结构仍未过关，各整机厂很多采用美国GE可控硅调速系统EV100型。EV100型采用可编程控制系统，并配备电能再生制动器和随机故障诊断系统等。国产牵引电机在过电流、过扭矩等性能上已接近国际水平，但在体积、重量等方面还有一定的差距，而且可供选用的电机品种规格较少，限制了电动叉车品种规格的发展。随着电子元件的发展，八十年代出现的功率晶体管，可替代SCR可控硅斩波器，使控制板故障减少，维修更方便。采用微处理机接收的信号包括司机座开关、提升倾斜液压油路、辅助液压油路、行走电机控制和蓄电池电压等

6、，经微处理机计算和分析这些信号，然后指令叉车各个部件完成动作。如意大利萨牌公司的H系列和美国科蒂斯公司PMC系列调速控制器；瑞典卡尔玛公司的小吨位蓄电池叉车采用可编程控制系统，主要作业都经微机处理，电动系统始终保持在最佳工作状态。 而且目前大吨位蓄电池叉车采用了转向控制系统，例如日本输送机公司对23吨的前移式蓄电池叉车作了改进，转向机构不再采用液压控制，而采用传感器和控制器控制转向力，比液压控制的转向机构节约电池能量四分之一，同时省去了液压管路，结构简单紧凑，运行更加平稳。斯蒂尔公司在蓄电池叉车上也用了新型电动转向装置，比较省力，动作准确。因此，随着电子技术的发展，电动叉车的电控也日趋完善。2

7、.2 电动机控制器的发展三个阶段特点（1）电阻器启动。控制能量损失大，只可有限地分解速度。但其调速系统多用电阻调速方式。这种调速方式存在许多明显的缺点：1耗能大、降低电瓶的使用寿命。2依靠继电器接点改变电阻值达到调速，这样继电器接点经常被强大的工作电流烧损，同时接点上产生的弧光又是火灾隐患。3由于变速级数只有四挡，叉车起动不稳对机械传动装置冲击力大，增加了机械维修量，也减少了机器的寿命。由于上述原因，国内外不少单位都花费了大量的时问和经费研究用电子调速装置来代替电阻调速的方法，但这些产品在技术指标和性能上都不尽人意。如有些产品结构复杂，设计不合理，故障多，无保护电路，不能抗干扰。尤其在非常繁忙

8、的货场，叉车使用条件复杂，工作环境恶劣，干扰因素多，连续工作时间长，使这些电子调速装置在可靠性方面远远达不到要求。（2）晶闸管控制器控制。电子调速是靠晶闸管电路构成的斩波器来控制电机电流达到调速的。晶闸管相当于一个电子开关，与直流电机呈串联连接。在控制电路的作用下，晶闸管有规律地导通和关断，从而使流过晶闸管和电机的电流呈矩形波状态(频率一般可为几十赫到几百赫)。若改变电流矩形波的占空比，就可改变电流的平均值，从而改变了电机的转速，这种电路结构也称为斩波器。那么如何绝对可靠地控制晶闸管规律性的导通与关断，乃是整个调速系统中的关键所在。因为当晶闸管应该导通而电路不能控制其导通时，或导通频率不准时，

9、必然使叉车不能正常运行或速度不稳，更为严重的是在晶闸管应该关断而电路不能使其关断时，电机电流会突然猛增，使叉车速度失控而致猛冲。这是很危险的。如果再没有良好的电路保护系统，会导致晶闸管过流烧毁。在80年代早期出现了功率晶体管，它可以替代SCR可控硅斩波器。（3）MOS场效应管控制器。门极驱动电流小，并联控制特性好，正向电压降较小，开关损失降低。由于减少了元器件，并采用全封闭装置，可靠性大大提高。MOS管场效应管的工作效率更高，允许的最高速度更大，操作噪声更小，保护措施更强。晶体管斩波器的控制采用微处理器，除了可进行性能参数设定、再生制动外，还设有过压过流过热等保护功能，并可进行自我故障诊断和检

10、测。新一代蓄电池叉车和牵引车上，就装用了具有代表性的意大利萨牌公司的H系列和美国科蒂斯公司PMC系列调速控制器。他励直流电动机控制系统他励直流电动机及其控制器是上世纪末期逐步发展起来的。在此之前，蓄电池车辆上广泛采用串励直流电动机及电子控制斩波调速控制器。他励直流电动机及其控制器对电动车辆的控制更加方便、可靠，技术更先进，在中小型电动车辆上有很好的应用前景。意大利萨牌（ZAPI）的SEM2 和SEM3、美国通用电气（GE）的IC3546SR、科蒂斯（CURTIS）公司生产的PMC1243、PMC1244采用了他励直流电动机控制器。3.1他励直流电动机机械特性在对他励电动机进行斩波调速控制时，保

11、持电源电压不变，均匀调节电动机两端电压，电动机的电枢电流变化，导致电磁转矩变化。如果设计中保证电动机的调节特性覆盖电动车辆的阻力转矩，即电动机的起动转矩大于阻力转矩，他励电动机就可很好地满足电动车辆的驱动要求。但是实用的他励直流电动机为防止磁路过饱和，磁场要加以特别设计，磁场绕组通过的电流远小于串励电动机的磁场电流，磁场绕组的匝数多、导线截面积小，这样可减少磁场部分的电能消耗。采用他励的连接方式还可依据调速控制的需要，对磁场电流进行调节。3.2他励直流电动机控制系统的特点他励直流电动机及其控制器可实现传统串励电控无法实现的坡道防下滑功能，电瓶、电机工作电流的脉动大大减少，空载和满载均能实现最大

12、车速。他励电控取消了3个接触器(换向、旁路、再生)，见图 从根本上解决了接触器易拉弧、故障多的问题，大大减少了维护工作量，降低了使用维修费用。他励电动机调速控制电路接通方向控制开关，通过控制器使VT1、VT3（或VT2、VT4）同时导通，即可改变车辆运行方向。依据调速踏板信号，通过控制器改变功率场效应管VT5的相对导通率，即可实现车辆的调速控制。采用他励电动机，实现再生制动控制也很方便。当车辆需要减速时，抬起调速踏板，控制器将再生制动接触器RB设为图6所示状态，电动机接成并励直流发电机运行状态，电枢在车辆动力带动下旋转，产生感应电动势，向蓄电池充电，实现制动能量的再生利用。再生制动时充电回路是

13、:电动机电枢下端续流二极管D主接触器KM蓄电池组GB应急电源开关K再生制动接触器RB电动机电枢上端。交流电动机控制系统一直以来，交流电机及控制器多用于固定设备的驱动，2O世纪7O年代开始在欧洲和日本用于行走设备，后来用于电动车辆。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1O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。美国的叉

14、车和电控开发部门就瓶颈问题展开了有针对性的研究，最终使交流动力系统叉车在美国得到了很好的发展，例如科蒂斯1234控制器。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。国内的交流驱动系统叉车2003年才开始在我国销售，迄今在这一技术领域我国尚处于起步阶段。只有几家主要的叉车企业使用丹纳赫传动公司提供的交流驱动系统生产电动叉车，其系列化产品正在开发试制中。例如，安徽合力股份有限公司采用丹纳赫传动(Danaher Motion)交流驱动系统的四轮15T全交流驱动叉车样车已经完成测试，开始批量生

15、产。4.1 AC交流驱动控制器的特点交流电机运用于叉车具有以下显著特点：一是叉车运行速度高，工作装置起升速度高；二是由于它采用高效控制器及具有再生制动功能，因此，比传统叉车节能30以上；三是全封闭电机、轴承及多盘制动器免维护(无接触器或碳刷)。交流电机的电压有越来越高的发展趋势，高电压(728O V)已在欧洲开始使用。在高电压下工作时，实际工作的电流很小，叉车在工作中发热更少、效率更高，完全克服了直流电机产生热量多、效率低下、维护频繁的缺点。此外，AC交流控制器在低速时恒转矩控制，高速时恒功率控制，在低速段有电压补偿功能，使得爬坡和起动性能更好，加之AC电机有速度反馈功能，因此操作灵敏度高，动

16、力控制精确。电机的特性可以通过改变三相交流电的正弦波的频率而得到控制，使控制变得更为简单，并且可以得到更宽范围的调节。直流电机的特性由控制器的输出电压决定，所以当蓄电池的电量不足时，电机输出特性变差。而交流系统就不存在此问题，电机可以在变化的电流和频率之间调节， 因而输出的特性可以维持在良好的状态，受电池电量的影响较小。因此使用交流系统在同样的蓄电池容量下可以比直流电机的使用时间延长25，有效地提高了生产效率。4.2 AC交流驱动控制器的控制方式应用于AC电动机的变频控制技术主要有三种：转差控制、矢量控制、V/F（电压频率）控制。现在异步电动机变频调速主要以交一直一交电压型逆变的电压频率比控制

17、方式为主，这种控制方式控制线路比较简单，能使传动系统处于某性能指标或经济指标最佳工况下运行。交流电机一般采用直流斩波器加逆变器和PWM (脉冲宽度调制) 逆变器两种方式。PWM 逆变器又分电压控制PWM 和电流控制PWM。对于交流电机来说, 由于电动叉车的电源(蓄电池) 电压低, 采用直流斩波器加逆变器方式, 传输能量环节过多, 会降低整个系统的效率。而采用PWM电压型逆变器, 则线路简单、环节少、效率高。所以变频器输出电压和频率的控制一般采用脉冲宽度调制（PWM）的方式。变频器的逆变原理是通过改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变调制周期来控制输出频率，见图。5、结束语通过对蓄电池机械的驱动控制系统的比较可见, 交流电机仍将是未来电动车电机驱动系统的首选, 其控制系统将随着微电子技术、传感技术、信息技术的发展和应用,实现以微处理器为核心是未来叉车控制系统发展的主方向，即以微处理器为核心，控制由局部控制向网络化方向发展，使整