轉(zhuǎn)差頻率矢量控制技術(shù)在蓄電池叉車中的應(yīng)用

李春卉

(軍事交通學(xué)院軍事物流系，天津300161)

蓄電池叉車的驅(qū)動(dòng)主要是直流電動(dòng)機(jī)和交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)兩大類。交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)具有功率大、易維護(hù)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，而且其變頻調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩、高速恒功率控制，具有更廣的調(diào)速范圍［1］。但是交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制方式多而且復(fù)雜，常用的有V/f(電壓/頻率)控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、無(wú)編碼器矢量控制等，如果控制方式設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)調(diào)速控制器發(fā)熱、效率低等問(wèn)題。因此，正確設(shè)計(jì)蓄電池叉車的控制方式至關(guān)重要。本文結(jié)合蓄電池叉車的使用特性，將轉(zhuǎn)差頻率矢量控制技術(shù)應(yīng)用于蓄電池叉車中，并取得了較好的試驗(yàn)效果。

1 轉(zhuǎn)差頻率矢量控制策略

1.1 矢量控制基本原理

矢量控制技術(shù)利用坐標(biāo)變換將三相系統(tǒng)等效為兩相系統(tǒng)，再按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的同步旋轉(zhuǎn)變換實(shí)現(xiàn)對(duì)定子電流勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量之間的解耦，從而達(dá)到分別控制交流電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩的目的。轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制基本方程為［2］

式中:Lsd為定子繞組的等效自感;Lrd為轉(zhuǎn)子繞組的等效自感;Lmd為定子和轉(zhuǎn)子的等效互感;Tr為轉(zhuǎn)子電路時(shí)間常數(shù);p為微分算子;M為轉(zhuǎn)矩;Ψr為轉(zhuǎn)子總磁鏈;ωs為轉(zhuǎn)差角頻率;isT為定子電流轉(zhuǎn)矩分量;isM為勵(lì)磁電流;np為定子極對(duì)數(shù)。

在電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，都要服從的基本運(yùn)動(dòng)方程為

式中:Te為電磁轉(zhuǎn)矩;TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

從式(2)可以看出，要提高調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，主要依靠控制轉(zhuǎn)速的變化率dω/dt。顯然，通過(guò)Te控制就能達(dá)到控制dω/dt的目的。轉(zhuǎn)差頻率矢量控制就是通過(guò)控制轉(zhuǎn)差角頻率ωs來(lái)控制Te，從而間接控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

1.2 矢量控制系統(tǒng)控制策略

蓄電池叉車的矢量控制采用間接磁場(chǎng)定向矢量控制，磁鏈觀測(cè)器采用電流模型法，被檢測(cè)信號(hào)為定子電流和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速［3］，控制策略如圖1所示。矢量控制過(guò)程如下:

(1)轉(zhuǎn)矩給定M*由速度調(diào)節(jié)器ASR給出，通過(guò)矢量變換器可確定出定子電流轉(zhuǎn)矩分量給定值、勵(lì)磁分量給定值。ω為實(shí)際轉(zhuǎn)速，φs為定子電壓矢量轉(zhuǎn)角，根據(jù)式(1)計(jì)算出轉(zhuǎn)差角頻率給定值ωs，經(jīng)過(guò)積分運(yùn)算得到定子電壓矢量轉(zhuǎn)角φs，即ω)dt。

(2)電流反饋通過(guò)電流傳感器測(cè)量逆變器輸出的定子電流iA、iB，由iC=－(iA+iB)計(jì)算出 iC，通過(guò)Clark變換將定子電流iA、iB、iC變換成兩相定子電流 iα、iβ;然后再通過(guò) Park 變換將 iα、iβ轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系電流isT、isM。

(3)通過(guò)電流調(diào)節(jié)器及2r/2s、2s/3s坐標(biāo)變換得到三相交流分量，記為，再通過(guò) SVPWM控制算法來(lái)控制逆變器isT和isM。

圖1 控制策略框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

蓄電池叉車控制系統(tǒng)框圖如圖2所示，包括矢量控制運(yùn)算模塊、功率逆變單元及其驅(qū)動(dòng)模塊、檢測(cè)模塊、通信模塊等4個(gè)模塊。

控制系統(tǒng)以英飛凌公司的16位XC164CM微處理器作為控制核心，采樣定子各相電流、計(jì)算交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和相對(duì)位置;運(yùn)用矢量控制算法得到電壓空間矢量的PWM控制信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大和光耦隔離電路后，驅(qū)動(dòng)MOSFET功率管;監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)切斷PWM信號(hào)。

圖2 蓄電池叉車控制系統(tǒng)框圖

檢測(cè)模塊主要對(duì)系統(tǒng)各部分運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視，主要包括電池電壓檢測(cè)、電壓和電流檢測(cè)、轉(zhuǎn)速檢測(cè)等。考慮到定子電流檢測(cè)精度和實(shí)時(shí)性是影響整個(gè)系統(tǒng)精度的關(guān)鍵因素，采用霍爾電流傳感器實(shí)現(xiàn)定子電流iA和iB的測(cè)量，由于iA+iB+iC=0，因此，采樣其中兩路電流即可以計(jì)算得到三相電流。速度檢測(cè)電路采用精度為每轉(zhuǎn)64個(gè)脈沖的增量式光電編碼器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，其輸出的A、B相正交編碼脈沖經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換后輸入到微處理器，采用M/T法測(cè)速［4］，從而保證在低速和高速時(shí)測(cè)速的準(zhǔn)確性。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件分為主程序和中斷服務(wù)程序兩個(gè)部分。主程序主要完成系統(tǒng)初始化、模擬量檢測(cè)、故障診斷保護(hù)以及響應(yīng)各中斷子程序;子程序包括故障診斷保護(hù)、PWM調(diào)制中斷、SVPWM子程序、CAN通信中斷等。矢量控制策略的實(shí)現(xiàn)，主要依賴于各個(gè)中斷子程序的設(shè)計(jì)，中斷服務(wù)程序流程如圖3所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將該控制系統(tǒng)裝配于2 t交流蓄電池叉車進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

4.1 相電壓、相電流測(cè)試結(jié)果

調(diào)速控制系統(tǒng)輸出的U、V、W三相相電壓輸出波形如圖4所示?？梢钥闯?，三相電壓PWM波形變化情況一致，且相鄰兩相電壓在相位上基本互差120°。圖5為V相相電流波形，中部為V相霍爾電流傳感器輸出波形，下方為V相相電壓波形，可以看出，相電流波形滯后于相電壓波形約90°，且從圖4和圖5的實(shí)驗(yàn)波形可以看出電動(dòng)機(jī)電流、電壓變化非常平滑。

圖4 U、V、W三相相電壓波形

4.2 SVPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)驗(yàn)

控制系統(tǒng)的逆變電路采用SVPWM 控制，實(shí)驗(yàn)波形采集頻率在50 Hz情況下的SVPWM波形(測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)矩設(shè)為4 N·m)。圖6為邏輯分析儀測(cè)量所得的柵極驅(qū)動(dòng)電壓波形和相電壓，U、V、W三相上下橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM信號(hào)與相電壓反饋情況是對(duì)應(yīng)的，交流電動(dòng)機(jī)能夠正常工作。從U、V、W三相相電壓可以看出，SVPWM子程序符合SVPWM的7段調(diào)制模式。

圖5 V相相電流與相電壓波形

圖6 MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電壓與相電壓

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)采用以XC164CM微處理器為控制芯片，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)差頻率矢量控制策略，并通過(guò)軟件生成SVPWM波形控制蓄電池叉車的逆變器。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)具有控制策略簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、轉(zhuǎn)矩變化平穩(wěn)、加速性能好的特點(diǎn)。

［1］ 徐麗芳，宋文斌.交流電動(dòng)控制技術(shù)在叉車中的應(yīng)用研究［J］.機(jī)電工程，2010(11):58.

［2］ 王會(huì)濤，錢(qián)希森，王吉校.轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電動(dòng)機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的研究和仿真［J］.電氣傳動(dòng)，2007(11):80.

［3］ 歐衛(wèi)斌，李軍生.基于DSP的異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真［J］.工礦自動(dòng)化，2009(6):40.

［4］ 賴東林，劉志剛，刁利軍.基于DSP的轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)在電動(dòng)游覽車中的應(yīng)用［J］.電氣應(yīng)用，2006(9):141.