轉差頻率矢量控制技術在蓄電池叉車中的應用

李春卉

(軍事交通學院軍事物流系，天津300161)

蓄電池叉車的驅動主要是直流電動機和交流感應電動機兩大類。交流感應電動機具有功率大、易維護、結構簡單等優點，而且其變頻調速系統可以實現低速大轉矩、高速恒功率控制，具有更廣的調速范圍［1］。但是交流感應電動機的控制方式多而且復雜，常用的有V/f(電壓/頻率)控制、轉差頻率控制、矢量控制、無編碼器矢量控制等，如果控制方式設計不當，會出現調速控制器發熱、效率低等問題。因此，正確設計蓄電池叉車的控制方式至關重要。本文結合蓄電池叉車的使用特性，將轉差頻率矢量控制技術應用于蓄電池叉車中，并取得了較好的試驗效果。

1 轉差頻率矢量控制策略

1.1 矢量控制基本原理

矢量控制技術利用坐標變換將三相系統等效為兩相系統，再按轉子磁場定向的同步旋轉變換實現對定子電流勵磁分量與轉矩分量之間的解耦，從而達到分別控制交流電動機的磁鏈和轉矩的目的。轉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為轉子繞組的等效自感;Lmd為定子和轉子的等效互感;Tr為轉子電路時間常數;p為微分算子;M為轉矩;Ψr為轉子總磁鏈;ωs為轉差角頻率;isT為定子電流轉矩分量;isM為勵磁電流;np為定子極對數。

在電氣傳動控制系統中，都要服從的基本運動方程為

式中:Te為電磁轉矩;TL為負載轉矩;J為轉動慣量。

從式(2)可以看出，要提高調速系統的動態性能，主要依靠控制轉速的變化率dω/dt。顯然，通過Te控制就能達到控制dω/dt的目的。轉差頻率矢量控制就是通過控制轉差角頻率ωs來控制Te，從而間接控制電動機的轉速。

1.2 矢量控制系統控制策略

蓄電池叉車的矢量控制采用間接磁場定向矢量控制，磁鏈觀測器采用電流模型法，被檢測信號為定子電流和電動機轉速［3］，控制策略如圖1所示。矢量控制過程如下:

(1)轉矩給定M*由速度調節器ASR給出，通過矢量變換器可確定出定子電流轉矩分量給定值、勵磁分量給定值。ω為實際轉速，φs為定子電壓矢量轉角，根據式(1)計算出轉差角頻率給定值ωs，經過積分運算得到定子電壓矢量轉角φs，即ω)dt。

(2)電流反饋通過電流傳感器測量逆變器輸出的定子電流iA、iB，由iC=－(iA+iB)計算出 iC，通過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 Park 變換將 iα、iβ轉換為旋轉坐標系電流isT、isM。

(3)通過電流調節器及2r/2s、2s/3s坐標變換得到三相交流分量，記為，再通過 SVPWM控制算法來控制逆變器isT和isM。

圖1 控制策略框圖

2 硬件設計

蓄電池叉車控制系統框圖如圖2所示，包括矢量控制運算模塊、功率逆變單元及其驅動模塊、檢測模塊、通信模塊等4個模塊。

控制系統以英飛凌公司的16位XC164CM微處理器作為控制核心，采樣定子各相電流、計算交流電動機的轉速和相對位置;運用矢量控制算法得到電壓空間矢量的PWM控制信號，該信號經過功率放大和光耦隔離電路后，驅動MOSFET功率管;監控整個系統的運行狀態，當系統出現故障時及時切斷PWM信號。

圖2 蓄電池叉車控制系統框圖

檢測模塊主要對系統各部分運行參數進行監視，主要包括電池電壓檢測、電壓和電流檢測、轉速檢測等。考慮到定子電流檢測精度和實時性是影響整個系統精度的關鍵因素，采用霍爾電流傳感器實現定子電流iA和iB的測量，由于iA+iB+iC=0，因此，采樣其中兩路電流即可以計算得到三相電流。速度檢測電路采用精度為每轉64個脈沖的增量式光電編碼器檢測轉子位置，其輸出的A、B相正交編碼脈沖經電壓轉換后輸入到微處理器，采用M/T法測速［4］，從而保證在低速和高速時測速的準確性。

3 軟件設計

軟件分為主程序和中斷服務程序兩個部分。主程序主要完成系統初始化、模擬量檢測、故障診斷保護以及響應各中斷子程序;子程序包括故障診斷保護、PWM調制中斷、SVPWM子程序、CAN通信中斷等。矢量控制策略的實現，主要依賴于各個中斷子程序的設計，中斷服務程序流程如圖3所示。

4 實驗結果

將該控制系統裝配于2 t交流蓄電池叉車進行實驗。

4.1 相電壓、相電流測試結果

調速控制系統輸出的U、V、W三相相電壓輸出波形如圖4所示?？梢钥闯觯嚯妷篜WM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的實驗波形可以看出電動機電流、電壓變化非常平滑。

圖4 U、V、W三相相電壓波形

4.2 SVPWM驅動信號實驗

控制系統的逆變電路采用SVPWM 控制，實驗波形采集頻率在50 Hz情況下的SVPWM波形(測功機轉矩設為4 N·m)。圖6為邏輯分析儀測量所得的柵極驅動電壓波形和相電壓，U、V、W三相上下橋臂驅動信號PWM信號與相電壓反饋情況是對應的，交流電動機能夠正常工作。從U、V、W三相相電壓可以看出，SVPWM子程序符合SVPWM的7段調制模式。

圖5 V相相電流與相電壓波形

圖6 MOSFET柵極驅動電壓與相電壓

5 結語

本系統采用以XC164CM微處理器為控制芯片，實現了轉差頻率矢量控制策略，并通過軟件生成SVPWM波形控制蓄電池叉車的逆變器。實驗驗證，該系統具有控制策略簡單、穩定性好、動態響應快、轉矩變化平穩、加速性能好的特點。

［1］ 徐麗芳，宋文斌.交流電動控制技術在叉車中的應用研究［J］.機電工程，2010(11):58.

［2］ 王會濤，錢希森，王吉校.轉差頻率控制的異步電動機矢量控制調速系統的研究和仿真［J］.電氣傳動，2007(11):80.

［3］ 歐衛斌，李軍生.基于DSP的異步電動機矢量控制系統的設計與仿真［J］.工礦自動化，2009(6):40.

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