基于矢量控制的电动叉车调速系统设计

摘要：针对电动叉车用三相异步电动机调速的要求，以TMS32OLF28335为核心设计了带转矩内环的转速、转子磁链闭环矢量控制系统。给出了硬件原理框图、关键器件、设计思想和仿真图。实验结果表明控制系统具有良好的性能。

关键词：电动叉车;异步电动机;矢量控制;TMs32OLF28335

Design of the Electric Forklift Truck Speed Regulating System Based on the Vector Control

Abstract:Based on the analysis of electric forklift with three phase asynchronous motor speed regulation, at the request of the TMS32OLF28335 as the core design with torque inner ring speed, rotor magnetic chain closed-loop vector control system. Also presents the hardware functional block diagram, key components, design idea and program flow chart. The experimental results show that the control system has good performance.

Keywords:electric Forklift Truck;asynchronous motor; vector control ;TMS320LF28335

中图分类号：U261.27 文献标识码：A 文章编号：

前言

电动叉车是以蓄电池作为动力源，通过电机将电能转换为机械能驱动叉车行走和转换为液压能驱动工作装置工作的物料搬运机械。电动叉车的性能与其动力驱动系统的性能密切相关，研制和开发适合电动叉车各种行驶工况条件下的驱动系统，成为电动叉车领域研究的重点内容.目前，电动叉车主要有直流驱动和交流驱动两种方式。由于交流系统本身在性能、维修等方面的优越性能，自上世纪末，交流驱动调速系统逐渐应用于电动叉车的设计和生产中，它的应用使电动叉车的性能显著提高。而异步电动机具有效率高、结构简单、免维护、体积小、寿命长等优点，还能有效的实现再生制动，在电动叉车交流驱动系统中广泛使用。随着高性能微处理器及新型电力电子器件的出现，使得应用全控型电力电子器件和空间矢量(SVPWM)控制技术进行变频调速的方式已成为交流电机调速控制的主流。

针对异步电动机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统，矢量控制通过引入与转子绕组交链的转子磁链来建立异步电动机的数学模型。在以产生等效的旋转磁场的原则下，通过从静止坐标系到旋转坐标系的变换，把异步电动机的定子电流分解为以转子磁场定向的定子励磁电流分量和与之正交的定子转矩电流分量，对两分量可以进行分别控制。这样，以转子磁场定向的矢量控制系统可以实现异步电动机磁场的完全解耦。就可以像控制直流电动机那样控制异步电动机。相对于其他微处理器，DSP具有运算速度快，可以自己产生有死区时间的PWM 输出，可以实现诸如模糊控制等复杂的算法，硬件少等优点，因而广泛用于电机的数字控制。本文以TMS320LF28335 DSP芯片为核心，设计了针对三相交流异步电机的全数字调速控制系统。实验结果表明，该系统具有良好的静、动态性能。

2 TMS320F28335简介

TMS320F28335数据信号控制器是TI公司最新推出的32位浮点DSP控制器，具有150MHz的高速处理能力，18路PWM输出，与前几代数字信号控制器相比，性能平均提高了50%，并可与定点C28x 控制器软件兼容。其浮点运算单元，可显著提高控制系统控制精度和控制器运算速度，是目前最先进的控制器之一，可应用到参数辨识等需要大运算量的电机实

时控制系统中。TMS320F28335 与TMS320F2812定点DSP芯片相比，增加了单精度浮点运算单元FPU，高精度PWM，Flash 增加了1倍，添加了DMA功能，可将ADC 转换结果等直接存入DSP的任一存储空间，增加了1 个CAN 通讯模块、1 个SCI 接口和1 个SPI接口。TMS320F28335 的其他特性如下：最高150MHz 主频、外部存储扩展接口、看门狗技术、3 个定时器、18 个PWM 输出、16 通道的12 位A/D 转换器。基于TMS320F28335 数字控制系统的硬件电路主要包括电压、电流检测，PWM 信号输出，SCI 及CAN 通讯等。DSP 的作用是将由传感器测得的信号进行数字滤波，再经控制算法计算，得到一个与输入量相对应的PWM 信号。与281x 系列由事件管理器EV 产生PWM 信号不同，283xx 系列使用EPWM 模块产生PWM 信号输出给开关管的驱动电路，且F28335 的EPWM 使用软件生成SVPWM 信号更为方便、快捷。EPWM 模块的设置很关键，在此选用CMPA 设置触发时刻和触发信号占空比，TBPRD 设置开关频率，CMPCTL设置计数模式。它采用连续增减计数模式，产生对称

的PWM 波，这样可减少谐波。另外还通过DBFED和DBRED 设置了死区单元，以避免上下2 个开关管导通。TMS320F28335 自带ADC 模块，使系统简单，且抗干扰能力增强。

3硬件电路设计

基于TMS32OLF28335三相交流异步电机双闭环调速控制系统硬件框图如图1所示。

图1 系统硬件框图

系统主电路采用交一直一交电压型变频器，功率器件采用智能功率模块IPM。该模块包含了6个IGBT和6个与IGBT反并联的续流二极管。控制电路部分由TMS320LF28335控制器单元、电流检测电路、、转速检测电路灯模块组成。

4系统软件设计

电动叉车异步电动机矢量控制系统如图2所示。该系统给定量为由驾驶员给定车速计算的电动机转速和电动机转子磁链。控制系统采用转速、转子磁链闭环控制，同时为了提高转速、转子磁链闭环控制系统解耦性能，增加了转矩环作为转速的内环。这样，转子磁链对转矩的影响相当于对转矩内环的一种扰动作用，因而受到转矩内环的抑制，从而改善了转速子系统，使它少受转子磁链变化的影响。逆变器采用电源型PWM逆变器。

图2 电动叉车异步电机矢量控制系统

4．1异步电动机矢量控制方程式

以转子磁场定向的异步电动机在DQ坐标系中，D轴与转子磁链同向。根据其电压方程和磁

链方程，可得其控制方程式为：

式中，、 分别为定子电流 D、Q轴上的分量；Ls为定子的自感；Lr为折算到定子边的转子的自感，Lm为定转子的互感；Tr为转子时间常数；为转差角频率；Te为电磁转矩，为极对数。

由控制方程式可以看出，转子磁链唯一是有定子励磁电流分量产生；保持不变，调节定子转矩电流分量就可以调节异步电动机的电磁转矩Te。这样，就实现了像控制直流电动机那样控制异步电动机。

4.2转子磁链观测器

由异步电动机按转子磁场定向的控制方程式可设计转子磁链观测器，如图3所示。 通过电流传感器测量逆变器输出的定子电流、，经过DSP的A/D转换器转换成数字量，并利用=—（+）计算出，电流通过Clark变换得到两相静止坐标系上的电流，再经过同步旋转Park变换，得到D—Q旋转坐标系下的励磁反馈电流和转矩反馈电流，与给定的励磁电流和转矩电流的差通过PI调节后，再经过Park逆变换输出两相静止坐标系下的电压，DSP利用该电压生成三相逆变器所需的六路驱动信号。实时测量的电机转速一方面用于与给定速度比较，另一方面根据控制方程式得到转子磁链和转差角频率。将和转子角频率相加，得到转子磁链角频率，将进行积分处理，就可以得到转子磁链的瞬时相位，也即是同步旋转变换的旋转相位角。

5 实验结果与分析

仿真所用电机参数：额定功率0.5KW，额定转速1500（r/min），额定电压380V，np=2，Rr=1.45Ω，Ls=0.196H，Rs=1.898Ω，Lr=0.196H，Lm=0.187H.。

采用matlab软件仿真模型如下图5.1所示：

（1）wr仿真曲线

（4）Id， Iq仿真曲线

（5）Te仿真曲线

由仿真图可以看出，在控制过程中，转子磁链只有很小的微调，确保了以转子磁场定向矢量控制的正确性，有良好的动、静态性能，符合电动叉车动力性要求。

6结语

本文设计了采用以TMS32OLF28335此类较新型DSP芯片为PWM 控制核心的电动叉车三相交流异步电机双闭环调速控制系统。实验结果表明，该控制系统具有动态响应快，稳态电流稳定，控制精度高等优点。实践证明，该系统还具有较好的抗干扰性。该系统为交流电机调速提供了完整的思路，设计合理，适应电动叉车的应用要求。

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