电动叉车驱动电动机控制技术优化

串励直流电动机的控制主要有起动控制、调速控制、换向控制和制动控制。目的都是为了满足叉车行驶、作业不断变化的需要。

（一）串励直流电动机的换向控制

电动叉车采用的是串励直流电动机，其旋转方向的改变是通过改变电磁转矩的方向来实现的。由电磁转矩公式T=K_tΦI_a可以看出，改变电枢电流I_a或改变磁通ϕ的方向，都可以改变电磁转矩的方向；而同时改变电枢电流和磁场方向，则不能改变电磁转矩的方向。因此，串励电动机的反转通常是利用换向开关或换向接触器等电器将电枢或励磁绕组反接或换接来实现。图2-121a所示为反接电枢法；图2-121b所示为反接励磁绕组法；图2-121c所示为换接励磁绕组法。

图2-121 串励直流电动机的换向（反转）控制

a）电枢反接 b）励磁绕组反接 c）励磁绕组换接

当正向接触器1KM触点闭合时，电流的方向如图2-121中实箭头所示，这时电动机正转。

当反向接触器2KM触点闭合时，电流方向如图2-121中虚箭头所示。在图2-121a中改变的是电枢的电流I_a。在图2-121b中改变的是励磁电流I_W，在图2-121c中换接的是两组绕向相反的励磁绕组W₁与W₂，由于图2-121c中的电动机需要两组绕向相反的磁场绕组，使电动机的结构复杂、体积增大，实用中常常采用前两种方法。

（二）直流电动机的调速控制

1.直流电动机的调速控制方式

直流电动机的调速控制方式主要有串接电阻调速、改变磁场磁通调速和改变电动机电枢的端电压调速三种。

2.直流电动机改变电压的调速控制

在串励直流电动机调速控制的电路中（如图2-122所示），当开关SA与触点1接合时，电动机两端的电压低，电动机的输出转矩较小。当开关SA与触点2结合时，电动机两端的电压高，电动机的输出转矩较大。同样阻力转矩时，电动机的电压高，则转速较高，如图2-123所示。

图2-122 串励直流电动机的调压电路

图2-123 改变电压的调速原理

无论是串接电阻调速、改变磁场磁通调速，还是改变电动机的电压调速，串励电动机的调速过程均是有级的，因此电动车辆在变速过程中存在冲击，操作不方便。理想的方法是，利用电力电子器件实现均匀改变施加到电动机上的电压，使电动机的电流均匀变化，其输出转矩相应变化，实现电动机的无级调速控制。

3.电力电子器件的无级调速控制

（1）串励直流电动机无级调速的控制器件 主要有晶闸管、功率场效应晶体管或大功率晶体管等电力电子器件。

（2）串励直流电动机无级调速的控制原理 通过控制电力电子器件的相对导通时问，改变了电动机的工作电流，实现电动机的变速控制，如图2-124所示。

图2-124 电力电子器件控制的串励电动机调速电路

a）晶闸管 b）功率场效应管

（3）电力电子器件的调速控制方式在电力电子器件导通时，若忽略器件上的电压降，电动机上的电压U_M与电源的电压U_B相等；当电力电子器件关断时，电动机上的电压为零。设电力电子器件的导通与关断时间分别为t_on和t_off，则电动机上的电压平均值为。

U_M=（U_B·t_on+0t_off）/（t_on+t_off）=U_B·t_on/T=γU_B。

式中，T为电力电子器件的工作周期，T=t_on+t_offγ为电力电子器件的导通比，V=t_on/T_o由此可以得出三种调速控制方式：

①定频调宽：电子器件工作频率f（f=1/T）一定时，导通时间越长，电动机的平均电压越高，电动机的输出转矩越大，运行转速越高。

②定宽调频：电子器件导通时间一定时，工作频率f（f=1/T）越高，电动机的平均电压也越高，电动机的输出转矩越大，运行转速越高。

③调频调宽：同时改变电力器件的导通时间和工作频率的一种调速方式。

（4）三种不同调速方式下电动机电压的平均值如图2-125所示。

图2-125 电动机在不同调速方式下电压的平均值

a）工作时间与工作原理 b）定频调宽 c）定宽调频 d）调频调宽

（5）电力电子器件调速方式的应用 定频调宽、定宽调频及调频调宽的方法在晶间管脉冲调速和其他电力电子晶体管脉冲调速的蓄电池车辆上均有应用，而且实际应用中还在电动机的两端并联一个二极管VD，称续流二极管，如图2-126a所示。

图2-126 续流二极管的作用

a）电路原理图 b）波形图

当晶闸管导通时，电源B供给电动机的电流i_B将按指数关系上升，其波形如图2-126b所示。当晶闸管关断时，电源不供给电流即i_B=0。但由于电动机绕组的电感中储有能量，使电动机电流经二极管VD继续流通，即电动机M中将流过电流i_VD，i_VD的波形是按指数关系下降的。因此，电动机M流过的电流i_M应为电源电流i_B与续流电流i_VD之和，即i_M=i_B+i_VD，其波形见图2-126b。可见，并联续流二极管后，可以在晶闸管导通较小时得到较大的电动机电流，从而得到较大的电动机转矩。并且，续流二极管的存在吸收了电动机磁场绕组的自感电动势，避免该瞬变过电压加到电子器件上，保护了电力电子器件。

这种调速方法具有节省电能、电源利用率高及能实现无级调速等优点，故虽然其控制系统较复杂，仍然在串励直流电动机调速控制中获得广泛应用。

（三）常用调速控制器

1.DKM-3型调速控制器

DKM-3型调速控制器总体电路由走行电路、油泵电动机电路和照明信号电路组成，如图2-127所示。

走行电路主要对走行电动机实施起动、停车、调速、反转和制动等控制。它包括操作电路、主电路、触发脉冲产生电路和失控保护电路。从控制关系上看，在走行电路中，操作电路控制了主电路和触发脉冲产生电路。触发脉冲电路所产生的脉冲U_g1、U_g2、U_g3去控制主电路，从而达到对走行电动机的调速要求。失控保护电路接收主电路的失控信号之后，再去控制操作电路，切断车辆电路，以防发生事故。

油泵电动机电路受油泵开关控制，主要对油泵电动机实施起动和停止控制。起动油泵电动机时带动液压油泵转动，为起升、倾斜、横移等油缸供应高压油液。

照明信号电路受照明信号开关的控制，主要控制灯光、喇叭、音响等。

2.QBZ3-7型调速控制器

QBZ3-7型调速控制器是DKM-3型调速控制器的改进型，该调速控制器与DKM-3型相比具有以下特点：

①调速方式为调频调宽混合调速式，全速行驶时采用接触器短接主晶闸管方式，调压比更大，电动机功率可得到充分发挥。

②设有软起动慢加速电路，因此起步平稳，调速均匀。(www.xing528.com)

③电动叉车的油泵电动机采用全电压起动方式，使用一个接触器代替了原来叉车的一套起动电路，因此电路得到简化。

④指令信号产生电路采用了无滑动摩擦的动铁片式变压器结构，从而避免了老式滑动式变阻器的断丝、接触不良等弊病。

图2-127 DKM-3型脉冲调速控制器总体电路框图

3.EVIOO型调速控制器

美国通用电气公司（GE）的EV100型电动车辆调速控制器是专门为直流电动机驱动的电动车辆所设计的。北京叉车厂、合肥叉车厂等生产的1.5t电动叉车上，采用了该调速控制器。

（1）EVIOO型调速控制器的参数 EVIOO型调速控制器是集晶闸管、晶闸管导通角控制电路和晶闸管保护器件于一体，对直流电动机进行调压变流控制的装置。有关参数见表2-4。

表2-4 EVIOO型调速控制器的有关参数

（2）电动叉车的控制电路与工作 电动叉车的电路由驱动控制电路、提升电动机控制电路、转向泵电动机控制电路和辅助电器电路等组成。驱动控制电路指驱动电动机的主电路、操作电路、保护电路、再生制动控制电路等。EV100型调速控制器控制的电动车辆电路，如图2-128所示。

①驱动控制电路。由电动机的电枢，磁场绕组，换向接触器F、R，晶闸管T1、T2、T3等组成，即电动机的调压变流控制电路。主电路如图2-128中的粗实线部分所示。

图2-128 EVIOO型调速控制器控制的电动车辆电路

电路中接触器F、R与磁场绕组配合，实现电动机的旋向变换，即当接触器F的线圈通电时，其常开触点闭合，电流经F→磁场绕组→接触器R的常闭触点→电动机电枢→电流传感器→回到蓄电池的负极，此时电动机磁场中的电流是从左到右的。电动机正转，驱动车辆前进。而当接触器R的线圈通电时，其常开触点闭合，电流经R→磁场绕组→L接触器F的常闭触点→电动机电枢→电流传感器→回到蓄电池的负极，电机磁场中的电流是从右到左的。电动机反转，驱动车辆后退。

在换向电路中，接触器两对触点的状态是相反的，即常闭触点断开时常开触点闭合。这样连接电路，既可避免磁场电路被短路，又可防止因故障造成两接触器线圈同时吸合时，致使电动机烧毁。

主电路中，晶闸管T1改变蓄电池加到电动机上的电压，从而控制通过电动机的电流，调整其输出转矩实现调速。晶闸管T1的导通时间越长或频率越高，施加到电动机上的电压就越高，电动机的转速也越高。主晶闸管T1的导通受触发电路的控制，T1导通后，触发电路同时产生触发脉冲使续流晶闸管T2导通，向电容器C充电，其方向为上正下负。根据加速踏板的信号，触发电路适时地产生触发脉冲，使关断晶间管T3导通。电容器C向晶闸管T1的阴极放电，致使T1截止。可见，关断晶闸管T3的触发脉冲相对于主晶闸管T1触发脉冲出现得越晚，晶间管T1的导通时间就越长，电动机上电流的平均值也越大。同样，晶闸管T1在单位时间内的开关次数也多，即频率越高，电动机上电流的平均值也越大。EV100型电动车辆调速控制器就是根据加速踏板的指令信号，经其内微处理器的分析计算，确定晶间管T1的导通时间和频率，实现车速控制的。

晶闸管T1导通时，其阳极与阴极间有一定的电压降，在车辆全速运行时，控制电路将全速接触器的线圈接通，触点闭合。蓄电池的电压全部加到电动机上，电动机获得最大的输出转矩。

主晶闸管T1上设有一只温度传感器t，如果调速控制器的温度过高，传感器将信号送入控制电路，自行断开电动机的电路，实现过热保护。

在主电路中还有两只续流二极管VDI、VD2，用于晶间管T1关断时，为电动机的磁场和电枢提供自感电动势的泄放回路，使电动机的电流波形趋于平滑。主电路中的电流传感器用于检测电动机上通过的电流，可通过电流表显示其值，也可用于电路控制和保护的指令信号。

驱动电动机的操作控制电路如图2-128所示中的右半部分所示，由电源开关、座位开关、起步开关和加速踏板、换（方）向开关、控制电路板和相应的接触器线圈等组成。

接通电源开关，控制电路及触发电路处于待命状态。将换向开关推到所需的位置，在座位开关接通（座椅复位）、制动踏板放松的条件下，稍微踏下加速踏板。换向接触器R或F的线圈通电，相应触点动作，继续踏压加速踏板，车辆即可平稳起步。车辆的起步时间可通过控制电路板预置。加速踏板踏压得越低，车辆的运行速度越高。

车辆使用中，如果座椅没有复位、制动踏板未放松，或开关因故障不能接通，均会造成车辆不能起步。

②油泵电动机的电路。起升电动机的主电路受接触器P的控制，当接触器P的线圈通电后，其常开触点闭合，电动机的电路接通，电动机运转，驱动液压系统使货物提升。在操作电路中可以看出，当接通电源开关和座位开关后，操作液压系统多路换向阀的提升手柄。提升开关接通，接触器P线圈通电。操作液压系统多路换向阀的倾斜手柄，倾斜开关接通，接触器P线圈通电。倾斜油缸调整门架及货叉的倾斜角度。

在液压转向的车辆上，设有转向泵驱动电动机的电路。转向泵电动机由接触器SP控制，接通电源开关和座位开关后，接触器SP的线圈通电，液压转向系统工作。

③再生制动电路。再生制动时电动机作发电机运行，可使车轮制动或减速时的能量转化成电能回馈到蓄电池（向蓄电池充电），车辆制动或减速时能量的40%～60%是可以回收的，其中有10%～20%可转化成电能向蓄电池充电，达到节能的目的。

实现再生制动的两个条件：一是电动机应运行在发电状态，二是发电机产生的电能（由制动能量转换而来）应通过适当的电路反馈到蓄电池。

串励直流电动机作发电机运行构成再生制动，使车辆的动能得以回收有两种情况：一是电动车辆下坡时，电动机的转子转速因阻力减小而升高，当超过最高允许转速时，应转入再生制动状态。二是车辆减速时，将车辆动能转换成电能，反馈到电源中去。

为了使电动机运行在发电状态，需要使转子电磁电动势加到磁场绕组上产生的励磁电流使磁场加强，即与励磁电流的方向相同，实现自励。

EV100型电动叉车的再生制动控制电路，由接触器RB、二极管VD3、再生制动传感器、二极管VD1和VD2等组成。在再生制动功能起作用时，接触器RB的线圈通电，其触点断开，如图2-129a所示。电动机在外力拖动状态所产生的电动势经VD3和再生制动传感器及VD1向蓄电池充电，并通过VD2向磁场供电。此时，磁场绕组中电流产生的磁场与剩磁的方向相同（即磁场的方向没有改变），电枢产生足够的电动势向蓄电池充电。如图2-129b所示为电动机运行状态时的电枢导体电流、电枢导体受力、电枢的转矩和旋转方向。如图2-129c所示为发电机运行时，磁场方向、电枢的旋转方向和转矩方向未变时的感生电动势的方向，值得注意的是电枢的旋转方向和转矩方向没有改变是由于车辆下坡或减速时的惯性造成的。

图2-129 再生制动时的电路和电动机的工作状态

a）再生制动电路图 b）电动状态 c）发电再生制动状态

再生制动时，过大的脉冲充电电流对蓄电池的充电是有害的，此时，可以通过控制电路依据再生制动传感器提供的信号进行设定。

4.萨牌H系列调速控制器

（1）萨牌H系列调速控制的特点 意大利萨牌（ZAPI）电器公司为电动车辆设计的H系列调速控制器，是集MOS-FET场效应晶体管、场效管控制电路及其保护器件于一体，对直流电动机进行调压变流控制的装置。H系列电动叉车调速控制器与传统的晶闸管控制器相比具有如下特点：

①控制器件工作频率高，可达18kHz，电动机和蓄电池的工作电流平稳，减少了冲击电流，延长了电动机的使用寿命。

②具有自诊断电路，功能强。可对整个系统进行适时检测，发现故障即时保护，并通过发光管显示，系统工作安全可靠，诊断查找故障更加方便。

③控制器软硬件程序分离，可根据需要设置控制器的功能类型、配置及系统参数。

④调速控制器内部设有接触器线圈吸收电路，接触器触点可实现无弧分断。

⑤逻辑控制板与功率单元置于同一密闭空间，可避免水、酸、气和灰尘的侵蚀。检修更换控制器十分方便。

⑥采用MOSFET控制电动机电路，管压降小，可降低电压损失，控制器发热量也小。

⑦控制器中逻辑卡具有蓄电池电量监测功能，蓄电池电量不足时，能及时报警指示，防止电池过量放电造成寿命缩短。

⑧配置功能强大的手持单元。可以记录控制器的工作时间、最后出现的五个故障或错误动作、故障发生时的温度及时间；可设置控制器的类型和参数；可实时显示电动机的电流、电压、蓄电池电压等参数及电路的连接状况。

（2）萨牌H1型调速控制器的结构布置 H1型调速控制器由驱动控制电路、提升电动机控制电路的辅助电器电路等组成。驱动控制电路指驱动电动机的主电路、操作电路、保护电路等，如图2-130所示。

图2-130 H1型调速控制器的结构布置图

（3）萨牌H2B调速控制器的电路 H2B型调速控制器控制的电动叉车电路，应用于中等吨位电动叉车，如图2-131所示。

图2-131 H2B型调速控制器控制的电动叉车电路