1、【摘要】本文首先對無刷直流電機的研究和發展現狀做了簡要介紹，對幾種電動車驅動電機進行了比較，從而說明無刷直流電機是一種較好的具有發展前景的電動叉車驅動電機。在完成論文的基礎上，本課題的主要工作和結論如下：研究無刷直流電機（BLDC）的基本理論。在理論上分析推導了傳統的四種 PWM 調制方式對轉矩脈動的影響，采用了一種新的 PWM_ON_PWM 調制方式。根據無刷直流電機電氣制動理論，對應用于電動叉車上的無刷直流電機低速能量回饋制動方式進行了分析與研究，并針對其低速時制動強度不足的缺點，對此制動方法進行了改進，提出以回饋制動與反接制動相接合的混合制動方式。本文提出的混合制動方式不但能夠實現能量回

2、饋，而且可以縮短制動時間，能有效的實現電動叉車的電氣制動。引言 叉車是物流設備中用途廣泛的一種物料搬運機械，倉庫、碼頭、物流中心等地到處可見，是一種面廣量大的物流設備，叉車的研究開發對于我國物流設備技術的發展乃至國民經濟的發展都有很重要的意義。 目前市場上的電動叉車絕大部分都是由交流電機提供動力的交流電動叉車，交流電機有其自身的不足之處，隨著電力電子技術的發展，以無刷直流電機做為動力的直流電動叉車代表了電動叉車的發展方向。要想增強競爭能力，趕上甚至超過國外技術水平，就必須把握叉車的發展方向。因此，以無刷直流電機提供動力的直流電動叉車的研究具有極其重要的意義。 無刷直流電動機系統分類 無刷直流電

3、動機系統按其繞組反電動勢波形和電流波形可大致分為兩大類：具有正弦波感應電動勢并由正弦波電流驅動的永磁同步電動機（PMSM）和具有梯形波感應電動勢并由方波電流驅動的方波無刷直流電動機（BLDCM），BLDCM 和PMSM 相比主要有功率密度大、反饋裝置簡單、控制結構簡單、輸出轉矩大、成本低等優點 。1 基本性能1.1 無刷直流電機在電動叉車中的應用高效率。續駛里程（蓄電池一次充電后所能行駛的里程）是電動叉車和燃油車相比的最突出的性能指標。提高續駛里程的主要辦法是提高蓄電池容量和電動機效率，電機的效率高，在同樣的條件下，能耗就小，一次充電后行駛里程將會提高，行駛成本將隨之降低。體積小。驅動電機的體

4、積大小直接影響其自身重量、整車的重量和造型。高性能磁性材料的出現將為電動機體積縮小創造了非常有利的條件，目前許多大公司（如通用汽、福特汽車、通用電氣等公司）都在致力于開發高功率密度驅動電機。壽命長。同燃油車相比，無刷直流電機的運行壽命比較長。低成本。 1.2 論文的主要研究工作本論文擬做的主要工作包括：根據兩種位置檢測技術進的特點，確定電動叉車用無刷直流電機的位置檢測方案；對無刷直流電機無位置傳感器檢測技術及其控制方法進行討論和研究。對電動叉車用無位置傳感器無刷直流電機起動方法進行研究，根據電動叉車的特點對傳統的起動方法進行選取和改進。對無刷直流電機的轉矩脈動抑制方法進行研究。對電動叉車用永磁

5、無刷直流電機能量回饋制動的研究。2 無刷直流電機的基本原理無刷直流電機的基本原理2.1 無刷直流電機的基本組成環節無刷直流電機的基本組成環節永磁無刷直流電機是一種具有定子（電樞）繞永磁無刷直流電機是一種具有定子（電樞）繞組和永磁或凸極軟磁鐵轉子的電機。通過一系組和永磁或凸極軟磁鐵轉子的電機。通過一系列由轉子位置傳感器及譯碼器控制的靜止開關列由轉子位置傳感器及譯碼器控制的靜止開關器件和直流電源給定子繞組供電。在沒有調節器件和直流電源給定子繞組供電。在沒有調節器時，電機的轉速與直流側的電壓大小成正比。器時，電機的轉速與直流側的電壓大小成正比。 無刷直流電機主要由電機本體、位置檢測環無刷直流電機主要

6、由電機本體、位置檢測環節、逆變器三部分組成節、逆變器三部分組成 2.1.1 電機本體 反電動勢為方波或梯形波的電機稱為永磁無刷直流電機。 2.1.2 位置檢測環節 在有傳感器的位置檢測方式中，位置檢測環節包括傳感器、AD 轉換模塊以及部分相關軟件；在無傳感器的位置檢測方式中，由于是通過定子電壓電流等參數估算轉子位置，因此這個環節僅包括相關軟件。 2.1.3 逆變器 在電動叉車中，逆變器用于給電動機定子各相繞組在一定時刻通以一定時間長短的恒定直流電流，以便與轉子永磁磁場相互作用產生持續不斷的恒定轉矩。 逆變器的結構有半橋和橋式兩種，但多采用橋式結構。 2.2 電機運行原理 利用電機轉子位置傳感器

7、輸出的位置信號控制電子換向線路去驅動逆變器的功率開關器件，使電樞繞組依次饋電，從而在定子上產生跳躍式的旋轉磁場，拖動永磁電機轉子旋轉。同時，隨著電機轉子的轉動，轉子位置傳感器又不斷送出位置信號，以不斷的改變電樞繞組的通電狀態，使得在某一磁極下導體中的電流方向保持不變，這樣電機就旋轉起來了。2.2.1 基本工作原理無刷直流電動機和有刷直流電動機一樣，本身都是一臺同步電動機，只是有刷直流電動機中加的是一個機械的逆變器換向器和電刷，而無刷直流電動機中則采用電子換向裝置電子逆變器代替機械換向器和電刷的作用。盡管二者構造不同，但它們所起的作用卻是完全相同的，都是為了實現直流電動機的正確換相。 2.2.2

8、 三相繞組無刷直流電機主電路基本類型 三相無刷直流電機主電路主要有三相半控電路和三相全控電路兩種。三相半控電路主電路由三個功率管組成，結構簡單，但電動機本體的利用率很低，每相繞只通電 1/3 周期，另外 2/3 周期處于斷開狀態，沒有得到充分利用，而且輸出轉矩脈動比較大。本文采用三相全控橋做為電機主電路，采用兩兩導通方式。 所謂兩兩導通方式是指每一瞬間有兩個功率管導通，每隔 1/6 周期（60電角度）換相一次，第次換相一個功率管，每一功率管導通 120電角度。 2.3 無刷直流電機運行特性 現以最常見的兩兩導通星形三相六狀態工作方式為例，分析 BLDCM 的數學模型及電磁轉矩等特性。為簡化分析

9、作以下假設： 定子三相繞組完全對稱，星形連接。 氣隙磁場為方波，定子電流、轉子磁場分布皆對稱。 不考慮齒槽效應；電樞各相繞組結構相同，在定子內表面均勻連續分布。 忽略磁滯、渦流、集膚效應和溫度對參數的影響。 3 電動叉車用無刷直流電機的控制技術研究 電機調速系統總體設計采用速度、電流雙閉環控制。速度環可根據叉車行駛、提升重物時的速度要求，對無刷直流電機的轉速進行控制。當叉車起動、加速、提升貨物或爬坡（相當于加負載）時，電流閉環可將電機定子電流限制在最大電流，防止過流。 本章從位置信號檢測技術、起動方法、低速能量回饋制動技術、PWM調制方式與轉矩脈動抑制、弱磁調速等幾個方面進行分析研究。電動叉車

10、經常工作在多粉塵、高溫甚至電磁干擾等比較惡劣的環境，因此電動叉車用無刷直流電機的位置檢測采用無位置傳感器檢測法中的反電動勢過零點檢測法。“智能控制環保、節能型全液壓電動叉車”要求在空載或輕載時起動，因此本文中無刷直流電機起動方法選用比較成熟、容易實現的三段式起動法。叉車在下放貨物、限速、剎車時需要對位能及動能進行回收，本文對傳統能量回饋制動方法進行了改進，使電動叉車在剎車、限速或卸貨時，既能實現能量回饋又能滿足制動的時間要求。本章還對PWM調制方法與轉矩脈動的關系以及基頻以上的弱磁調速方法進行了研究分析。 3.1 位置信號檢測技術 因此如何獲得準確的轉子位置信號是無刷直流電機控制中的一個關鍵問

11、題。 3.1.1 有傳感器位置檢測法 3.1.2 無位置傳感器檢測法 3.1.3 電動叉車用無刷直流電機轉子位置檢測方法 反電動勢法是無傳感器轉子位置檢測法中應用最廣泛也是最成熟的方法之一，本文采用反電動勢法獲取轉子位置。無傳感器轉子位置檢測方法大部分是利用電機定子電壓、電流等參數估算轉子位置， 3.2 起動方法研究 本文采用反電動勢過零法檢測轉子位置，在速度為零的情況下電機反電動勢為零，電機不能自起動，因此反電動勢檢測技術不可能在速度為零或極低速時使用，怎樣順利起動成了控制無位置傳感的無刷直流電機的重要問題。 無刷直流電機起動方法可大致分為兩種：外同步方式起動和預定位方式起動。無刷直流電動機

12、外同步起動時需要給電動機施加一由低頻到高頻不斷加速地外同步切換信號，這種方法實現電路較為復雜。預定位起動方式則是給預先設定的兩相電樞繞組通以持續的電流，經過一定的時間后轉子磁極就會固定在確定位置，就能得出三相橋式逆變電路各相導通次序，使無刷直流電動機正常起動。預定位起動方式需要一定延時來等待電動機軸停止振蕩。 3.2.1 基于反電動勢過零檢測法的起動方法基于反電動勢過零檢測法的起動方法 三段式起動法三段式起動法 預定位起動法預定位起動法 3.2.2 電動叉車用無傳感器無刷直流電機起電動叉車用無傳感器無刷直流電機起動方法動方法 三段式起動法已經比較成熟，控制方法簡三段式起動法已經比較成熟，控制方

13、法簡單，容易實現，因此在本文中對電動叉車單，容易實現，因此在本文中對電動叉車用無刷直流電機控制系統采用三段式法進用無刷直流電機控制系統采用三段式法進行起動。由于三段式起動法適應用空載、行起動。由于三段式起動法適應用空載、輕載條件，因此在實際使用時電機應空載輕載條件，因此在實際使用時電機應空載起動。起動。3.3 3.3 能量回饋制動技術能量回饋制動技術 采用能量回饋制動方式是提高車輛運行效率延長時間的主要技術采用能量回饋制動方式是提高車輛運行效率延長時間的主要技術措施。現以最常見的兩兩導通星形三相六狀態工作方式為例，介措施。現以最常見的兩兩導通星形三相六狀態工作方式為例，介紹能量回饋制動技術紹能

14、量回饋制動技術3.3.1 3.3.1 低速能量回饋制動原理低速能量回饋制動原理 低速能量回饋制動是在電動機轉速低于額定轉速時可實現電磁制低速能量回饋制動是在電動機轉速低于額定轉速時可實現電磁制動，同時向電源回饋能量，這種控制方式制動效果較好，能量回動，同時向電源回饋能量，這種控制方式制動效果較好，能量回饋效率高，控制方便、安全，是一種較好的電動汽車電氣制動方饋效率高，控制方便、安全，是一種較好的電動汽車電氣制動方式式3.3.2 3.3.2 低速能量回饋制動控制方式低速能量回饋制動控制方式 由升壓斬波器的原理可知，充電電流的大小與反電動勢大小以及由升壓斬波器的原理可知，充電電流的大小與反電動勢大

15、小以及觸發脈沖的占空比有關，反電動勢越大則充電電流越大，占空比觸發脈沖的占空比有關，反電動勢越大則充電電流越大，占空比越大，充電電流也越大。因此，在反電動勢一定的條件下，調節越大，充電電流也越大。因此，在反電動勢一定的條件下，調節功率開關的占空比，就可以控制充電電流的大小，進而可以控制功率開關的占空比，就可以控制充電電流的大小，進而可以控制制動轉矩的大小。電機在制動時需要控制定子電流，從而控制制制動轉矩的大小。電機在制動時需要控制定子電流，從而控制制動轉矩。本文研究的無刷直流電動機的回饋制動系統采用恒轉矩動轉矩。本文研究的無刷直流電動機的回饋制動系統采用恒轉矩閉環控制。閉環控制。 3.3.3

16、低速能量回饋制動技術的改進 為了滿足制動的快速性要求，本文采用了回饋制動與反接制動相接合的方法，確定一個回饋制動臨界轉速，轉速高于臨界轉速時采用低速能量回饋制動，轉速低于臨界轉速時采用反接制動。制動時既能在高速時回饋能量，又能在低速時保持一定的制動轉矩，實現快速制動。改進后的回饋制動與反接制動的混合制動方式仍可實現恒轉矩控制。 3.4 PWM調制方式與轉矩脈動抑制 3.4.1 無刷直流電機PWM調制方式 轉矩脈動會降低電力傳動系統控制特性并造成機器噪音、震動，降低機器使用壽命和驅動系統的可靠性。本系統采用的二二導通、三相六狀態 120導通方式時有四種基本的 PWM 調制方式：H_PWM-L_O

17、N、H_ON-L_PWM、PWM-ON 和 ON-PWM。在一個周期內有六次換相，任意時刻只有兩相導通，另一相關斷。 3.4.2 轉矩脈動分析及抑制 本小節從換相轉矩脈動及非換相轉矩脈動兩個方面分析 PWM 調制方式對轉矩脈動的影響。 換相轉矩脈動 換相轉矩脈動的大小以及未參與換相那一相的電流降落隨著 PWM 調制方式不同而變化。采用不同的 PWM 調制方式時，會導致換相期間開關管具有不同的開關狀態，進而引起換相期間相電流具有不同的流向和幅值，產生不同的換相轉矩脈動。 非換相轉矩脈動及抑制方法 在理想的星形三相六狀態兩兩導通方式下，非換相期間電磁轉矩一般是由流過導通兩相繞組上的電流大小決定的，而另一相繞組上沒有電流流過，這也是電機在該工作方式下的工作規則。 3.5 本章小結 通過對現有的無刷直流電機轉子位置檢測方法（包括有位置傳感器檢測法及無位置傳感器檢測法）的分析和比較，選取無位置傳感器檢測方式中的反電動勢過零檢測法作為叉車用無刷直流電機的轉子位置檢測方法。以反電動勢轉子位置檢測法為例，對目前的無位置傳感器無刷直流電機起動方式進行了討論，通過對目前常見的多種起動方法的比較，本文選用了三段式起動法。 采用能量回饋制動技術，回收電動叉車工作中的動能和重力勢能是電動叉車用無刷直流電機控制系統的一個必不可少的環節。本章對能量回饋制動的原理進行了分