蓄电池叉车交流驱动控制系统设计

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Abstract：A48 V/500 A AC drive control system applicable for the batery forklift is designed in the paper，whichconsists of inverter module，power supply module，drive module，system safety detection protection module，and CAN com-munication module，etc.The system meets the batery forklift safe，reliable and stable driving.Simulation and testing for thedesigned hardware circuit are performed，and reasonably selecting MOSFET model and gate resistor can effectively decreasethe efect of gate-source parasitic capacitance on the parallel MOSFET on-of consistency。

Keywords：batery forklift；AC motor；MOSFET；drive system；design设计了-种 48 V/500 A交流驱动系统 ，以48 V、7.5 kW 的交流感应 电机作为驱动 电机，以 16位单片机 C164CI为控制核心，微处理器产生 6路 SVPWM脉宽调制波，经过驱动单元 ，驱动三相半桥功率逆变器。为了满足蓄电池叉车可靠性、安全性需求，设计了蓄电池电压欠压 、过压 、失控、过流等保护电路以及电流、转速检测电路 。

- 34 - 1 调速控制器结构控制器驱动系统主要包括逆变拈、电源拈、驱动拈、系统检测、保护拈、CAN通讯拈等，如图 1所示。功率逆变电路采用 MOSFET组成的三相逆变桥；电源为48 V车载动力蓄电池，经辅助开关电源，提供驱动电路 16 V电压以及DSP所用5 V电压源；过流、过压保护电路，温度过高保护《起重运输机械》 2013 (1)电路等，用于保证叉车工作安全性；CAN通讯实现电机驱动控制器与其他车载控制单元之间的通讯。

CO图 1 调速控制器结构框图1.1 MOS管逆变电路MOSFET开关速度快，工作频率高，更能体现其低功耗的优势。但 由于制造工艺限制，目前很难生产出高耐压、大电流的 MOSFET管，市场上的 MOSFET的功率普遍较小，当电路要求的电流容量超过单只功率 MOSFET的电流容量时，可以将多个 MOSFET管并联以增大电流容量或功率 。

结合蓄电池叉车低电压、大电流的特点，选择多个 MOSFET管并联构成三相半桥逆变器。

1)主 MOSFET选型调速控制器的额定电压、电流分别为 48 V和500 A，结合 MOS管的耐压标准值，确定 MOS管的最高耐压值为 70 V左右；MOS管承载最大电流时，希望 MOS管仍然能够持续工作2 rain，所以在设计中通常留有-定的电流余量，设定最大电流为750 A。按照功率相同原则换算成直流电，每相为 250 A，根据其散热 特性，最佳工作 电流在20 A左右。因此，逆变电路的每相电路选择 12个IRF2907ZS型 M0S管并联。

2)栅极电阻的确定当多个 MOSFET并联时，可自动均流和均温。

MOSFET动态不均流会导致开通快、关断慢的器件在开关过程中承受过电流，严重时会损坏器件。影响MOSFET动态不均流的因素主要有两方面，-方面与器件本身的参数有关，另-方面则与驱动电路和主电路有关，如栅极电阻、射极电感、驱动信号等。栅极电阻是与 MOSFET的动态特性密切相关的参数，其大小直接影响着 MOSFET开通与关断的速度，可以实现限制开通电流峰值和关断电压峰值的作用 。利用 Multisim软件进行仿真，仿真电路采《起重运输机械》 2013 (1)用2个 IRF2907ZS型 MOS管并联，比较不同的栅极电阻仿真波形，得到栅极电阻为 10 n。

1.2 MOS管驱动电路MOS管驱动电路采用半桥驱动芯片 TD310ID和推挽电路，如图 2所示。TD310ID能驱动 3组MOSFET，具有十分优异的栅极驱动能力。上、下桥臂各采用-个 TD310ID，输出信号 CNC-5、CNC-6为相反信号，再经过光耦 TLP350隔离推挽电路。推挽电路由三极管 ZTX653和 ZTX753组成功率放大器。由于上桥臂源极为浮动电压，所以采用 100txF/25 V的自举电容 C48，可很好地满足上桥臂 12个MOS管的导通条件。当Q6导通时，通过 自举电容，MOS管导通，电机工作；当 Q6截止时，Q5导通，MOS管栅源之间的寄生电容释放电量，保证了MOS管可靠关断。

图 2 驱动电路1.3 检测保护电路调速系统保护电路主要有蓄电池过压、欠压保护电路，热保护电路，电路电压、电流检测保护电路等。本文重点介绍电流检测保护电路，如图3所示。两相相电流通过霍尔元件检测，由于对称的三相相电流之和为0，故只需要检测其中两相，就可推算 出另-相，检 测信号 为 CNI9和CNG9。CNI9和 CNG9信号经过采样跟随电路将信号 UA14-2和 UA14-3反馈到微处理器，通过查询相应图表得到其频率。同时通过 LM239所组成的3个窗 口电压检测电路进行检测，输出的信号UA14-58输入到微处理器进行采样判断，当电流过大时产生中断，电机停止。Multisim仿真电流检测电路如图4所示。

- 35 - 图 3 电流检测电路 多l1、2.分别为霍尔元件检测到的电流信号即 CNI9和 CNG93.进过采样电路的反馈信号 UA14-24.3个窗口电压信号的叠加波形 UA14-58图4 电流检测电路仿真1.4 辅助电源电路设计为了有效消除三相逆变器下桥臂的接地回路噪声，采用6路相互隔离的驱动电源为三相逆变器供电，输出电源的相互隔离通过开关电源的变压器实现 ]。-般MOSFET的工作电压为12～15 V，栅极电压不超过20 V。电源电路设计中，变压器输入电压为车载牵引蓄电池电压48 V，输出电压以及反馈电压为16 V，通过 LM317芯片向手持单元提供 12 V电源，通过781)5芯片向DSP提供5 V电压。

考虑到电源功耗器件的发热会使驱动器工作环境温度较高，因此核心元件选择了 UC2843电流型控制器和 IR630MOS管。-般单端反激输出纹波较大，整流元件选择超快恢复二极管 PKMUR160，电路设计如图5。

图 5 辅助 电源电路1)为了使上下桥臂的功率器不会出现直通现象，在微处理器输出的驱动信号中加入死区。给出的电机空载运行时上下桥臂的驱动信号图中 (图略)，CH1为上桥臂驱动信号，CH2为下桥臂驱动信号。

2)测速选用 R38S增量式光电编码器，电流测量通过霍尔元器件进行检测。对检测的电流波形的分析表明，三相电流对称性较好。

3)由某-相上桥臂的驱动电源输 出波形 图(图略)可以看出，CH1输出电压为16 V，满足驱动电源的要求。

3 结论通过对所设计硬件电路进行仿真和试验验证，合理选择 MOSFET型号和栅极电阻，使漏源极电流的动态均流特性近乎-致，减小了电流冲击。

在驱动电路的设计 中应用 TD31OID和推挽电路，有效减少了栅源寄生电容对并联 MOS管通断-致性的影响，提高了系统的可靠性。所设计的调速控制器硬件电路可以保证蓄电池叉车行驶的安全性、可靠性和平稳性。