电动叉车行走电动机控制系统效率优化研究

现代制造工程2009年第2期 设备 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ／诊断维影再制造 电动叉车行走电动机控制系统效率优化研究 何清华1”，陆建辉1，熊亭1，王勇刚1 (1中南大学现代复杂装备设计与极端制造教育部重点实验室，长沙410083； 2湖南山河智能机械股份有限公司，长沙410100) 摘要：提m一种基于模糊理论的异步电动机效率最优控制方法，当叉车进入稳定工况时，在轻载条件下，通过模糊控制器 逐步减少励磁电流，搜索电动机的最小功率运行点，在电动机转速和转矩不变的情况下以最优效率运行，从而有效地提 高叉车的单班工作R寸间。最后通过Matlab／Simulink对系统进行仿真，证明该方法的正确性和有效性。 关键词：电动叉车；异步电动机；模糊控制；效率优化 中图分类号：TM921文献标识码：A文章编号：1671_3133(2009)02--0104---04 Theefficiencyoptimizationstudyofelectric formifttruck’Sdrivemotorsystem HEQing—hual”，LUJian—huil，XIONGTin91，WANGYong-gan91 (1KeyLaboratoryofModemComplexEquipmentDesignandExtremeManufacturing， MinistryofEducation，CentralSouthUniversity，Changsha410083，CHN； 2HunanSunwardIntelligentMachineryCo．，Ltd，Changsha410100，CHN) Abstract：Anefficiencyoptimizationcontrolmethodofinductionmotorsbasedonfuzzylogicisproposed．Afuzzycontrolleradap- tivelydecreasestheexcitationcurrentonsteady-state·loadcondition，andsearchingofthemotoroperateatminimuminputpower， itmeanflthemotorworksatmaximumefficiencywithmaintenanceofthespeedandtorque．∞theforklifttruckCallworklonger withbatteryinonecharge．ThemodelofthissystemisconstructedonMatlab／Simulink．Thesimulationresultsdemonstratethe validityandefficiencyoftheproposedmethods． Keywords：electricforklifttruck；induction啪tor；mzz)rcontrol；efficiencyoptimization 目前，电动叉车以其具有能量转换效率高、噪声 小、无废气排放和控制方便等优点，在车间、仓库、食 品、制药、微电子及仪器仪 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 等对环境条件要求较高 的场合得到广泛的应用，国际上电动叉车的产量已占 叉车总产量的40％以上⋯。其中又以交流控制系统 的叉车有更高的生产效率、加速快、能耗小和免维护 而越来越受用户欢迎。 电动叉车靠蓄电池供电，为了提高叉车单班工作 时间，在设计中应尽量考虑用容量高的蓄电池，但由 于电动叉车本身体积和重量的限制，在蓄电池方面只 能提高单体电池的容量，这在性价比上却不可取。而 异步电动机轻载节能的方法已经比较普遍地应用于 工业之中，通过 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 电动叉车工况可知，对电动叉车 行走电动机进行轻载效率优化是可取的。 传统的异步电动机节能运行方法有最佳功率因 数法、最小功率输入法等多种方法，对提高异步电动 】04 机的稳态运行效率有一定的作用。但这几种方法往 往都因为控制算法严重依赖电动机的参数而在实际 应用巾存在着不可避免的局限性旧1。对于异步电动 机这样具有时变、非线性和强耦合特征的多变量系 统，寻找对电动机参数变化不敏感，随电动机参数的 改变而白适应的改变控制策略的方法，是有效解决节 能问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 的关键。本文提出一种利用模糊逻辑来实现 异步电动机效率最优的控制方法，并且通过仿真实验 验证了理论、设计的正确性。 1 控制原理 电动机是将电能转换为机械能的装置，电动机中 的损耗主要包括铁损、铜损、摩擦损耗和杂散损耗等， 其中的铁损及铜损占主要部分。所考虑的节能运行 也主要是降低这两部分的损耗，其中铜损是电流在定 子和转子中产生的损耗，与电流的平方成正比；而铁 万方数据 设备设计／诊断维修／再制造 现代制造T程2009年第2期 损则是由于交变磁场在定子和转子铁芯中产生的磁 滞及涡流损耗，与频率及磁通有关"J。通常，电动机 调速时希望主磁通保持t一定不变，磁通太弱，电动机 的铁心得不到充分利用，电动机的带负载能力下降。 反之，过强的磁通又会使电动机铁心极易饱和，处于 过励磁状态，励磁电流过大，从而增大电动机损耗，严 重时还会损坏电动机。 异步电动机在输出工况保持不变的条件下(输出 的电磁转矩和输出转速保持不变)，损耗的电磁功率 可以表示为转子磁链的凹函数H1(磁链沙，等于导电 线圈匝数Ⅳ与穿过该线圈各匝的平均磁通量妒的乘 积，故又称磁通匝，沙，=脚)，可用图1表示。 功 率 损 耗L＼． ／总损耗 _＼≤蚤．—／。 f转子磁链(妒r)7’减少 时间 ”‘额定值)”。(量优值) 图1 转子磁链变化时各损耗变化趋势定性图 由图1可看出，当电动机的转子磁链沙，在额定值 时，电动机的总损耗不是最低，当转子磁链沙，由额定 值逐渐减少时，电动机的总铁损减少，铜损增加，系统 的总损耗减少，直至达到铁损和铜损的平衡点最优磁 链砂。处，此时系统的总损耗最低，系统的效率最高。 当转子磁链沙，进一步减少时，电动机的总损耗将会增 加。所以在轻载和稳态条件下，对磁通进行控制可以 改善传动系统的效率。当电动机开始以额定磁通运 行时，负载和速度均为稳定状态。为保持系统转速和 转矩不变，减少定子电流中的励磁分量，转子磁通将 逐步下降，转矩电流分量增加，电磁转矩保持不变。 当铁损随转子磁通减少而减少时，铜损却增加，在达 到最优转子磁通以前，整个系统的总损耗减少，从而 改善了整个系统的效率。 系统效率优化方法可以在传统的异步电动机矢 量控制系统中加入模糊控制器，由模糊控制器自适应 地减少励磁电流，通过一定步骤就能搜索到最小损耗 运行点，从而获得最佳运行效率。带模糊控制器的异 步电动机空间矢量脉宽调制调速(SpaceVectorPulse WidthModulation，SVPWM)系统控制原理如图2所示。 系统采用正弦电压波形发生器即空间矢量脉宽 调制调速系统(SVPWM)，由转速处理外环和电流处 图2带模糊控制器的异步电动机SVPWM控制原理图 理内环组成。电动机给定子励磁电流i。，通过模糊控 制器得到最优励磁电流i二。通过检测电动机的定子 电流和转子转速，经电流变换和磁链观察得到转子磁 链沙，和转矩电流i。(用于计算电动机的电磁转矩)、 转子磁链与a轴(坐标轴与定子三相绕组莺合，可以 选取任意一相方向为。轴)的夹角p(用于旋转坐标与 固定坐标之间的变换)。给定电动机转速∞’与电动 机反馈转速∞通过转速调节器(ASR)得到给定转矩 r+，再与反馈得到的电动机转矩7T通过转矩调节器 (ATR)得到给定转矩电流0。由于系统采用电压源 型逆变器，需采用电压控制，敝最优励磁电流芘与给 定转矩电流i。：要通过电流电压变换(U／I变换)和极 坐标变换(K／P)得到电压，通过波形发生器(产生 PWM波)控制逆变器输出电动机的输入电压。系统 采用高开关频率的MOSFET管逆变器，工作可靠，谐 波小，直流利用率高，结构简单，设计方便。 2模糊控制策略 模糊控制器可以根据叉车实际1=作状态来设计， 当叉车电动机反馈转速∞达到 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 的转速∞，后，在 叉车实际负载形小于额定负载砜的2／3时，模糊控 制器开始起作用，系统自动进行寻优。系统采用二维 的模糊控制器，即模糊推理前的两个输入量，其中一 个输入量为直流功率被采样并与前一次直流侧输入 功率的差值△匕(k)，另一个输入量为上一次励磁电 流的增量值LAi。(通过图3中的I／Z变换得到，即离 散系统中取当前时刻的上一时刻的数值)，通过模糊 推理和模糊决策，得到模糊输出，再经过解模糊得到 精确的控制变量励磁电流增量Ai。"。模糊控制器结构 如图3所示，其控制思想为：如果上一模糊控制周期 中，被控量即直流母线输入功率P。呈下降趋势，则本 轮控制中，控制量即励磁电流给定i，：=I的变化方向将与 上一控制周期的变化方向相同，变化幅度与直流母线 输入功率的变化幅度成线性比例关系；反之，若上一 105 万方数据 现代制造T程2009年第2期 设备设计／诊断维修／再制造 模糊控制周期中，被控量即直流母线输入功率P。上 升，则本轮控制中，控制量即励磁电流给定芘的变化 方向将与上一控制周期的变化方向相反，且变化幅度 也适当减小。图3中P。与，6为模糊控制的输入和输 出变量所用的量化因子。 图3模糊控制器结构图 2．1模糊器量化因子的确定 量化因子是将输入、输出量由实际值与模糊推理 的归一化论域元素进行互换的比例因子。输入量化 因子P6是将实际输入变量转化成设定的归一化论域 (一1，1)中的元素。输出量化因子，。将模糊输出变量 转化成实际的精确控制量，这样，对于同一模糊规则， 只要改变P。、，。就可以应用于其他电动机。量化因子 R、，6可以由式(1)、式(2)计算。 P6=a4／)+b⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(1) Ib=cl∞一c2W+c3⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(2) 式中：形为叉车载荷；∞为电动机转子旋转角速度；a、 b、c，、c：、c，为离线仿真得到的常数。 对于同一台电动机，量化冈子将随工况的改变而 改变；对于不同电动机，在相同T况下量化因子也是 不同的，故此量化因子灵活性较强，且易于在工程实 际中实现。 2．2模糊语言变量与隶属度设计 将模糊化后的一个输入量△凡(k)以量化因子R 进行标幺后将数值经处理转入论域，论域取为[一1， 1]，得到的经标幺的输出量△i。㈤(肚)与输出量化因 子，。相乘后得到控制量△i。㈨。描述输入、输出变量 的语言值分为7个等级即负大、负中、负小、零、正小、 正中、正大，用符号表示为NB、NM、NS、ZE、PS、PM、 PB，以保证足够的精度。另一个输入量厶△i。(pM)由于 只需要判断其极性，因此语言值只有两个等级即负、 正，用符号表示为N、P。IAi。(pu)虽然只须提供正、 负两个信息，但是其两个子集必须要有交叉，否则无 法完成模糊推理和运算"】。根据相关实验分析，当电 动机励磁电流减至最优点时，如果进一步减少励磁电 流，则电动机损耗将快速上升，故将Ai。㈤(pu)的隶属 106 度正、负在半轴设计成不对称。为提高系统的鲁棒 性，更好地解决系统在最优点处的振荡问题，对 APⅢ)(p配)的加隶属度设计为梯形‘3|。由上述分析 得出模糊控制器输入、输出量的隶属度函数见图4。 论尊NBⅣM删Z．EI-'spMPBo．i垦逝 论域 a)△巳埘tou)论域 论域 b)LAi。{pu)论域 图4输入、输出变量的隶属度函数 2．3模糊控制规则设计 模糊控制规则库如表1所示。表1中各数据匀使 用标幺化数据，其中△PⅢ)(pu)代表直流母线输入功 率的增量△n(k)经由P“见式(1)]标幺；iAi。(pu) 及△i。㈩(pu)代表励磁电流给定增量△i。经由，6[见 式(2)]标幺。 表1模糊控制规则库 系统选用Mamdani型模糊控制器，根据控制规则 求出模糊关系转变成矩阵，用Mamdani极大一极小运算 法推理计算出结果。解模糊器采用中心平均法，设模 糊控制器共有n条规则且其第i条模糊规则的激活度 为a；，则解模糊的结果z+为： 彳+=∑晔i／∑O／；⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(3) 式中：乞为第i条规则输出模糊集隶属度。 函数的中心值，即第i条规则输出模糊集的隶属 度函数在彳i处取得最大值ai。 由式(3)可知，系统的输出精确控制量为： 万方数据 设备设计／诊断维缈再制造 现代制造工程2009年第2期 △i。=IbZ+⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(4) 将模糊控制器的输入、输出对应关系做成离散控 制表，通过软件编程放人模糊控制芯片中，模糊控制 的实现就变成了由模糊输入查表得到输出。 3仿真与分析 本文采用Matlab／Simulink仿真工具建立系统的 模型并进行仿真实验，对系统的控制原理和算法进行 验证和分析。电动机的仿真模型采用带铁损的肘、丁 坐标(M、T坐标系是相对于定子以角速度∞，同步转 速旋转的坐标系，取肘轴方向与转子磁链矢量沙，方 向一致)下的模型，控制系统仿真模型如图2所示。 采用的电动叉车行走电动机的参数为：额定输入电压 UN=24V，额定输入电流凡=250A，额定功率PⅣ= 7kW，额定负载咒=14N·m，额定转速n=2500r／min。 模拟电动叉车空载低速行走工况时，电动机的励 磁电流、输入功率、转速和转矩的变化曲线如图5所 示。电动机给定转速为760r／min，在空载情况下进行 启动，3s后加入负载转矩7．5N·m，系统运行6s后开 始效率寻优。由图5a和图5b可以看出电动机的励磁 电流i二经过八步寻优后由192A变为155A，同时电动 机的输出功率P。由3kW变为2．81kW，相应的电动机 系统效率由53．6％上升为66．8％。图5c和图5d表 明，采用本模糊控制在整个控制过程中，电动机的输 出转矩r和电动机转速∞基本保持不变，符合系统 要求。 《 ＼ U 暑7 冒7 芝6 a aJ励磁电流 c)转速 重2 砰2 吕 ● Z 一 啬 bJ输入功率 dl转矩 图5 电动机模糊控制效率寻优过程 由图5还可以看出，采用本文所述的模糊控制，在 电动机轻载时能保证电动机在转速和转矩基本不变的 情况下，降低肘轴定子电流，使电动机的输入功率减少 到最低点运行，从而使电动机运行在最优效率状态下。 4结语 电动叉车的节能控制主要为行走电动机的节能， 除常用的能量回馈、能耗制动等方法外，在轻载下电 动机的效率优化也是重要的手段。而交流异步电动 机是一种非线性、多变量的复杂控制对象，将智能控 制方法应用于研究交流电动机系统，能够克服传统方 法所遇到的许多困难。本文提出的基于模糊逻辑的 异步电动机效率最优控制方法，适合电动叉车这种对 调速精度要求不高的场合使用，可以明屁地提高电动 机轻载时的运行效率。为了得到较好的暂态响应，在 叉车工况突变时，使电动机仍然恢复到额定磁通下运 行，以实现系统既能得到最优运行效率，又具有最优 的动态响应。模糊控制策略对电动机参数的变化不 敏感，具有良好的鲁棒性，且实现起来比较简单。通 过这种方法可以节约叉车使用成本，使叉车的性价比 得到提高。 参考文献： [1]张克军．蓄电池叉车技术的发展趋势[J]．起重运输 机械，2003(1)：7—8． [2]张惠萍，朱至文．应用模糊逻辑实现异步电机的效率 最优控制[J]．计算机仿真，21(12)：165—168． [3]ZhangLiwet，LiuJun，WenXuhui．ANewFuzzyLogic BasedSearchControlforEfficiencyOptimizationofIn- duetionMotorDrives[c]．Pro．of7thInternational PowerEngineeringConference，2005． [4]SpiegelRJ，TurnerMW，McCormickVE．Fuzzy-logic． basedcontrollersforefficiencyoptimizationofinverter- fedinductionmotordrives[J]．FuzzySetsandSystems． 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Fuzzy-logic-based controllers for efficiency optimization of inverter-fed induction motor drives 2003(137) 5.高景德.王祥珩.李发海 交流电机及其系统的分析 2005 6.洪乃刚 电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真 2007 7.王磊.王为民 模糊控制原理及应用 1997 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jxgys200902029.aspx 授权使用：中南大学(zndx)，授权号：597ac47b-73e9-49c2-b202-9e610161a263 下载时间：2011年1月4日