６）信息管理系统 轮对库信息管理系统主要用于库存管理、设 备控制、人机交互、网络通信等功能。轮对库软 件系统由Ｃ语言开发，基于微软。Ｎｅｔ Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ 车检修领域也提出了轮对立体存储需求。在新建 机车车辆段（基地）设计阶段已逐步考虑了轮对 立体存储的需求，并将其融合到轮对检修线的设 计中。未来，轮对立体库必将在机车车辆轮对检 ３．５ｓｐｌ框架，采用了ＷＣＦ、ＷＰＦ等最新技术。 修环节发挥更重要的作用。 参考文献 ３轮对立体库的应用 目前该轮对立体库已在北京、上海、武汉、 广州等动车基地使用，主要用于轮对备品的存 储及修浚轮对的周转，逐步取代了人工记录卡 片的轮对管理方式，实现了轮对的智能选配与 管理。 作 地 ［１］徐正林，刘吕祺．自动化立体仓库实用设计手册 ［Ｍ］．北京：中国物资出版社，２００９． ［２］田奇．仓储物流设备机械与设备［Ｍ］．北京：机械工 业出版社，２００８． 者： 于靖 铁路机车车辆轮对形式各异，存储需求各不 相同，轮对检修流水线形式也各不相同，轮对库 的设计需结合轮对检修流水线的布置形式及轮对 形状需求定制设计。除动车检修领域外，机车、货 址： 北京市海淀区中关村环保科技园稻香湖地锦路 ７号院２号楼 邮 编： １０００９５ ２０１２—０６—１８ 收稿日期： 蓄电池叉车交流驱动控制系统设计 吴铁庄李春卉周京京 军事交通学院军事物流系 天津３００１６１ 摘 要：设计了一种适用于蓄电池叉车的４８ Ｖ／５００ Ａ交流驱动控制系统。交流控制器驱动系统主要包括逆 变模块、电源模块、驱动模块、系统安全检测保护模块、ＣＡＮ通讯模块等，可满足蓄电池叉车行驶的安全性、 可靠性和平稳性需求。通过对所设计硬件电路进行仿真和试验，合理选择ＭＯＳＦＥＴ型号和栅极电阻，可有效减 少栅源寄生电容对并联ＭＯＳＦＥＴ通断一致性的影响。 关键词：蓄电池叉车；交流电动机；ＭＯＳＦＥＴ；驱动系统；设计 中图分类号：ＴＨ２４２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—０７８５（２０１３）叭一００３４—０４ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ４８ Ｖ／５００ Ａ ＡＣ ｄｒｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｂａｔｔｅｒｙ ｆｏｒｋｌｉｔ ｉｆｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ，ｗｈｉｃｈ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｍｏｄｕｌｅ，ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｍｏｄｕｌｅ，ｄｒｉｖｅ ｍｏｄｕｌｅ，ｓｙｓｔｅｍ ｓａｆｅｔｙ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ，ａｎｄ ＣＡＮ ｃｏｍ— ｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ，ｅｔｃ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｂａｔｔｅｒｙ ｆｏｒｋｌｉｔ ｓａｆｅ，ｒｅｌｉｆａｂｌｅ ａｎｄ ｓｔａｂｌｅ ｄｒｉｖｉｎｇ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｓｔｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｒｅ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ，ａｎｄ ｒｅａｓｏｎａｂｌｙ ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ ＭＯＳＦＥＴ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｇａｔｅ ｒｅｓｉｓｔｏｒ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｇａｔｅ—ｓｏｕｒｃｅ ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｐａｒａｌｌｅｌ ＭＯＳＦＥＴ ｏｎ—ｏｆｆ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂａｔｔｅｒｙ ｆｏｒｋｌｉｔ；ＡＣ ｍｏｔｆｏｒ；ＭＯＳＦＥＴ；ｄｒｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍ；ｄｅｓｉｇｎ 设计了一种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 １调速控制器结构 控制器驱动系统主要包括逆变模块、电源模块、 驱动模块、系统检测、保护模块、ＣＡＮ通讯模块 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） 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— 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，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 设计中通常留有一定的电流余量，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，一方 面与器件本身的参数有关，另一方面则与驱动电路 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 桥臂各采用一个ＴＤ３１０ＩＤ，输出信号ＣＮＣ一５、 ＣＮＣ一６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，就可推算出另一相，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。 一３５— 图３电流检测电路 ‘ ｌ多 １、２．分别为霍尔元件检测到的电流信号即ＣＮＩ９和ＣＮＧ９ ３．进过采样电路的反馈信号ＵＡ１４—２ ４．３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 ］。一般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７８１１）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。一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。 ２试验 对所设计的调速控制器进行试验，加载系统 采用ＣＡＣ１５型交流电力测功机，电源选用４８ Ｖ牵 引蓄电池，交流电机参数为额定电压４８ Ｖ、功率 ７．５ ｋＷ、额定转速２ ３５０ ｒ／ｍｉｎ。 一３６一 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）由某一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一致，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管通断一致 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。 参考文献 ［１］ 严和平．电动叉车技术革新——交流驱动系统的研究 ［Ｊ］．安徽科技，２０１０（２）． ［２］ 徐丽芳，宋文斌．交流电动控制技术在叉车中的应用 研究［Ｊ］．机电工程，２０１１（１１）：５７，５８． ［３］ 刘平，上官晓娟．功率ＭＯＳＦＥＴ并联应用及研究［Ｊ］． 现代电子技术，２０１０（１０）：１０，１１． ［４］ 王建民，闫强华．大功率ＩＧＢＴ模块并联动态均流研 究［Ｊ］．电气自动化，２０１０（２）． 作 者： 李春卉 地 址： 天津军事交通学院军事物流系 邮 编： ３００１６１ 收稿日期： ２０１２—．０７——２５ 《起重运输机械》 ２０１３（１）
