关于叉车控制电路的无刷电机驱动器的技术研究

林锋

摘要：目前市面上的电动叉车行走普遍采用有刷电机驱动，加一个有刷举升电机，因货物较重，举升电流通常需要40A以上大电流，本文的研究目的在于提供一种内置完整叉车控制电路的无刷电机驱动器，内含功率器件，可直接驱动举升电机，解决了目前控制器方式均为控制器驱动一个大电流接触器用来控制器举升电机存在的成本高，寿命短等问题，创新了举升电机的方式。

关键词：电机驱动；叉车控制电路；无刷电机

前言：电动叉车作为一种物流设备，是通过电能驱动的供应链管理工具。它主要由电机、电控系统、液压系统三大部分组成，能够实现高效的搬运、堆垛、装卸等操作，并且相对于传统内燃机叉车而言更加环保节能。电动叉车的电力系统由电池组、电机和控制器三个部分组成。电池组通常由铅酸蓄电池或镍氢电池构成，其输出直流电。在叉车工作时，将电池组与电机连接，通过变速器或电控器来调整电机的转速和扭矩，从而控制叉车行驶速度。液压系统是电动叉车上另一个非常重要的系统。液压系统通过使用油液作为介质来完成各种操作。例如，使用液压缸来提升货物、倾斜货叉等。液压系统由油箱、油泵、电机、油管、液压阀、液压缸、油缸等组成。当操作员按下指令按钮时，液压系统会感知到信号并进行操作。控制系统是电动叉车上最关键的部分之一。它由中央处理器、传感器、显示器等组成。控制系统的作用是监测电池电量、电机转速、液压油压力等参数，并根据这些输入来控制叉车的运行。目前市面上的电动叉车行走普遍采用有刷电机驱动，加一个有刷举升电机，因货物较重，举升电流通常需要40A以上大电流，控制器方式均为控制器驱动一个大电流接触器用来控制器举升电机，存在成本高，寿命短等问题，所以提供一种内置完整叉车控制电路的无刷电机驱动器，内含功率器件，可直接驱动举升电机。

内置完整叉车控制电路的无刷电机驱动器的组成

该无刷电机驱动器包括电平转换电路，其用于将具有较低电压幅值的第一PWM信号转换为具有较高电压幅值的第二PWM信号；功率开关器件，其串联于电机的供电回路，用于控制电机的供电回路通断电；以及开关电路，其电连接于电平转换电路，用于响应于第二PWM信号控制功率开关器件工作。

内置完整叉车控制电路的无刷电机驱动器的改进

功率开关器件至少包括一个N型功率MOS管，且当N型功率MOS管数量大于1时，多个N型功率MOS管采用并联连接方式。开关电路包括第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、 第一PNP三极管、第二PNP三极管、第一电容和第一二极管；第三电阻的一端电连接于15V电压以及第一PNP三极管的发射极，另一端电连 接于第一PNP三极管的基极；第三电阻与第一PNP三极管的基极的连接点作为第二 PWM信号的输入端； 第一PNP三极管的集电极电连接于第四电阻的一端，第四电阻的另一端 电连接于第二PNP三极管的基极；第二PNP三极管的集电极接电池的负极；第一二极管的阳极电连接于第二PNP三极管的基极，阴极电连接于第二PNP三极管的发射极；第五电阻的一端电连接于第二PNP三极管的基极，另一端接电池的负极；第一电容的一端接电池的负极，另一端电连接于第一二极管的阴极；第六电阻的一端电连接于第一二极管的阴极，另一端通过第七电阻接电池的负极以及电连接于功率开关器件的控制端。电平转换电路包括第一电阻、第二电阻和第一NPN三极管；第一电阻的一端电连接于VDD电压，另一端电连接于第二电阻；第二电阻的另一端电连于第一NPN三极管的发射极；第一NPN三极管的基极接VDD电压，集电极电连接于开关电路；第一电阻、第二电阻的连接点作为第一PWM信号的输入端。检测电路用于检测电机的工作电流，并将检测结果反馈至控制芯片。检测电路包括第八电阻、第九电阻和第十电阻；第八电阻的一端电连接于电机的供电回路，另一端通过第九电阻接地，第十电阻的一端电连接于第八电阻、第九电阻的连接点。还包括短路保护电路，短路保护电路包括一检测电阻、隔离电路和比较电路；检测电阻采用低阻值电阻，其串联于电池负极；隔离电路的一端电连接于检测电阻相对于电池负极的另一端，输出端电连接于比较电路的输入端，隔离电路的输入阻抗大于检测电阻；比较电路的输出端电连接于控制芯片。检测电阻采用康铜电阻。隔离电路包括第十一电阻、第十二电阻和第二电容，第十一电阻的一端电连接于检测电阻，另一端通过第二电容接地；第十二电阻的一端电连接于VDD电压，另一端电连接于第十一电阻与第二电容的连接点；比较电路包括比较器、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻和第三电容；第十三电阻与第十四电阻构成基准电路，提供一基准电压并输入至比较器的同相端；比较器的反相端电连接于第十一电阻与第二电容的连接点；第十五电阻的一端电连接于VDD电压，另一端电连接于比较器的输出端；第十六电阻的一端电连接于比较器的输出端，另一端通过第三电容接地。还包括续流二极管，续流二极管与功率开关器件串联。

内置完整叉车控制电路的无刷电机驱动器实践

该内置完整叉车控制电路的无刷电机驱动器包括电平转换电路1、功率开关器件、检测电路3、短路保护电路4、开关电路2以及功率开关器件。功率开关器件至少包括一个N型功率MOS管，且当N型功率MOS管数量大于1时，多个N型功率MOS管采用并联连接方式。MOS管串联有续流二极管，防止MOS管关闭时电机开路产生的高电压烧毁电路。其中，电平转换电路1包括第一电阻R1、第二电阻R2和第一NPN三极管Q1；其中，第一电阻R1的一端电连接于VDD电压，另一端电连接于第二电阻R2；第二电阻R2的另一端电连接于第一NPN三极管Q1的发射极；第一NPN三极管Q1的基极接VDD电压，集电极电连接于开关电路2；第一电阻R1、第二电阻R2的连接点作为第一PWM信号的输入端。因此，控制芯片输出具有较低电压幅值的第一PWM信号（3 .3V），经过放大提升后，转换为15V的第二PWM信号。开关电路2包括第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第一PNP三极管Q2、第二PNP三极管Q3、第一电容C1和第一二极管D1。其中，第三电阻R3的一 端电连接于15V电压以及第一PNP三极管Q2的发射极，另一端电连接于第一PNP三极管Q2的 基极；第三电阻R3与第一PNP三极管Q2的基极的连接点作为第二PWM信号的输入端。第一PNP 三极管Q2的集电极电连接于第四电阻R4的一端，第四电阻R4的另一端电连接于第二PNP三 极管Q3的基极；第二PNP三极管Q3的集电极接电池的负极；第一二极管D1的阳极电连接于第二PNP三极管Q3的基极，阴极电连接于第二PNP三极管Q3的发射极；第五电阻R5的一端电连 接于第二PNP三极管Q3的基极，另一端接电池的负极。第一电容C1的一端接电池的负极，另一端电连接于第一二极管D1的阴极；第六电阻R6的一端电连接于第一二极管D1的阴极，另一端通过第七电阻R7接电池的负极以及电连接于功率开关器件的控制端。

第二PWM信号，用于驱动第二PNP三极管Q3通断，当第一PWM信号为0V时第一 PNP三极管Q2饱和，15V电压经过第四电阻R4到第二PNP三极管Q3的基极，使得二PNP三极管截止，电压流经第一二极管D1后通过第一电容C1、第四电阻R4缓冲输入到MOS管的栅极，使得MOS管导通饱和。检测电路3用于检测电机的工作电流，并将检测结果反馈至控制芯片；具体地，检测电路3包括第八电阻R8、第九电阻R9和第十电阻R10；其中，第八电阻R8的一端电连接于电 机的供电回路，另一端通过第九电阻R9接地，第十电阻R10的一端电连接于第八电阻R8、第九电阻R9的连接点。第八电阻R8、第九电阻R9构成分压电路，对电机的工作电压进行采样，并输出采样电压UVAD。控制芯片根据电压UVAD监控电机是否开路，另外用于闭环控制电机转速。短路保护电路4包括一检测电阻、隔离电路和比较电路；检测电阻采用低阻值电阻，例如康铜电阻，其串联于电池负极；隔离电路的一端电连接于检测电阻相对于电池负极的另一端，输出端电连接于比较电路的输入端，隔离电路的输入阻抗大于检测电阻；比较电路的输出端电连接于控制芯片。隔离电路包括第十一电阻R11、第十二电阻R12和第二电容，第十一电阻R11的一端电连接于检测电阻，另一端通过第二电容接地；第十二电阻R12的一端电连接于VDD电压，另一端电连接于第十一电阻R11与第二电容的连接点。比较电路包括比较器、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16和第三电容；其中，第十三电阻R13与第十四电阻R14构成基准电路，提供一基准电压 Vref并输入至比较器的同相端；比较器的反相端电连接于第十一电阻R11与第二电容的连接点；第十五电阻R15的一端电连接于VDD电压，另一端电连接于比较器的输出端；第十六电阻R16的一端电连接于比较器的输出端，另一端通过第三电容接地。当外部电路发生短路时，短路电流经过MOS管再流过康铜电阻到GND ，会在康铜电阻上形成一个较大的压降，当短路电流在康铜电阻上产生的压降超过基准电压Vref时，比较器输出低电平给控制芯片，控制芯片将第一PWM信号拉高，从而使得MOS管截止，此时电路处于保护状态。

内置完整叉车控制电路的无刷电机驱动器的优势

通过检测电路实现开机检测以及对电机的工作电流的检测，进而实现对电机的转速控制； 具有短路保护功能；内置功率器件，无需外接大电流接触器即可直接驱动电机。

结语：叉车作为一种广泛应用于仓储、物流等行业的工具，其承载着运输货物的重任。当前市场上电动叉车品牌数不胜数，比如合力、林德、杭叉、龙工等，普遍采取的控制器方式均为控制器驱动一个大电流接触器用来控制器举升电机，存在成本高，寿命短等问题，所以提供一种内置完整叉车控制电路的无刷电机驱动器，内含功率器件，可直接驱动举升电机，降低成本，增加寿命。

参考文献：

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[2] 基于DSP的直流无刷电机控制系统探究. 侯伟；刘强锋；段峻.,2023

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[4] 叉车智能化发展趋势日渐明朗. 赵皎云.,2018

[5] 基于人机配合系统对叉车结构功能的改进与优化[D]. 王继轩.河南科技学院,2020