CN105356659B - 一种电动物料搬运车驱动装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动物料搬运车驱动装置及控制方法，包括直驱电机、编码器、制动装置和制动力传递壳。直驱电机包括承重主轴、电枢和内置永磁铁的转子；制动装置能为转子的制动提供制动力，优选为电磁制动器。编码器能检测转子的转速以及转子与电枢的相对位置信息。本发明采用了交流永磁直驱电机，具有低转速大扭矩的特性，在不使用减速装置的条件下即可输出搬运车所需的动力，具有免维护、运行噪音极低的优势，制动装置能在系统断电及紧急制动时提供制动力。上述编码器的设计及控制，一方面能耗低，电机效率高，能比直流有刷电机节能高出40%左右，比轮毂电机驱动节能高出18%左右；另一方面能有效避免电机低速蹿动或抖动的技术问题。

Description

一种电动物料搬运车驱动装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种托盘搬运车或托盘堆垛车等使用的动力驱动系统及控制方法，特别是一种电动物料搬运车驱动装置及控制方法。

背景技术

目前托盘搬运车、托盘堆垛车所使用的电气驱动装置基本为直流有刷电机和齿轮箱组合。这种电气驱动装置在使用中存在着如下不足：

1.驱动装置中直流有刷电机的碳刷容易磨损，更换碳刷比较困难。齿轮箱运行时的噪音及装配要求高，后期维护也比较困难，多级减速箱的效率也偏低。

2.电机效率偏低，能耗偏大。

3.托盘搬运车、托盘堆垛车在使用时，速度均比较低，上述直流有刷电机在低速时，容易出现蹿动或抖动，一方面，会影响操用者的舒适度，对搬运货物也带来不利影响，尤其是易破碎物品。另一方面，蹿动或抖动也使得驱动装置难以达到较高的效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种电动物料搬运车驱动装置，该电动物料搬运车驱动装置无碳刷，运行噪音低，电机拆装方便、易维护。

另外，本发明提供一种电动物料搬运车驱动装置，该电动物料搬运车驱动装置能耗低，电机效率高，能比直流有刷电机节能高出40%左右，比轮毂电机驱动节能高出18%左右。

进一步，本发明提供一种电动物料搬运车驱动装置，该电动物料搬运车驱动装置能避免低速蹿动或抖动；还能在系统断电及紧急制动时提供制动力。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种电动物料搬运车驱动装置，包括直驱电机和制动装置，所述直驱电机包括承重主轴、电枢和内置永磁铁的转子，电枢同轴固定套装在承重主轴的外周，转子同轴套装在电枢的外周，转子两端通过轴承与承重主轴转动连接；所述制动装置能为转子的制动提供制动力。

还包括制动力传递壳和编码器，制动力传递壳与转子一侧端面固定连接，所述制动装置同轴设置在制动力传递壳内，制动装置包括与承重主轴同轴设置的制动轴，该制动轴邻近承重主轴的一端设置有编码器旋转组件，制动轴另一端同轴固定套装有所述制动力传递壳；承重主轴邻近制动轴的一端固定设置有编码器，该编码器能检测转子的转速以及转子与电枢的相对位置信息。

所述制动装置还包括同轴套装在制动轴外周的电磁铁、制动盘和摩擦片；电磁铁呈环状，通过法兰与承重主轴固定连接；电磁铁内置有励磁线圈和弹簧，电磁铁通电后，电磁铁产生的电磁力大于弹簧的弹力；摩擦片与制动轴固定连接；制动盘位于电磁铁与摩擦片之间，且能在电磁铁和摩擦片之间移动。

所述承重主轴为中空结构，承重主轴的中空腔能用于布线。

本发明提供一种电动物料搬运车驱动装置的控制方法，该电动物料搬运车驱动装置的控制方法使得直驱电机的运行噪音低，拆装方便、易维护，且能耗低，电机效率高，能比直流有刷电机节能高出40%左右，比轮毂电机驱动节能高出18%左右。

另外，本发明提供一种电动物料搬运车驱动装置的控制方法，该电动物料搬运车驱动装置的控制方法能避免低速蹿动或抖动；还能在系统断电及紧急制动时提供制动力。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种电动物料搬运车驱动装置的控制方法，编码器能对转子的实际转速以及转子与电枢的相对位置信息进行检测，并将检测信息反馈给直驱电机的驱动器，驱动器能够实时监测直驱电机当前实际转速与目标转速的差距，并根据实际路面情况调整直驱电机的功率输出。

直驱电机在启动时，直驱电机的驱动器，根据编码器反馈的转子与电枢的相对位置信息，进行转矩输出。

在紧急制动的情况下，直驱电机和制动装置能实现共同制动。

在减速的过程中，直驱电机的驱动器能够控制直驱电机输出反向转矩进行制动，同时将直驱电机所产生的电能通过驱动电路回充到系统电瓶中。

直驱电机的驱动器通过调整直驱电机的功率输出，使直驱电机当前实际转速与目标转速的差距小于3转/分钟。

直驱电机的驱动器通过调整直驱电机的功率输出，使直驱电机当前实际转速与目标转速的差距小于1转/分钟。

本发明采用上述结构与方法后，具有如下有益效果：

1.采用了交流永磁直驱电机，具有低转速大扭矩的特性，在不使用减速装置的条件下即可输出电动物料搬运车所需的动力，具有免维护、运行噪音极低的优势，同时没有齿轮减速箱，拆装也非常方便。

2.上述制动装置的设置，能在系统断电及紧急制动时提供制动力。

3.上述编码器的设计及控制方法，一方面能耗低，电机效率高，能比直流有刷电机节能高出40%左右，比轮毂电机驱动节能高出18%左右；另一方面能有效避免电机低速蹿动或抖动的技术问题。

4.作为驱动轮的尼龙轮拆卸方便：由于直驱电机的转子作为动力的输出端，因此直接将含有钢套的尼龙轮通过紧定螺钉固定在直驱电机的外壳上。当尼龙轮磨损到极限需要更换时，只需拆除固定尼龙轮的螺钉即可，相比现在带齿轮箱的直流有刷电机来讲非常简便，因为带减速箱的驱动装置需要拆除齿轮箱和电机，相比于轮毂电机来讲不需要拆电机，也比较方便。

附图说明

图1显示了本发明一种电动物料搬运车驱动装置的结构示意图；

图2显示了制动装置的结构示意图；

图3显示了本发明一种电动物料搬运车驱动装置控制方法的运行原理图；

图4显示了本发明中电动物料搬运车驱动装置与尼龙轮相配合的结构示意图。

其中有：

1.直驱电机；

11.承重主轴；12.电枢；13.转子；14.法兰；15.轴承；

2.编码器；

3.制动装置；

31.制动轴；311.编码器旋转组件；

32.电磁铁；321.励磁线圈；322.弹簧；

33.制动盘；

34.摩擦片；

4.制动力传递壳；

5.尼龙轮。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种电动物料搬运车驱动装置， 包括直驱电机1、编码器2、制动装置3和制动力传递壳4。

直驱电机1包括承重主轴11、电枢12和转子13。

承重主轴11优选为中空结构，承重主轴11的中空腔能用于布线，将整个驱动装置的电源线和信号线从中空腔引出至驱动装置外部。

电枢12同轴固定套装在承重主轴11的外周，电枢的相线也从承重主轴11的中空腔中引出。

转子13同轴套装在电枢12的外周，转子13两端通过轴承15与承重主轴11转动连接。优选，位于电枢12两侧的承重主轴11上均同轴套装有一个法兰14，每个法兰14的外周套装一个轴承15。

转子13中内置有永磁铁，转子13的外表面能直接安装电动物料搬运车的车轮，因此动力直接由转子输出。

上述制动装置3能为转子13的制动提供制动力，优选为电磁制动器。当然，作为替换，现有技术中的制动装置，如设置在转子外周的抱闸等，也均属于本申请的保护范围之内。

上述制动力传递壳4与转子13一侧端面固定连接，因此，制动力传递壳4能随转子13同步转动。

如图1和图2所示，制动装置3同轴设置在制动力传递壳4内，制动装置3包括制动轴31、电磁铁32、制动盘33和摩擦片34。

制动轴31与承重主轴11同轴设置，制动轴邻近承重主轴的一端设置有编码器旋转组件，制动轴另一端同轴固定套装有制动力传递壳4。也即，制动轴也能随着转子的转动而同步转动。

承重主轴11邻近制动轴的一端固定设置有编码器2，编码器2内优选设置有霍尔传感器。

上述编码器2能检测转子的转速以及转子与电枢的相对位置信息。

上述电磁铁32优选呈环状，通过位于图1中右侧的法兰14与承重主轴11固定连接。

电磁铁32内置有励磁线圈321和弹簧322，电磁铁通电后，电磁铁产生的电磁力大于弹簧的弹力。

上述摩擦片34与制动轴31固定连接，因而也能随转子同步转动。

上述制动盘33位于电磁铁32与摩擦片34之间，且能在电磁铁32和摩擦片34之间左右移动。

电动物料搬运车正常运行时，电磁铁处于通电状态，由于电磁铁产生的电磁力大于弹簧的弹力，弹簧处于压缩状态，因此，制动盘被吸附在电磁铁表面。当需要减速制动或系统失电时，电磁铁断电，失去吸附能力，制动盘在弹簧的弹力作用下，被推向摩擦片方向，并与摩擦片紧密贴合，从而提供制动所需的制动力。

一种电动物料搬运车驱动装置的控制方法，如图3所示，编码器能对转子的实际转速以及转子与电枢的相对位置信息进行检测，并将检测信息反馈给直驱电机的驱动器。本发明中，直驱电机的驱动器标记为主控制芯片DSP。

驱动器，也即主控制芯片DSP，能够实时监测直驱电机当前实际转速与目标转速的差距，并根据实际路面情况调整直驱电机的功率输出。

上述直驱电机的驱动器通过调整直驱电机的功率输出，使直驱电机当前实际转速与目标转速的差距小于3转/分钟，优选为小于1转/分钟。

本发明的直驱电机是针对电瓶叉车行业特殊优化设计的，其特点是低电压供电、高效率并且能输出低转速大扭矩，可在0到120rpm的转速范围内输出0到70NM左右转矩，该直驱电机同时具有超强的过载能力，可在短时间内（1min）输出额定转矩3倍的转矩，转矩可达到210NM左右，并且该直驱电机在0速度的状态下即可输出3倍转矩的强大能力，该直驱电机的体积相对于传统的直流有刷电机加齿轮箱的解决方案更小效率更高，相对于轮毂电机来讲该电机的体积及驱动能力更强效率也高。

直驱电机的驱动器根据外部输入信号来控制电机的正反转实现叉车的前进后退。本驱动器实现了直驱电机的电流闭环、速度闭环控制。驱动器根据直驱电机高精度绝对值编码器反馈的信号，能够准确知道直驱电机的实时工作转速以及转子磁场和电枢的相位关系，那么控制在接收到外部的速度指令后，即可准确的控制电机的输出转矩和转速。

电机在驱动叉车实际行走的过程中，由于路面的情况是复杂多变的，本控制系统能够根据编码器反馈的信号了解路面的情况实时调整电机的输出功率，因此，该控制系统和直驱电机系统所组成的叉车驱动单元能够智能调节整个驱动系统的能耗。

比如叉车在满载货物且刚刚启动的时候，电机需要输出很大的转矩才能满足叉车的启动要求，而叉车在正常行驶的时候仅需克服地面的滚动摩擦，所需的功率很小，直驱电机的驱动器此时可以根据编码器反馈的信号来调节输出功率，在启动的过程中输出大转矩，在正常的行驶中减小转矩输出，使得叉车是按照实际需求的输出功率来工作。

另外，由于直驱电机的编码器还能够反映出电枢和磁场之间的对应关系，因此，驱动器的矢量控制就会非常精确，减少不必要的能量损失，使得电机的输出效率从根本上达到最大效率点。相对于现有的直流有刷控制来讲，其电机效率本身就高于直流有刷电机，其次加上编码器的反馈，其转矩矢量控制的精度及响应时间也远高于轮毂电机，因此，相对现有技术，本驱动系统的节能效果比较显著。

申请人，也专门进行了实验数据比对，从实际测试的数据来看，电机效率高比直流有刷电机节能高出40%左右，比轮毂电机驱动节能高出18%左右，因此明显优于现有的叉车驱动系统。

本申请，还有一项重要的改进点，即为电机低速时能防止蹿动或抖动，分析如下。

直驱电机的启动过程是根据编码器反馈的信号来输出转矩的，第一，由于编码器的信号能让驱动器知道转子磁场相位和电枢的位置关系，因此转矩矢量控制的时候可以精确控制转矩的输出，避免因为矢量控制不精确导致的电机抖动；其次，驱动可以根据编码器反馈的转速信号来调整驱动器驱动直驱电机的频率，从而避免直驱电机转速的剧烈变动，因此本发明的叉车驱动系统可以有效的避免低速蹿动的现像。相比于现有的直流有刷电机及轮毂驱动装置，其速度特性会更好。

上述制动装置，在通电的情况下失去制动力，在断电的情况下产生制动力，且电磁制动器的制动转矩和电机的输出转矩大致相等。该制动装置能在驱动器的控制下实现制动，由于是电控形式，因此控制十分方便。由于该制动装置的特性是断电制动，因此在驱动器损坏、电瓶损坏等极限条件下依然可以可靠的保证叉车的制动能力，不会造成人员伤亡及财产损失。在紧急制动的情况下，直驱电机和制动器会共同自动，能实现更好的制动效果。

本驱动装置的另一特色是在减速的过程中，驱动器能够控制直驱电机输出反向转矩进行制动，由于直驱电机属于交流永磁电机，因此反向制动时相当于发电机，此时驱动器能够将直驱电机所产生的电能通过驱动电路回充到系统电瓶中，相比于其它能量回收方式，本方法在不增加成本和体积的情况能做到效率更高更简单可靠。

另外，图3中温度监测模块主要检测驱动器母线铜板的温度，同时根据母线铜板的问题估计电机的温度。用于保护驱动器及电机。防止高温烧毁。

进一步，本发明中作为驱动轮的尼龙轮5拆卸方便。如图4所示，由于直驱电机的转子作为动力的输出端，因此直接将含有钢套的尼龙轮通过紧定螺钉固定在直驱电机的外壳上。当尼龙轮磨损到极限需要更换时，只需拆除固定尼龙轮的螺钉即可，相比现在带齿轮箱的直流有刷电机来讲非常简便，因为带减速箱的驱动装置需要拆除齿轮箱和电机，相比于轮毂电机来讲不需要拆电机，也比较方便。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种电动物料搬运车驱动装置，其特征在于：包括直驱电机、制动装置和尼龙轮，所述直驱电机包括承重主轴、电枢和内置永磁铁的转子，电枢同轴固定套装在承重主轴的外周，转子同轴套装在电枢的外周，转子两端通过轴承与承重主轴转动连接；所述制动装置能为转子的制动提供制动力；还包括制动力传递壳和编码器，制动力传递壳与转子一侧端面固定连接，所述制动装置同轴设置在制动力传递壳内，制动装置包括与承重主轴同轴设置的制动轴，该制动轴邻近承重主轴的一端设置有编码器旋转组件，制动轴另一端同轴固定套装有所述制动力传递壳；承重主轴邻近制动轴的一端固定设置有编码器，该编码器能检测转子的转速以及转子与电枢的相对位置信息，编码器内设置有霍尔传感器；所述制动装置还包括同轴套装在制动轴外周的电磁铁、制动盘和摩擦片；电磁铁呈环状，通过法兰与承重主轴固定连接；电磁铁内置有励磁线圈和弹簧，电磁铁通电后，电磁铁产生的电磁力大于弹簧的弹力；摩擦片与制动轴固定连接；制动盘位于电磁铁与摩擦片之间，且能在电磁铁和摩擦片之间移动；尼龙轮含有钢套，尼龙轮通过紧定螺钉固定在转子外周；驱动器根据直驱电机中编码器反馈的信号，能够准确知道直驱电机的实时工作转速以及转子磁场和电枢的相位关系，在接收到外部的速度指令后，能控制电机的输出转矩和转速，实现直驱电机的电流闭环、速度闭环控制，同时防止低速蹿动或抖动；直驱电机在0速度的状态下能输出3倍转矩，在紧急制动的情况下，直驱电机和制动装置能共同制动。

2.根据权利要求1所述的电动物料搬运车驱动装置，其特征在于：所述承重主轴为中空结构，承重主轴的中空结构内能用于布线。

3.一种如权利要求1所示的电动物料搬运车驱动装置的控制方法，其特征在于：编码器能对转子的实际转速以及转子与电枢的相对位置信息进行检测，并将检测信息反馈给直驱电机的驱动器，驱动器能够实时监测直驱电机当前实际转速与目标转速的差距，并根据实际路面情况调整直驱电机的功率输出。

4.根据权利要求3所述的电动物料搬运车驱动装置的控制方法，其特征在于：直驱电机在启动时，直驱电机的驱动器，根据编码器反馈的转子与电枢的相对位置信息，进行转矩输出。

5.根据权利要求3所述的电动物料搬运车驱动装置的控制方法，其特征在于：在减速的过程中，直驱电机的驱动器能够控制直驱电机输出反向转矩进行制动，同时将直驱电机所产生的电能通过驱动电路回充到系统电瓶中。

6.根据权利要求3所述的电动物料搬运车驱动装置的控制方法，其特征在于：直驱电机的驱动器通过调整直驱电机的功率输出，使直驱电机当前实际转速与目标转速的差距小于3转/分钟。

7.根据权利要求6所述的电动物料搬运车驱动装置的控制方法，其特征在于：直驱电机的驱动器通过调整直驱电机的功率输出，使直驱电机当前实际转速与目标转速的差距小于1转/分钟。