串联油电混合动力叉车同步控制研究

油串联油电混合动力汽车在总体结构、动力驱动与排放方面的优异性，使其在环境日益恶化的今天具有广阔的应用前景。在油电混合动力叉车中，控制发电机与蓄电池同步为负载供电是叉车工作稳定的一个必要条件，也是实现节能减排作用的有效方法。本文采用锁相环结合滞环电流控制方法实现相位和频率的跟踪。并通过Matlab/simulink进行建模仿真来验证系统的有效性，实现了混合动力叉车的同步控制。

【关键词】混合动力叉车 锁相环 滞环 同步 Matlab

1 引言

在物流系统中叉车是最常见的装卸、搬运设备。近年来，物流业的快速发展使叉车的需求量逐渐递增。而随着世界各国对环境保护意识的提高，以及现阶段高价原油的形势下，油电混合动力汽车的成熟技术，为叉车动力的优化提供了更为广阔的发展前景[1]。油电混合动力系统中的动力蓄电池使叉车能够在一个相对稳定的工况下工作。但目前在国内外，大多数研究人员研究的主要是能量管理策略和SOC实时监测等方面，忽视了油电混合动力系统的同步控制方法研究。

本文设计一个控制系统，完成逆变电压输出和对频率、相位的跟踪，最终实现混合动力系统的同步控制，使串联油电混合动力叉车稳定工作。

系统主要由锁相环/滞环的控制器电路、DC/AC逆变电路以及LC滤波电路等组成 。动力蓄电池组的输出经过DC-AC功率变换，得到正弦脉宽调制波（SPWM），再经由L-C滤波器得到正弦基波电压，经过变压器升压与发电机共同为叉车提供电源。锁相环/滞环控制器电路从发电机获取参考信号的相位和频率，从变压器获取蓄电池逆变之后的相位和频率，通过对量两者的相位和频率进行比较，产生控制脉冲信号去控制逆变电路晶闸管的导通与关断。从而可以对频率相位进行跟踪控制，最终实现发电机发出的交流电压波和蓄电池逆变之后的电压波相位频率同步。

2 电压转换电路的设计

2.1 逆变滤波电路

本次设计中逆变电路的作用就是把蓄电池输出的直流电转换成交流电，再经过滤波和降压处理，就可以通过检测交流电压波的过零点情况来获取电池输出电压的相位。考虑到双极性SPWM控制产生的正弦波中的谐波含量和开关损耗都比单极性的大，本系统采用单极性SPWM控制方式，以便得到低谐波、低失真和高品质的正弦输出电压波形。混合动力叉车中使用的 DC-AC 装置多为无源逆变器，本文主要研究如何让叉车发电机端的电压与蓄电池逆变出的电电压波形同频同相。

2.2 滤波电路

通过逆变电路输出的信号仍含有较多的高次谐波分量，因此需要经过滤波电路的滤波作用才能利用。本文采用L-C滤波电路，该滤波电路因为电感的电阻阻值小，所以直流电的损耗小，而交流电的感抗比较大，使滤波的效果变好。对于单相交流电，为了使滤波效果变得更好，选用L-C上下对称接法，这种接法使高次谐波的容抗变小，电感的阻抗变大，使得基波信号能够顺利通过滤波器，而高次谐波几乎不能通过，从而得到的输出是稳定而光滑的正弦波。

2.3 DC-DC转换电路

在串联油电混合动力叉车系统中，由于直流母线不能满足不同的组件对直流电源电压等级和稳定性等的要求，所以必须采用不同的DC-DC功率变换器来满足不同电压等级要求的电子组件。DC-DC转换器的拓扑结构可分为升压（Boost）电路、降压（Buck）和升降压（Boost-Buck）电路三种。

降压斩波电路（Buck）Buck直流变换电路由全控器件V（IGBT）、电感L、电容C以及续流二极管VD四种元件组成。电路完成将直流电压 Ud转换成 Uo 的功能。其工作过程为，当V导通时，输入电压Ud直接向负载供电，输出电压UO=Ud；当V断开时，负载电流经过VD续流，负载电压近似为零。

3 锁相环/滞环同步控制系统

3.1 锁相环技术

锁相环（PLL）是一种利用反馈环来控制保持内部振荡器与外部的周期信号节拍一致的闭环系统。锁相环通常由相角检测器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分组成。锁相环工作的过程是：输出信号Uo和输入信号Ui的频率相等时，Uo和Ui之间的相位差值保持恒定，此时即可表明输出电压的相位与输入电压的相位被锁住。

相位检测器的作用是检测输入信号ui和输出信号uo的相位差，并将检测出的相位差信号ud作为环路滤波器的输入信号；环路滤波器属于低通滤波器，可以消弱相位检测器的差值信号ud中的高频分量，保留低频分量uc作为压控振荡器的输入信号；通过压控振荡器后输出一个电压信号uo，uo可以根据目标信号的变化而改变。

3.2 滞环比较方法

滞环比较方法工作原理 所示。将参考电压 UK与实际电压 U 进行比较得到差值信号，差值信号经过 PI调节器输出的指令电流信号为IK ，再把IK与实际输出电流I相减后得到的偏差信号输到滞环比较器中，然后将得到的控制信号输入到控制器，控制器再发出脉冲信号去控制逆变电路中开关管的导通和关断，从而实现电流跟踪。得到的环宽为2ΔI的控制信号，I就在IK+ΔI和IK-ΔI的范围来回摆动形成齿波电流。滞环比较器的环宽对跟踪性能有非常大的影响，设置的环宽过大时，虽然开关频率得到了降低，但是跟踪的误差会变大；而环宽设置太小时，跟踪误差变小，但开关频率变高，导致开关器件的损耗增大。

4 结语

本文利用锁相环＼滞环比较法的同步控制策略对串联油电混合动力叉车的同步控制进行了研究，并在Matlab＼simulink中建立仿真模型，通过对模型的仿真得到了预期的实验结果，为工程实际提供了参考。

参考文献

[1]刘化博，房生贤.混合动力技术是叉车发展的方向[J].叉车技术，2011（03）：4-6.

[2]彭其泽，张全柱.太阳能光伏发电并网模拟装置的研究[J].电源技术，2012，36（1）：85-87.

[3]龙为.运用DC-DC降压/升压调节器调节电压[J].电子世界，2012（12）：54-55.

作者单位

桂林理工大学机械与控制工程学院 广西壮族自治区桂林市 541006