CN108298474B - 一种具有调速功能的叉车高效节能系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有调速功能的叉车高效节能系统，包括双作用电机‑发电机，双作用泵‑马达，密闭压力油罐，液控补油阀，双向液压锁阀，举升油缸，安全阀，三相桥式逆变器，供能‑储能装置，控制装置，油箱；双作用泵‑马达与双作用电机‑发电机相连；双作用电机‑发电机与三相桥式逆变器相连；三相桥式逆变器与供能‑储能装置相连；控制装置控制三相桥式逆变器和供能‑储能装置的工作状态；双作用泵‑马达的排油口和吸油口与液控补油阀相连；液控补油阀与双向液压锁阀相连，双向液压锁阀与举升油缸有杆腔和无杆腔相连；举升油缸有杆腔和无杆腔与安全阀相连。本发明的势能回收系统通过控制双作用电机‑发电机转速调节货叉下降速度，消除了液压回路节流损失，减少液压油发热，提高势能回收效率，并且系统硬件及软件简单可靠，可实现程度高。

Description

一种具有调速功能的叉车高效节能系统

技术领域

本发明涉及一种叉车节能系统，特别涉及一种具有调速功能的叉车高效节能系统。

背景技术

现阶段电动叉车势能回收方面，除了现在的研究热点，采用储能装置回收下降势能，进一步的，在储能装置的基础上如何最大限度提高势能回收效率，是现在的研究重点，也是研究薄弱环节。针对电动叉车势能回收效率方面，液压系统中调节货叉下降速度的电液伺服阀的节流损失，不仅直接导致了液压系统发热，也是势能损失、势能回收效率低的关键因素，因此减少节流损失，对提高叉车势能回收效率具有重要意义。此外电动叉车储能装置多选用铅酸蓄电池储能，而叉车货叉下降过程通常在十几秒到几十秒之间，铅酸蓄电池功率密度低，短时间内难以快速充电，不能高效率回收货叉下降势能。

针对电动叉车势能回收系统，现有技术如下：

以中国专利200610042603 .3为例，通过电液伺服阀和发电机-马达泵控系统调节货叉下降速度，需要同时控制电机、泵转速和电液伺服阀的工作方位，即电机、泵、电磁伺服阀的实时高精度匹配，对系统硬件和软件设备要求高，可实现性要求高。

以中国专利201210128114 .5为例，通过多路阀实现能量再生和回收，但是多路阀结构复杂，油路多，将叉车转向系统与举升系统设计在一个液压系统中，液压油路改动变化大，操作复杂程度高。

以中国专利201620398878 .X为例，通过节流调速和变转速容积调速实现电动叉车势能回收，但是液压系统手动换向阀控制精度低，节流调速能量损失大，还会导致液压油发热，降低系统效率。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明在于提供具有货叉调速功能、正常工况下没有节流损失的电动叉车用高效节能系统。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种具有调速功能的叉车高效节能系统，包括双作用电机、双作用马达、双向液压锁阀、举升油缸、三相桥式逆变器、供能储能装置和控制装置；双作用马达与双作用电机相连，双作用马达的排油口和吸油口与双向液压锁阀相连；双向液压锁阀分别与举升油缸的有杆腔和无杆腔相连；控制装置包括控制芯片和辅助电路，双作用电机与三相桥式逆变器相连，三相桥式逆变器与供能储能装置相连，控制装置分别连接至三相桥式逆变器以及供能储能装置并控制二者的工作状态。

进一步地，控制装置接受电流传感器、电压传感器和速度编码器的采集信号，输出PWM信号，控制三相桥式逆变器中MOS管的导通和关断情况，控制供能储能装置中继电器的导通和关断情况，电流传感器安装在三相逆变器的三相电线中的U、V相，电压传感器安装在超级电容和蓄电池的输出端，速度编码器安装在双作用电机输出轴。

进一步地，控制芯片是ATMEGA328P-PU芯片。

进一步地，该系统还包括液控补油阀和密闭压力油罐，密闭压力油罐与液控补油阀相连，液控补油阀并联在双作用马达的出油口和吸油口，密闭压力油罐的液压油通过液控补油阀的两个单向阀可分别向双作用马达的出油口和吸油口供油。

进一步地，该系统包括安全阀，安全阀由两个溢流阀组成，两个溢流阀分别与举升油缸有杆腔和无杆腔相连。

进一步地，双作用电机包括电机和发电机，当双作用电机正转时输出电能，当电机反转时产生电能。

进一步地，双作用马达包括马达和泵，当双作用马达正转时产生吸引力，当双作用马达反转时产生推力。

进一步地，液压油流入双向液压锁阀左边液控单向阀时，油压控制双向液压锁阀右边液控单向阀反向开启，进入举升油缸无杆腔的液压油推动举升油缸有杆腔液压油通过双向锁阀右边液控单向阀，流回双作用马达；液压油流入双向液压锁阀右边液控单向阀时，油压控制双向液压锁阀左边液控单向阀反向开启，进入举升油缸有杆腔的液压油推动举升油缸无杆腔液压油通过双向锁阀左边液控单向阀，流回双作用马达。

进一步地，货叉下降速度过慢时，发电机上的电流传感器和速度编码器将发电机工作转速、转矩状态传给控制装置，控制装置将发电机实际转速信号与给定转速比对，调节MOS管开关次序，增大双作用电机-发电机转速，减小双作用电机-发电机转矩，减小双作用泵-马达转矩，减小液压系统下降阻力，液压油通过双向液压锁阀右边的液控单向阀加快流入举升油缸有杆腔，同时液压控制双向液压锁阀左边的液控单向阀反向打开，举升油缸无杆腔液压油通过双向液压锁阀左边的液控单向阀加快流回双作用泵-电机，进而加快货叉下降速度。

本发明的有益效果是：1.本发明通过双作用电机、双作用马达组成的泵控系统，利用直接转矩技术控制双作用电机转速，从而控制货叉下降速度，避免了阀控系统的复杂调速过程，控制装置简单，对系统硬件和软件要求不高，可实现性高。2.本发明通过双作用电机、双作用马达组成的泵控系统，代替原有系统中控制货叉下降速度的电液伺服阀，消除系统正常工况下节流损失，提高势能回收效率，进一步地延长蓄电池单次充放电使用时间，延长叉车蓄电池续航时间；3. 本发明通过双向液压锁阀、液控补油阀、双作用电机、双作用马达组成的具有货叉调速功能的势能回收系统，油路简单，控制简单，操作实践方便，可实现性高；4 .在本发明中，超级电容功率密度高，通过超级电容回收货叉下降势能，其快速充放电性能，可实现短时间内势能的高效率回收，并可为电动叉车起升系统提供起升瞬间电能，平滑蓄电池输出功率，延长蓄电池使用寿命。5 .本发明在电流传感器安装在三相逆变器中安装电流传感器，在超级电容和蓄电池的输出端安装电压传感器，在双作用电机输出轴安装速度编码器，实时采集三相逆变器的电流信号、超级电容和蓄电池的电压信号以及电机输出轴的转速信号并发送至控制系统，控制系统根据上述信号能够获得对货叉的上升和下降的速度，并通过调节 MOS管的开关顺序对油路进行调节，从而实现调节货叉运行速度的目的，本发明的操作简单，控制准确。

附图说明

图1是本发明的整体框图。

图2是本发明的供能-储能装置示意图。

图3是本发明的三相桥式逆变器示意图，其中B4、B6、B8、B10、B12、B14是二极管，B15、B16、B17是电阻。

图4是本发明的控制装置示意图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的技术方案作具体描述，实施例仅用于进一步说明本发明，而并非对本发明的限定。

参照附图1，本发明提供一种具有调速功能的叉车高效节能系统，包括双作用电机1，双作用马达2，密闭压力油罐8，液控补油阀3，双向液压锁阀4，举升油缸5安全阀6，三相桥式逆变器，供能-储能装置，控制装置，油箱7；双作用马达2与双作用电机1相连；双作用马达1的排油口和吸油口与双向液压锁阀 4相连；双向液压锁阀4分别与举升油缸5的有杆腔和无杆腔相连；控制装置包括控制芯片和辅助电路，双作用电机与三相桥式逆变器相连，三相桥式逆变器与供能储能装置相连，控制装置分别连接至三相桥式逆变器以及供能储能装置并控制二者的工作状态。

双作用电机1输出轴安装内置轴承速度编码器，完成对电机转子位置和转速信息的检测，检测信号传送到控制装置ATMEGA328P-PU芯片的I/O口。

密闭压力油罐8与液控补油阀3相连，液控补油阀3并联在双作用马达2 的出油口和吸油口，密闭压力油罐8的液压油通过液控补油阀3的两个单向阀可分别向双作用马达的出油口和吸油口供油。

安全阀6由两个溢流阀组成，两个溢流阀分别与举升油缸5有杆腔和无杆腔相连。由于叉车货叉举升重物重量具有较大不确定性，所以货叉受到较大冲击突然下降时，举升油缸5液压油来不及流动，易出现憋缸现象，为了防止此类情况的发生，当举升油缸内压力达到溢流阀设定压力时，溢流阀打开，释放举升油缸 5内的压力，保护举升油缸5。供能-储能装置，参照附图2，由蓄电池A1和超级电容A2组成，还包括分别与蓄电池A1和超级电容A2相连的第一继电器A5、第二继电器A6，以及第一电压传感器A3、第二电压传感器A4。蓄电池A1和超级电容A2并联在三相桥式逆变器的输出端，为叉车起升系统提供能量源，并用于储存货叉下降回收的势能。货叉下降时，第二电压传感器A4以1KHZ的检测频率检测超级电容A2两端电压，当超级电容A2两端电压低于额定电压27V 时，控制装置控制第二继电器A6导通，货叉下降势能优先为超级电容A2供电；货叉下降时或超级电容A2正在回收势能充电时，当超级电容A2两端电压不低于额定电压时，控制装置控制第二继电器A6关断、第一继电器A5导通，货叉下降势能为蓄电池A1充电；货叉下降行程结束时，控制装置控制第一继电器A5、第二继电器A6关断。当货叉举升时，第二电压传感器A4检测超级电容 A1两端电压，当超级电容A1两端电压不低于额定电压时，控制装置控制第二继电器A6导通，超级电容A2为叉车举升瞬间提供电能，供电时间1至2秒或直至超级电容A2电压不足20V时，之后控制装置控制第二继电器A6关断、第一继电器A5导通，由蓄电池A1为叉车举升系统供电。

电压传感器利用电阻分压原理，将端口输入电压缩小五倍，检测值传送到ATMEGA328P-PU芯片I/O口，完成电压信号的采集。

三相桥式逆变器主要完成供能-储能装置与双作用电机1之间电流的交直流转换，供能-储能装置工作电流为直流电，双作用电机1工作电流为三相交流电。三相桥式逆变器的结构如附图3所示，主要由六个或六倍数个MOS管、六个自由开关的二极管组成。同一竖列的MOS管为一相，为避免直流电源短路，每相 MOS同一时刻只有一个导通。当供能-储能装置为双作用电机1供电时，控制装置发出PWM信号控制六个MOS管的导通与关断，利用三相之间不同MOS管的导通延时，可将直流电压转换为电压脉冲序列，以驱动双作用电机1；因为每个驱动桥臂多个MOS管并联时，可以增加驱动电流，因此根据双作用电机1的额定电流情况，确定所需MOS管的个数。当双作用电机1为供能储能装置充电时，MOS管停止工作，每个驱动桥上自由开关的二极管转化为传统的六脉冲整流器，将三相交流电转化为直流电，为蓄电池充电。第一电流传感器B1和第二电流传感器B2分别检测三相电U、V相的电流，检测信号传送给ATMEGA328P-PU芯片，利用三相电流和为零，可求出W相电流，通过检测电流可以判断当前双作用电机1的转矩状态。

电流传感器为电磁隔离霍尔元件，当电线中有电流流过时，霍尔元件中产生感应磁场，检测到的电流信号直接传送到控制装置ATMEGA328P-PU芯片的I/O 口，完成电流信号的采集。

控制装置主要由ATMEGA328P-PU芯片和辅助电路组成，如附图 4所示。ATMEGA328P-PU芯片集成在arduino板中，包括数字I/O接口和模拟I/O接口，可完成对电流信号、电压信号的数据采集，输出PWM信号控制继电器的通断，控制装置的控制电路图如图3所示。ATMEGA328P-PU芯片接受货叉起升信号、下降信号，并采集供能-储能装置中的电压传感器信号，控制供能-储能装置中继电器的通断情况；控制装置通过直接转矩控制技术控制双作用电机1转速，ATMEGA328P-PU芯片接受编程程序中的速度给定(命令速度)，通过霍尔电流传感器和速度编码器判断当前三相桥式逆变器的工作状态，产生转矩命令(转矩电流)控制三相桥式逆变器的工作状态，进而控制双作用电机1转速。

实施例1，第一种工作状态。

当货叉起升时，控制装置接到货叉起升信号，此时第二电压传感器A5检测超级电容A2两端电压，若超级电容A2两端电压不低于额定电压时，控制装置控制第二继电器A6导通，超级电容A2为叉车举升瞬间提供电能，供电时间为1至2秒或直至超级电容A2电压不足20V时，之后控制装置控制第二继电器 A6关断、第一继电器A5导通，由蓄电池A1为叉车举升系统供电。此时三相桥式逆变器将超级电容A2或蓄电池A1的直流电，控制装置控制三相桥式逆变器 MOS管B3、B13、B7、B5、B11、B9依次打开，并控制三相之间MOS管开关时序相差120度，使U、V、W三相近似输出正弦波，将直流电转换成交流电，为双作用电机1供电，此时双作用电机1工作在电机状态。双作用电机1带动双作用马达2旋转，此时双作用马达2工作在泵状态。控制装置实时接收双作用电机1的电流及转速信号，并与控制程序中的给定转速对比，控制PWM信号，进而改变MOS管的开关次序，使U、V、W三相输出电压幅值和双作用电机1的负载角，从而控制三相交流电压控制发电机转速，进而控制泵转速。泵带动液压油经过双向液压锁阀4流到举升油缸5无杆腔，当货叉需要停留在某个位置完成装卸动作时，泵由工作状态变为非工作状态，双向液压锁阀4迅速切断油路，防止举升油缸5无杆腔回油，进而锁住货叉位置。当电动叉车举升系统遇到较重负载，导致举升油缸5有杆腔和无杆腔压力相差较大或突然出现液压油冲击时，此时安全阀6打开，自动调节举升油缸5有杆腔与无杆腔压力差，防止举升油缸5出现憋缸现象。在泵的工作过程中，若泵吸油不足，导致起升油路液压油不足时，液控补油阀3自动给泵补油，保证液压系统的正常工作。

实施例2，第二种工作状态。

当货叉下降时，举升油缸5无杆腔回油，双向液压锁阀4打开，液压油经过双向液压锁阀4，流入双作用泵-马达2，带动双作用马达2反转。此时，双作用马达2工作在泵状态。泵带动双作用电机1反转，此时，双作用电机1工作在发电机状态，发电机发电通过三相桥式逆变器给超级电容A2或蓄电池A1充电。货叉下降速度过快时，发电机上的电流传感器和速度编码器将发电机工作转速、转矩状态传给控制装置，控制装置将发电机实际转速信号与给定转速比对，计算定子磁链空间矢量的角度，就近选择将MOS管B3、B9、B11或B5、B7、B13 或B5、B7、B11或B5、B9、B11导通，使双作用电机1定子磁链变大，增大发电机转矩，增大马达转矩，增大液压系统下降阻力，液压油通过双向液压锁阀4右边的液控单向阀减慢流入举升油缸5有杆腔，同时液压控制双向液压锁阀4左边的液控单向阀反向打开，举升油缸5无杆腔液压油通过双向液压锁阀4左边的液控单向阀减慢流回双作用泵-电机，进而减慢货叉下降速度。货叉下降速度过慢时，就近选择将MOS管B3、B9、B13或B3、B9、B11或B3、B7、B11或B5、B9、B13导通，使双作用电机1定子磁链变小，减小发电机转矩，减小马达转矩，减小液压系统下降阻力，液压油通过双向液压锁阀4右边的液控单向阀加快流入举升油缸5有杆腔，同时液压控制双向液压锁阀4左边的液控单向阀反向打开，举升油缸5无杆腔液压油通过双向液压锁阀4左边的液控单向阀加快流回双作用马达2，进而加快货叉下降速度。当发电机为超级电容A2或蓄电池A1充电时，第二电压传感器A4检测超级电容A2两端电压，当超级电容A2两端电压低于额定电压27V时，控制装置控制第二继电器A6导通，货叉下降势能优先为超级电容A2充电；货叉下降时或超级电容A2正在回收势能充电时，当超级电容A2两端电压不低于额定电压时，控制装置控制第二继电器A6关断、第一继电器A1导通，货叉下降势能为蓄电池A1充电；货叉下降行程结束时，控制装置控制第一继电器A5、第二继电器A6关断。

Claims (1)

1.一种具有调速功能的叉车高效节能系统，其特征是，包括双作用电机、双作用马达、双向液压锁阀、举升油缸、三相桥式逆变器、供能储能装置和控制装置；双作用马达与双作用电机相连，双作用马达的排油口和吸油口与双向液压锁阀相连；双向液压锁阀分别与举升油缸的有杆腔和无杆腔相连；控制装置包括控制芯片和辅助电路，双作用电机与三相桥式逆变器相连，三相桥式逆变器与供能储能装置相连，控制装置分别连接至三相桥式逆变器以及供能储能装置并控制二者的工作状态；

供能储能装置，由蓄电池和超级电容组成，还包括分别与蓄电池和超级电容相连的第一继电器、第二继电器，以及第一电压传感器、第二电压传感器；蓄电池和超级电容并联在三相桥式逆变器的输出端，为叉车起升系统提供能量源，并用于储存货叉下降回收的势能，货叉下降时，第二电压传感器以1KHZ的检测频率检测超级电容两端电压，当超级电容两端电压低于额定电压27V 时，控制装置控制第二继电器导通，货叉下降势能优先为超级电容供电；货叉下降时或超级电容正在回收势能充电时，当超级电容两端电压不低于额定电压时，控制装置控制第二继电器关断、第一继电器导通，货叉下降势能为蓄电池充电；货叉下降行程结束时，控制装置控制第一继电器、第二继电器关断，当货叉举升时，第二电压传感器检测超级电容两端电压，当超级电容两端电压不低于额定电压时，控制装置控制第二继电器导通，超级电容为叉车举升瞬间提供电能，供电时间1至2秒或直至超级电容电压不足20V时，之后控制装置控制第二继电器关断、第一继电器导通，由蓄电池为叉车举升系统供电；

控制装置接受电流传感器、电压传感器和速度编码器的采集信号，输出PWM信号，控制三相桥式逆变器中MOS管的导通和关断情况，控制供能储能装置中继电器的导通和关断情况，电流传感器安装在三相逆变器的三相电线中的U、V相，电压传感器安装在超级电容和蓄电池的输出端，速度编码器安装在双作用电机输出轴；

该系统还包括液控补油阀和密闭压力油罐，密闭压力油罐与液控补油阀相连，液控补油阀并联在双作用马达的出油口和吸油口，密闭压力油罐的液压油通过液控补油阀的两个单向阀可分别向双作用马达的出油口和吸油口供油；

该系统包括安全阀，安全阀由两个溢流阀组成，两个溢流阀分别与举升油缸有杆腔和无杆腔相连；

双作用电机包括电机和发电机，当双作用电机正转时输出电能，当电机反转时产生电能；

双作用马达包括马达和泵，当双作用马达正转时产生吸引力，当双作用马达反转时产生推力；液压油流入双向液压锁阀左边液控单向阀时，油压控制双向液压锁阀右边液控单向阀反向开启，进入举升油缸无杆腔的液压油推动举升油缸有杆腔液压油通过双向锁阀右边液控单向阀，流回双作用马达；液压油流入双向液压锁阀右边液控单向阀时，油压控制双向液压锁阀左边液控单向阀反向开启，进入举升油缸有杆腔的液压油推动举升油缸无杆腔液压油通过双向锁阀左边液控单向阀，流回双作用马达；

货叉下降速度过快时，发电机上的电流传感器和速度编码器将发电机的工作转速和转矩状态传给控制装置，控制装置将发电机实际转速信号与给定转速比对，调节MOS管开关顺序，使双作用电机定子磁链变大，增大发电机转矩，增大马达转矩，增大液压系统下降阻力，液压油通过双向液压锁阀右边的液控单向阀减慢流入举升油缸有杆腔，同时液压控制双向液压锁阀左边的液控单向阀反向打开，举升油缸无杆腔液压油通过双向液压锁阀左边的液控单向阀减慢流回双作用马达，进而减慢货叉下降速度；

货叉下降速度过慢时，发电机上的电流传感器和速度编码器将发电机工作转速、转矩状态传给控制装置，调节MOS管开关顺序，使双作用电机定子磁链变小，减小发电机转矩，减小马达转矩，减小液压系统下降阻力，液压油通过双向液压锁阀右边的液控单向阀加快流入举升油缸有杆腔，同时液压控制双向液压锁阀左边的液控单向阀反向打开，举升油缸无杆腔液压油通过双向液压锁阀左边的液控单向阀加快流回双作用马达，进而加快货叉下降速度。