电动叉车EPS控制系统的研究与开发合肥工业大学论文.pdf

合肥工业大学 硕士学位论文 电动叉车EPS控制系统的研究与开发 姓名：袁浩 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：王华强 20100301 电动叉车E P S 控制系统的研究与开发 摘要 电动助力转向系统( E l e c t r i cP o w e rS t e e r i n g ，简称E P S ) 是当今动力转向技术 领域的研究热点和前沿技术之一。电动助力转向系统是一种新型的动力转向系 统，它与传统液压动力转向系统相比有许多优点，电动助力转向系统能够实现 精确转向，减小因路面不平引起的对系统的扰动，能在各种行驶工况下提供最 佳助力，并具有节能、环保等优点。作为衡量电动叉车性能的一项关键技术， 转向性能的好坏对于叉车能否灵活工作具有很大的影响。因此，开展电动叉车 E P S 控制系统的研发工作具有着重要的理论和实际意义。 本文首先介绍了E P S 系统的总体构成及工作原理，并对各组成部件的结构 及工作原理进行了详细论述。在深入分析E P S 系统两大控制策略的基础上，根 据制定的助力特性曲线确定了目标电流，采用了模糊P I D 控制策略对目标电流 进行跟踪并进行了系统性能仿真分析。根据电动叉车E P S 系统工作原理及性能 要求设计了E P S 系统总体控制方案，利用飞利浦公司的L P C 2 1 3 1 微控制器丰富 的硬件资源，设计了E P S 控制系统的硬件平台，其中电路设计包括核心控制模 块、信号采集处理模块、H 桥功率驱动及其前置驱动电路模块、继电器保护模 块等，并进行了抗干扰相关设计。最后，给出了E P S 控制系统的软件设计方案， 并完成了软件的模块化设计工作。 关键词：电动叉车，E P S ，控制策略，电子控制单元 T h eR e s e a r c ha n dD e v e l o p m e n to fE P SC o n t r o lS y s t e mf o r E l e c t r i cF o r k l i f tT r u c k A b s t r a c t E l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ( a l s ok n o w na sE P S ) i so n eo ft h er e s e a r c h h i g h l i g h t sa n dc u t t i n g - e d g et e c h n o l o g i e si nt o d a y sp o w e rs t e e r i n gt e c h n o l o g y f i e l d s E P Si san e wt y p eo fp o w e rs t e e r i n gs y s t e m C o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a l h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，E P Sh a sm a n ya d v a n t a g e s I tc a nn o to n l ya c h i e v e p r e c i s es t e e r i n g ，r e d u c i n gt h ed i s t u r b a n c eo ft h es y s t e mc a u s e db yt h eu n e v e n s u r f a c e ，b u ta l s op r o v i d et h eb e s th e l pi nv a r i o u sk i n d so ft r a f f i co p e r a t i n g c o n d i t i o n sa n dh a v ee n e r g y - s a v i n g ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nm e r i t s ，e t c A sak e y t e c h n o l o g y o f m e a s u r i n g t h ep e r f o r m a n c eo fa ne l e c t r i c f o r k l i f t ，s t e e r i n g p e r f o r m a n c eh a sag r e a ti m p a c to nf l e x i b l ew o r k i n go ft h ef o r k l i f t T h e r e f o r e ，t h e r e s e a r c hw o r ko fE P Sc o n t r o ls y s t e mf o re l e c t r i c f o r k l i f th a sg r e a tt h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e T h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h eo v e r a l lc o m p o s i t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l eo f t h eE P Ss y s t e m ，a n dt h e ni l l u s t r a t e si t sc o n s t i t u e n tp a r t so ft h es t r u c t u r ea n d w o r k i n gp r i n c i p l ei nd e t a i l B a s e do na ni n d e p t ha n a l y s i so ft h et w om a j o rc o n t r o l s t r a t e g i e si nE P Ss y s t e m ，t h et h e s i s Sa s s i s tc h a r a c t e r i s t i cc u r v ed e t e r m i n e dt h e t a r g e tc u r r e n t ，a n dt r a c k e dt h ec u r r e n ta n dc a r r i e do u ts i m u l a t i o na n a l y s i so fs y s t e m p e r f o r m a n c eb yu s i n gf u z z yP I Dc o n t r o ls t r a t e g y T h eo v e r a l ls y s t e mo ft h eE PS c o n t r o ls c h e m ew a sd e s i g n e da c c o r d i n gt oi t sw o r k i n gp r i n c i p l ea n dp e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t sf o rE l e c t r i cf o r k l i f t ，a n di t sh a r d w a r ep l a t f o r mi nE P Sc o n t r o ls y s t e m d e s i g n e db yu s i n gr i c hh a r d w a r er e s o u r c e so fP h i l i p sL P C 2 131 m i c r o c o n t r o l l e r ， w h i c hi n c l u d e dt h ec o r ec o n t r o lm o d u l ec i r c u i t d e s i g n ，S i g n a la c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n gm o d u l e ，H - b r i d g ep o w e rd r i v e ra n df r o n t d r i v ec i r c u i tm o d u l e ，r e l a y p r o t e c tm o d u l e ，e t c ，a n dc a r r i e do u ta n t i - j a m m i n g - r e l a t e dd e s i g n F i n a l l y , t h e p r o j e c to fs o f t w a r ed e s i g ni nE P Sc o n t r o ls y s t e mw a sp r e s e n t e dw i t hc o m p l e t i o no f i t sm o d u l a rd e s i g n K e yW o r d s ：E l e c t r i cF o r k l i f t ，E P S ，C o n t r o lS t r a t e g y ，E l e c t r o n i cC o n t r o lU n i t 插图清单 图2 1 轴助力式E P S 结构图6 图2 2 电位计式扭矩传感器7 图2 3 扭矩传感器输出特性8 图2 4 车速传感器结构图8 图3 1E P S 系统控制策略框图1 l 图3 2E P S 的理想助力特性曲线1 3 图3 3 直线型助力特性曲线1 4 图3 4 折线型助力特性曲线1 4 图3 5 曲线型助力特性曲线1 5 图3 6 电动叉车E P S 助力特性曲线1 6 图3 7 直流电动机模型1 9 图3 8P I D 控制系统原理框图2 0 图3 9 模糊自适应P I D 控制器结构2 2 图3 1 0P I D 参数在线自校正工作流程图2 5 图3 1 1 误差e 的隶属度函数2 5 图3 1 2 误差变化率e c 的隶属度函数2 5 图3 13 比例系数k 。的隶属度函数2 6 图3 1 4 积分系数t 的隶属度函数2 6 图3 1 5 微分系数屯的隶属度函数2 6 图3 1 6 模糊P I D 控制系统的构成2 6 图3 1 7 模糊P I D 动态仿真环境2 7 图3 1 8 控制系统响应结果2 8 图4 1E P S 控制系统结构图3 0 图4 2 主扭矩信号处理电路3 2 图4 3 副扭矩信号处理电路3 2 图4 4P A S H I D 5 0 型霍尔电流传感器实物图3 3 图4 5P A S H I D 5 0 型霍尔电流传感器接线图3 3 图4 6 电流信号处理电路3 4 图4 7 车速信号采集处理电路3 4 图4 8L P C 2 1 3 1 结构框图3 7 图4 9 系统复位电路3 8 图4 1 0 系统时钟电路3 8 图4 1 lP W M 原理图及输入输出电压波形4 0 图4 1 2H 型双极性P W M 功率驱动电路4 0 图4 13E P S 系统电动机控制电路4 2 图4 1 4 继电器保护控制电路4 4 图4 1 5 报警指示电路4 5 图5 1E P S 控制系统主程序流程图4 8 图5 2A D 采集子程序流程图4 9 图5 3 防脉冲干扰平均值滤波法流程图5 1 图5 4 车速信号采集子程序流程5 3 图5 5 判断电机转向流程图5 5 图5 6P W M 控制子程序流程图5 6 表格清单 表3 1 K e 的模糊控制规则2 3 表3 2 K 的模糊控制规则2 3 表3 3 畅的模糊控制规则2 4 表4 1P A S H I D 5 0 型霍尔电流传感器电气参数表3 3 表5 1A D 转换结果标定4 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究：I ：作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 金月曼二：些厶堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同_ I ：作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：名澎 签字日期：) 纠毋年妒月p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆：些厶堂有关保留、使川学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文放夯阅和借阅。本人授权堂 些厶堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 磊膨 签字日期：沙口年中月肜日 学位论文作者毕业后去向： J j 作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 琵b奇 1 2 蚺 J 1 ，厶 名 期 签 日 师 字 导 整 致谢 在本论文完成之际，谨向我的导师王华强老师表示由衷的感谢和最诚挚的 敬意。在导师的亲切关怀和悉心指导下，我顺利完成了课题研究和论文的撰写 工作。三年的研究生学习期间，导师严谨求实的治学态度、渊博的学识、广阔 的视野和平易近人的品质，让我受益匪浅，使我能够严格要求自己，在理论和 实践上都有了很大的提高。 同时，还要感谢实验室的周章海和王玉娟同学，感谢他们在项目研究和本 论文的撰写过程中，给予我的支持和帮助。 此外，还要感谢所有关心和帮助过我的人，特别是我的家人，正是他们多 年来无私的支持与奉献，使我得以顺利地完成学业，在人生的道路上不断地取 得进步与突破。 作者：袁浩 2 0 1 0 年3 月l O 日 第一章绪论 1 1 课题背景 电动叉车是以蓄电池为动力的叉车，是物流运输重要的作业工具之一，具 有行走和提升货物的功能，是实现物流机械化作业，减轻工人搬运劳动强度， 提高作业效率的主要工具。近年来，随着全社会环保意识的增强，电动叉车由 于具有无污染、低噪声等显著优点，得到了飞快发展，国民经济中各行各业对 叉车的需求量也逐年增加。国外著名叉车公司都生产全系列的电动叉车，包括 三支点和四支点平衡重式叉车、前移式叉车、拣选车、三向堆垛机和托盘搬运 车等；并投入大量的人力、财力用于电动叉车的研发，使之成为现代高新技术 产品。目前，国外市场特别是欧美发达国家，电动叉车的产量己占叉车总产量 的4 0 以上，日本电动叉车产量也已超过了叉车总量的1 3 。中国电动叉车所 占比例为2 0 左右，已突破原来只能用于小吨位作业的局限。但不容忽视的是， 我国电动叉车生产尚处于起步阶段，一直是我国工业车辆行业的弱项，特别是 三电( 电控、电机、电瓶) 的技术相对于国外的先进水平尚有一定的差距。其中， 电控技术的落后极大地制约了我国电动叉车的发展，控制叉车转向的转向控制 装置的设计就是其中的一项关键技术，转向性能的好坏对于叉车能否灵活工作 具有很大的影响。在实际作业中，如在仓库或其他场所的活动空间较小，同时 本身自重较大，装载货物后重量更大，这些都会导致转向不够灵活，对作业强 度、作业效率产生很大影响。因此，研制一种可控制电动叉车灵活转向、有效 提升电动叉车转向性能的电动助力转向控制系统具有着广泛的市场前景。n 儿2 3 3 1 2 动力转向系统发展历程 作为各类车辆的主要性能之一，转向技术的发展先后经历了机械式转向系 统、液压助力转向系统、电控液压助力转向系统以及电动助力转向系统几个阶 段，未来还将会向线控电动转向系统发展。H H 钉1 一、机械式转向系统 早期的机械式转向系统单纯依靠机械部件传递转向力矩，主要由转向盘、 转向传动机构、转向器三部分组成，其基本功能是将驾驶员的手动转向操作转 变为转向拉杆的左右移动，从而带动车轮转动，实现车辆的转向。这种转向结 构比较复杂，转向过于费力。 二、机械式液压助力转向系统( H y d r a u l i cP o w e rS t e e r i n g ，简称H P S ) 传统的机械式液压助力转向系统是在原有的机械式转向系统的基础上增加 助力转向装置，由驾驶员的手动操纵力加上液压助力来共同克服转向阻力。无 论车辆是否转向，系统总处于工作状态，能耗较高。且液压泵的压力很大，容 易损害助力系统，并不易安装和维护。与机械式转向系统相比，其缺点同样是 结构复杂、消耗功率大，容易产生泄漏，转向力不易有效控制等。 三、电控液压助力转向系统( E 1 e c t r oH y d r a u l i cP o w e rS t e e r i n g ，简称z H P S ) 电控液压助力转向系统是在传统的液压助力转向系统的基础上增设电子控 制装置构成的。它采用直流电动机代替发动机驱动油泵，电动机由车载蓄电池 供电。其工作原理是由电子控制单元根据车速、扭矩等信号计算出理想状态， 并控制电磁阀，使转向动力放大倍率实现连续可调，从而满足高、低速时的转 向助力要求，正常转向时，电机低速运转，提供少量的液压油；当快速转向时， 电机加速，以提供足够的液压油：转向盘不动时，电机可停转或低速运转，从 而减少了能耗。但E H P S 仍然不能克服液压助力转向系统在安装、操控性、密封 性、能耗、噪音与磨损等方面的固有缺点。 四、电动助力转向系统( E l e c t r i cP o w e rS t e e r i n g ，简称E P S ) 电动助力转向系统是在机械式转向系统的基础上，利用直流电动机作为动 力源，根据作用在转向盘上的扭矩信号和车速信号，通过E C U 处理，使电动机产 生相应大小和方向的助力扭矩，帮助驾驶员进行转向操纵，在各种行驶工况下 提供最佳助力性能的动力转向系统。E P S 能减少由路面不平引起的对转向系统的 扰动，改善车辆的转向性能，动态地适应车辆行驶状况的变化，进而提高车辆 的主动安全性，是目前车辆转向装置的重要发展方向。 五、线控电动转向系统( S t e e r i n gb yW i r e ，简称S B W ) 线控电动转向系统与上述各类转向系统的根本区别就是完全取消了转向盘 和转向轮之间的机械连接，由电机提供全部的转向力。但是线控电动转向系统 存在安全隐患，由于转向盘和转向轮之间无机械连接，生成让驾驶员能够感知 车辆实际行驶状态和路面状况的“路感”比较困难；而且电子器件的可靠性难 以保证，当电路出现故障时，就会丧失转向性能，不像E P S 还能依靠机械机构来 转向。因此目前线控电动转向系统还仅限于实验室研究阶段，只配备在一些概 念汽车上。 1 3电动助力转向系统的优点 相比传统液压动力转向系统，电动助力转向系统具有以下优点：“ 町阳1 1 、只在转向时电机才提供助力，可以显著降低燃油消耗。 传统的液压助力转向系统由发动机带动转向油泵，无论转向与否都要消耗 燃料。而电动助力转向系统只是在转向时才由电机提供助力，不转向时则不消 耗能量。因此，电动助力转向系统可以显著降低车辆的燃油消耗。 参考文献 7 3 中E P S 与H P S 对比试验数据表明：在不转向时，E P S 可以降低 燃油消耗2 5 ；在转向时，可以降低5 5 。 2 、转向助力特性可以通过软件设置来实现，能够兼顾低速时的转向轻便性和高 速时的操纵稳定性，回正性能好。且易于调整和开发。 2 传统的液压助力转向系统所提供的转向助力大小不能随车速的变化而改 变。这样就使得驾驶员缺少显著的“路感“ ，降低了行驶时的车辆稳定性和驾 驶员的安全感。电动助力转向系统提供的助力大小可以通过软件方便的进行调 整。在低速时，电动助力转向系统可以提供较大的转向助力，提供车辆的转向 轻便性；随着车速的提高，电动助力转向系统提供的转向助力可以逐渐减小， 转向时驾驶员需要施加的转向力将逐渐增大，这样驾驶员就感受到明显的“路 感“ ，提高了车辆稳定性。 电动助力转向系统还可以施加一定的附加回正力矩或阻尼力矩，使得低速 时转向盘能够精确的回到中间位置，而且可以抑制高速回正过程中转向盘的振 荡和超调，兼顾了车辆高、低速时的回正性能。 由于E P S 助力特性的调整可以通过软件编写来实现，通过对程序的设置， E P S 容易与不同车型匹配，可以大大缩短生产和开发的周期。 3 、结构紧凑，质量轻，生产线装配性好，易于维护保养。 电动助力转向系统取消了液压转向油泵、油缸、液压管路、油罐等部件， 而且电机及减速机构可以和转向柱、转向器做成一个整体，使得整个转向系统 结构紧凑，质量轻，在生产线上的装配性好，节省装配时间，易于维护保养。 根据美国T R W 公司的测试结果，H P S 的重量为1 7 k g ，而E P S 系统为1 3 6 k g ，减 轻了2 5 ；而法国雷诺公司的试测结果则表明，H P S 装配需要3 0 “ - “ 3 5 分钟，而 E P S 装配只需要4 6 分钟，装配时间仅为H P S 的1 7 1 6 。 4 、效率高。 H P S 系统为机械和液压连接，效率较低，一般为6 0 7 0 ；而E P S 系统为 机械和电气连接，效率较高，有的可高达9 0 以上。 5 、可以独立于发动机工作。 由于E P S 由电动机直接提供助力，而电动机由车载蓄电池供电，因此E P S 能 否助力不受发动机是否起动的影响，即使在发动机熄火或出现故障时也能提供 助力。 6 、有利于环保，具有更好的耐低温性能。 由于E P S 没有液压回路，不存在油液泄露、液压软管回收等问题，减少了对 环境的污染，可用于各类环保型纯电动车辆。同时由于液压油在低温时的粘度 很大，存在低温时必须有个加温的过程，而E P S 在零下4 0 。C 时仍可正常工作， 基本上不受温度的影响。 由于电动助力转向系统具有上述诸多优点，因此近年来在各类车辆中获得 了越来越广泛的应用。 1 4电动助力转向系统的国内外研究与应用现状 电动助力转向技术首先应用于日本的微型轿车上。1 9 8 8 年2 月日本铃木公司 3 首先在其C e r v o 车上装备E P S ，随后又应用到A 1 t o 汽车上；1 9 9 3 年本田汽车公司 也在爱克N S X 跑车上装备了E P S ；1 9 9 9 年奔驰和西门子公司开始投巨资开发E P S 。 二十世纪九十年代初期，日本三菱、铃木、大发、美国D e l p h i 、德国Z F 等公司 相继推出了自己的E P S ，如三菱汽车公司在M i n i c a 车上装备了E P S ，大发汽车公 司在M i r a 车上装备了E P S ，美国D e l p h i 汽车系统公司也已为菲亚特的P u n t o 及欧 宝的3 1 8 i 开发出E P S 。T R W 公司继推出E H P S 后也迅速推出了技术上比较成熟的转 向柱助力式、小齿条助力式和齿轮助力式E P S ，并装配在M a z d a3 2 3 F 和F o r d F i e s t a 等车上，此后E P S 技术得到了飞速发展，技术也日趋走向成熟，其应用范 围已经从最初的微型轿车向更大型轿车及商用客车方向发展，并逐渐应用于叉 车等各类车辆上。E P S 的助力型式也由低速范围助力型向全速范围助力型发展， 其控制形式与功能也得到了进一步的加强。 在国外，E P S 已进入批量生产阶段，并成为汽车等车辆零部件高新技术产品， 而我国动力转向系统目前绝大多数仍采用机械转向或液压助力转向，E P S 的研究 开发尚处于起步阶段。目前国内主要集中在电动助力转向器的开发研究阶段， 国内的一些大学、研究机构和公司在这方面已经作了许多工作。1 9 9 2 年起，清 华大学开始开展E P S 系统的结构方案设计、系统建模和动力分析等方面的研究。 随后，吉林大学也进行了E P S 的研究，并制作了试验台架，获得了许多的试验数 据。华中科技大学、江苏大学、合肥工业大学和天津大学等国内多所高校及科 研单位也对E P S 的系统建模、转向特性和控制算法、台架试验等进行了理论方面 的研究，并取得了一定的进展。如文献 11 - 1 2 通过对电动助力转向系统模型的 建立，得到了E P S 的相关传递函数，在分析影响系统响应速度的因素的基础上， 提出了对电动助力转向系统改进设计的方法：文献 13 - 1 5 对电动助力转向系统 的助力特性、控制策略等方面进行了探讨和研究，提出了采用神经网络、鲁棒 控制等理论来提高转向系统性能等思路。文献 1 6 17 分别介绍了基于8 0 C 5 5 2 单片机和P 8 7 L P C 7 6 8 单片机的E P S 硬件电路设计，并对所设计硬件系统的台架实 验情况进行了分析和总结。 总体说来，现在国内对E P S 还处于研究和探索阶段，真正能应用于实车中的 还比较少，没有形成规模性的产业。在国家的“十五“ 规划中，E P S 系统研究已 被我国列为一个重要的研究内容，安徽省也已经明确的将E P S 系统的开发列入其 “十五“ 科技攻关项目，随着国家和地方对E P S 技术的日益重视和大力发展，可 以预计，未来我国的E P S 产业将有着广阔的发展前景。口1 0 1 力 1 5 电动助力转向系统的发展方向 就目前的电动助力转向系统而言，其未来的发展方向主要为：n 钉 1 、改善控制系统性能、减小控制单元和驱动单元的体积及降低控制系统的制造 成本，使之更好地与不同档次不同类型车辆相适应。如改进电动机控制技术， 4 消除由于电动机惯性大、摩擦力所带来的转向路感不足等缺点。 2 、进一步提高系统的可靠性。主要应从提高E P S 系统各构成部件的可靠性入手， 如采用非接触式扭矩传感器等。 3 、将根据扭矩、车速、转向角、转向速度、横向加速度、前轴重力等多种信号 进行与车辆特性相吻合的综合控制，以获得更好的转向路感。 4 、实现电动助力转向系统控制单元与车身其它控制单元的通讯联系，以实现整 车电子控制系统一体化，提高车身控制的操纵稳定性。 电动助力转向技术由于其技术先进、性能优越，未来必将取代其他动力转 向技术，成为动力转向技术的主流。线控动力转向系统将是未来动力转向系统 的发展方向，是未来车辆对安全性、操纵稳定性和舒适性的更高要求，有着广 阔的发展前景。 1 6本文研究的主要内容 本文研究的主要内容： 1 在研究国内外大量E P S 的技术资料基础上，对E P S 的总体结构、工作原理及 各主要组成部件的构成和工作原理进行了详细分析。 2 对E P S 系统控制策略进行了深入研究，分析了电动叉车E P S 系统的两种基本 控制模式并对助力控制策略进行了深入探讨，设计了一种二次曲线型助力 特性曲线作为本系统确定目标电流的控制策略；介绍了基于常规P I D 的电流 闭环控制算法及其改进算法，在此基础上提出了模糊自适应P I D 控制算法， 并进行了相应仿真分析验证了系统控制策略的正确性。 3 根据模块化设计思想，在确定了控制系统的整体结构的基础上，以3 2 位A R M 7 系列微控制器L P C 2 1 3 1 为核心控制芯片对电动叉车E P S 控制系统进行了硬件 设计，包括M C U 的选型、各信号采集处理电路、电动机控制电路、继电器保 护电路等，并对各模块电路设计原理做了具体分析。其中，电动机驱动控 制电路是整个控制系统的核心部分，对此作了重点讨论，详细介绍了P W M 控 制原理、H 桥电机驱动电路及其前置驱动电路的设计及所用芯片的选型。最 后，介绍了硬件设计中采用的抗干扰措施。 4 设计了E P S 控制系统的软件程序。介绍了A D S l 2 集成开发环境，并以此为开 发平台，利用模块化程序设计思想对控制系统的主程序、A D 采集子程序、 数字滤波子程序、车速信号采集子程序、判断电机转向子程序、电流闭环 控制子程序、P W M 控制子程序等进行了具体设计，给出了各模块程序流程图 及部分模块C 程序，最后介绍了软件抗干扰的相关设计措施。 5 第二章电动叉车E P S 控制系统的总体结构及工作原理 2 1 电动叉车E P S 的组成及工作原理 E P S 是一种由直流电动机提供转向助力的动力转向系统。根据电机驱动部位 和减速装置安装位置的不同，E P S 可以分为以下三类n 们心们心： ( 1 ) 轴助力式：电机和减速装置安装在转向传动轴上； ( 2 ) 小齿轮助力式：电机和减速装置安装在转向小齿轮处； ( 3 ) 齿条助力式：电机和减速装置安装在齿条外侧。 本文所研究的对象是轴助力式E P S 。图2 1 为轴助力式E P S 结构图。其主要 由电子控制单元( E C U ) 、扭矩传感器和车速传感器、电动机、传动机构和转向机 构等组成。其中电机、离合器与减速器往往结合成一个整体。 瞄 麟,Itr l 撬旷 幺奎煎丝塑ll r 动力开荚l 台嚣 噜、& 轮 _ 。- 弋一 鸯豢 图2 1 轴助力式E P S 结构图 其工作原理如下：当驾驶员转动方向盘时，E P S 通过电子控制单元接收来自 车速传感器和扭矩传感器的输入信号，按照一定的控制算法，经过运算处理 形成相应的目标电流控制驱动电机，电动机据此输出相应大小及方向的扭矩， 经由传动机构将扭矩传递给转向机构以产生助力，从而实现助力转向的实时控 制。 2 2 电动叉车各部分的工作原理 2 2 1 扭矩传感器 。 扭矩传感器是用来给电子控制单元提供输入扭矩信号的装置，它通过测量 作用于转向盘的扭矩的大小和方向来实现其功能。扭矩传感器要求精确可靠， 抗干扰能力强。 扭矩传感器可分为电位计式、差动变压器式和光电式等。其中差动式和光 电式的结构复杂，成本高，主要用于高速测量。本系统选用电位计式扭矩传感 器，其额定电压为D C 5 V ，额定输出电压2 5 V ( 中点) ，最大阻抗2 1 8 O 6 6Q 。 其结构简单，成本低，可靠性高，适合于电动叉车转向盘扭矩的测量。 6 ( a ) 转向盘右转 ( b ) 转向盘在中央( C ) 转向盘左转 1 电位计2 摆臂3 导向销4 输入轴5 扭杆 6 滑套7 斜槽8 输出轴 图2 2 电位计式扭矩传感器 电位计式扭矩传感器主要可以分为扭杆式、旋臂式和双级行星齿轮式。其 中扭杆式测量结构简单、可靠性相对较高，应用较多，其结构如图2 2 所示。 扭杆式扭矩传感器的工作原理是：扭杆将扭矩转化为转角，滑套将转角转 化为直线位移，电位计将直线位移转化为电信号。当输入轴相对于输出轴转动 时，扭杆发生扭转变形，同时，带动导向销转动，导向销带动滑套沿轴向移动。 这样，输入轴和输出轴的相对转动，就可转换成滑套的直线运动。滑套沿输出 轴的轴向运动，带动电位计摆臂摆动，这些轴向的移动就转化为电位计的杠杆 旋转角度，滑动触点在电阻线上的移动使电位计的电阻值随之变化，电阻的变 化通过电位计转化为电压，这样扭矩信号就转化为相应的电压信号。扭矩传感 器就把转向盘扭矩的变化转换成电压的变化量送给电子控制单元。 为了提高E P S 的安全性和可靠性，电位计式扭矩传感器采用了冗余设计，由 主、副两路扭矩传感器组成，两路信号相互独立，当一路信号发生故障时，另 一路仍可起作用。本系统采用的扭矩传感器输出特性如图2 3 所示。当转向盘处 于中间位置时，传感器的两个输出端上的电压均为2 5 V ：当转向盘向右旋转时， 主扭矩传感器输出端上的电压大于2 5 V ，副扭矩传感器输出端上的电压小于 2 5 V ：当转向盘向左旋转时，恰好相反。因此，电子控制单元可根据主副两路 扭矩传感器输出电压的大小来判断转向盘扭矩的大小和方向。n 2 1 2 2 2 车速传感器 车速传感器用于检测车轮转速的大小，它根据车速的大小产生成比例的信 号。电动叉车的作业性质决定了其对行驶速度要求不高，转向时可以无此路输 入信号。本文设计的E P S 控制系统包含了车速传感器，以备将来扩展电动叉车功 能需要。 7 输出电压。 L 鱼I I 5 一 汐 令 转向击 逆时针 0 顺时针7 矩 图2 3 扭矩传感器输出特性 车速传感器是一种霍尔式转速传感器，由霍尔开关集成传感器和磁性转盘 组成，霍尔式转速传感器的结构如图2 4 所示。 图2 4 车速传感器结构图 1 输入轴。2 磁性转盘3 小磁铁4 霍尔开关集成传感器 车速传感器的工作原理为：当输入轴转动时，磁性转盘便随之转动，固定 在磁性转盘附近的霍尔开关集成传感器便可在每一个小磁铁通过处产生一个相 应的脉冲，通过检测单位时间的脉冲数，即可获取输入轴的转速。它能产生频 率与车速成正比的正弦脉冲信号，该信号经里程表电路处理后，形成方波信号。 该方波信号一方面给里程表使用，另一方面通过导线送给E P S 控制器，向E P S 控 制器提供车速信号。E P S 控制器根据车速的高低决定助力的大小，一般低速时提 供较大助力，以使转向轻便：高速时减小助力，以提高路感和操纵稳定性。 2 2 3 直流电动机 电动机是E P S 系统的执行部件。其作用是在叉车转向时根据E C U 的指令提供 适当的转向助力，帮助驾驶员转向。由于电动叉车E P S 系统依靠车载蓄电池直流 电压供电，因此采用直流电动机比较合适。E P S 需要根据叉车行驶的不同工况提 供不同的助力转矩，并应具有良好的动态特性和可靠性，因此，作为控制叉车 转向的动力源，直流电动机应当具有较好的机械特性和调速特性。一般应满足 如下要求心3 】【2 们： 8 ( 1 ) 起动转矩大，转动惯量小； ( 2 ) 低速平稳性好，转矩波动小； ( 3 ) 体积小、质量轻、噪声低： ( 4 ) 尽可能宽而平滑的调速范围： ( 5 ) 承受过载的能力强，具有较高的可靠性和可控性。 目前E P S 普遍采用的助力电机为永磁电动机。其磁场由永磁体建立，无须励 磁，省去了励磁电路。与电磁式电动机相比，永磁电动机具有结构简单，体积 小，效率高，用铜量少等优点。且永磁体产生的磁场可认为是恒定的，在控制 方案中可以视为常数，故简化了控制方案的设计。此外，与电磁式电动机相比， 其稳定性和可靠性都有提高。由于E P S 系统属于中小功率范围，永磁式电动机可 提供足够的功率，因此本系统采用永磁式直流电动机。乜钉 永磁式直流电动机主要有直流有刷永磁电动机和直流无刷永磁电动机。前 者技术成熟、控制器结构简单、成本低；后者可靠性高，但其控制算法复杂且 价格较高。心郇本课题中所选用的电动机为直流有刷永磁电动机。因电动叉车上 供电电源为4 8 V 蓄电池，故选择助力电动机的额定电压为D C 4 8 V ，额定输出功率 为3 0 0 W 。 2 2 4 电流传感器 电流传感器用于测量电动机电流。常见的电流传感器多为电磁感应式。此 类电流传感器内置永久磁铁。磁阻材料能够根据外部磁场的变化而相应地改变 其阻抗特性，阻抗的变化由与电流方向成一定角度的磁场大小来决定。磁阻材 料采用坡莫合金，其相对的磁阻变化为2 3 。这个高灵敏度和小尺寸的传感 器有一条长且薄的坡莫合金带，合金带组成一个惠斯通电桥，输出与磁场强度 成比例的电压信号。 2 2 5 电磁离合器和减速机构 电磁离合器安装在电动机和减速机构之间，其作用是使电动机和减速机构 快速的结合与分离，即当低速转向时，E C U 输出控制信号启动电动机并使离合 器吸合，从而将电动机的输出转矩经离合器传递到减速机构上。当车速超过预 置车速或系统发生故障时，E C U 输出控制信号断开离合器，使电动机和减速机 构分离，转向系统便从电动助力转向方式切换为机械转向方式，从而保证了转 向系统的安全性。为了提高性能，离合器设计成具有磁滞特性，并可实现无级 离合。电动叉车中电磁离合器也由4 8 V 蓄电池供电，因此本系统使用单片干式 电磁式离合器，其额定电压为D C 4 8 V 。 E P S 的减速机构与电动机相连，起降速增扭作用。减速机构主要有两种形式： 蜗轮蜗杆减速机构和双行星齿轮减速机构。由于减速机构对系统工作性能的影 9 响较大，因此在降低噪声，提高效率和左右转向操作的对称性方面对其提出了较 高的要求。综合考虑助力电机的安装位置和设计实现的难易程度，本系统选用 蜗轮蜗杆减速机构，其优点是结构简单、体积小、成本低、传动平稳、可靠性 高。 2 2 6 电子控制单元( E C U ) 电子控制单元是E P S 控制系统的核心部分，主要由微处理器、与传感器输入 信号相匹配的接口电路、电动机的驱动电路和由场效应管( M O S F E T ) 组成的前置 驱动电路、故障保护电路等组成。其基本工作原理如下：转向时，E C U 根据采集 到的扭矩传感器、车速传感器以及电流传感器发来的信号，根据系统制定的控 制策略判断叉车的转动方向及转向模式( 助力或回正) ，向电机驱动控制单元发 出指令，通过电机驱动芯片使M O S F E T 按一定的占空比导通，使电机按转向盘输 入扭矩的大小和方向产生相应的助力转矩，从而实现叉车助力转向的实时控制。 E P S 控制系统的电子控制单元包括控制系统硬件和控制算法，主要采用单片机或 数字信号处理器D S P 进行控制，有关电子控制单元设计部分将在后面的章节中详 细介绍。 2 3 本章小结 本章介绍了电动叉车E P S 的基本工作原理及其类型，探讨了电动助力转向系 统的总体功能框架并对各组成部分的结构及工作原理进行了具体研究，探讨了 E P S 控制系统对传感器、电动机等的基本要求，并对各组成部分进行了初步选型。 l O 第三章电动叉车E P S 控制系统的控制策略及仿真分析 E P S 系统的基本功能是根据车辆行驶速度和转向盘输入扭矩产生辅助转矩 以实现助力转向。其基本控制过程是：控制器根据转向盘扭矩乃和车速V 并结合 助力特性曲线确定电动机的目标电流I 耐，通过电流的闭环控制算法调节电动 机的电枢电压来控制电动机电流，使电动机输出目标助力转矩T 脚。图3 1 为E P S 系统控制策略框图。 方向盘扭 图3 1E P S 系统控制策略框图 可见，E P S 系统的控制策略主要包括以下两部分：2 7 m 8 3 ( 1 ) 根据扭矩和车速信号确定电动机的目标助力电流： ( 2 ) 跟踪电动机驱动电流，并根据目标电流对其进行实时调整控制，即实现 电流的闭环控制。 3 1 电动叉车E P S 系统目标助力电流的确定 3 1 1 电动叉车E P S 的基本控制模式 根据车辆行驶转向的不同工况要求，E P S 按不同的控制模式进行控制，通常 有三种基本控制模式：助力控制、阻尼控制和回正控制。传感器检测转向盘的 操纵状态，据此切换至各种控制模式。助力控制，即常规控制，是在车辆低速 行驶或静止状态下转向盘转向时，E P S 对转向盘转向提供助力的控制方式。阻尼 控制是在车辆高速行驶时适当增加转向阻力，以实现高速行驶时的“稳重手感” 的控制方式。回正控制在转向盘完成转向后需要快速回轮的过程中应用。回正 控制的目的在于在车辆本身回正力的作用下，适度的提供一个和车辆本身回正 力同方向的力，从而克服电机本身的摩擦，帮助车辆快速回轮。在低速行驶时， 控制策略以助力控制和回正控制为主；在高速行驶时，以阻尼控制为主。n 3 1 ( 1 ) 助力控制。车辆在低速行驶过程中，转向盘进行转向并离开中间位置时 E C U 对电动机进行助力控制。E C U 通过扭矩和车速传感器对输入扭矩及车速信号 进行采集，根据助力特性计算确定电动机的目标电流，与电流传感器检测到的 实际电流比较形成闭环控制，经P I D 控制器调节后输出P W M 信号驱动电机产生合 适的助力转矩，以使转向操纵轻便灵敏。 ( 2 ) 回正控制。由于E P S 中的电动机、减速传动机构等部件具有较大的摩擦 力和惯性力矩，使转向系统回正受阻，甚至回不到中间位置。回正控制可以改 善车辆的回正性能，使其更好地符合车辆的动态特性。当车辆低速行驶转向时， 转向盘转向后回到中间位置附近时，E C U 发出指令使电动机电流迅速减小，从而 使转向轮迅速回正。 ( 3 ) 阻尼控制。车辆在高速行驶时，如果转向过于灵敏，会影响车辆的行驶 稳定性。为提高高速行驶中的稳定性，在死区范围内应进行阻尼控制。阻尼控 制可以衰减车辆高速行驶时出现的转向盘抖动现象，消除转向轮因路面输入而 引起的摆振。其原理即在车辆高速行驶转向时，将电动机绕组短路，其端电压 变为零，电动机将不提供助力，但由于感应电动势的作用，电动机将产生一个 大小与其转速成正