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1 1.51.51.51.5 吨叉车电动助力转向系统电路设计吨叉车电动助力转向系统电路设计吨叉车电动助力转向系统电路设计吨叉车电动助力转向系统电路设计 摘要 电动助力转向系统（EPS，Electronic Power Steering）,其相对于传统的转 向系统或者液压助力转向系统，因为其具有环保、节能灯特点，成为了助力转系 统的必然发展趋势。 本文首先简要介绍电动助力转向系统的研究现状，分析了 EPS 的基本工作原 理，并对助力特性控制做了简单的初步的分析。然后根据 EPS 的控制要求，本文 着重对 EPS 的系统各模块电路进行了比较完善的设计，以及对电路设计中所涉及 到的元器件的选用做了重点介绍。同时完成了 PWM 程序的设计。 关键词：电动助力转向，电路设计，电子控制单元，助力控制，H 桥驱动，PWM TheTheTheThe cirdcuitcirdcuitcirdcuitcirdcuit designdesigndesigndesign forforforfor EPSEPSEPSEPS ofofofof 1.51.51.51.5 tontontonton forkliftforkliftforkliftforklift ABSTRACTABSTRACTABSTRACTABSTRACT Electronicpowersteeringsystemhasadvantagessuchasenergy conservation,enviroment protectioon compared with traditional steering system.It has became a trend. Firstly,this paper briefly described the present status of electronic power steering sysytem,and analyzed the basic working princple,and make a brief analysis about the control strategy for forklift.Then due to the reequest of electronic power stering system,this paper mainly talks about designing the circuit for every module of electronic power stering system.And this paper mainly focus on components related on circuit design.At the same time,this paper finished the design for PWM. Keywords:Keywords:Keywords:Keywords:electrnicpowersteering,circuitdesign,electroniccontrolunit,power control,the bridge drives H,PWM 2 目录目录目录目录 第一章第一章第一章第一章 绪论绪论绪论绪论 1.1 叉车转向系统类型.3 1.2 叉车电动助力转向系统的发展现状及发展方向.3 1.3 EPS 的主要分类.4 1.3.1 转向轴式.4 1.3.2 转向小齿轮式.4 1.3.3 转向齿条式 1.4 EPS 系统的优势.5 第二章第二章第二章第二章 叉车叉车叉车叉车 EPSEPSEPSEPS 系统设计系统设计系统设计系统设计 2.1 电动助力转向系统选型.6 2.2 总体方案确定.6 2.3 电动助力转向系统的工作原理.7 2.4 EPS 助力控制策略.7 第三章第三章第三章第三章 叉车叉车叉车叉车 EPSEPSEPSEPS 系统主要零件选型系统主要零件选型系统主要零件选型系统主要零件选型 3.1 机械类零件选型.10 3.1.1 直流电机选型.10 3.1.2 减速机构选型.11 3.1.3 角位移传感器选型.12 3.1.4 转向轮复位传感器选型.13 3.2 主要控制芯片的选型.14 3.2.1 单片机选型.14 3.2.2 数模 D/A 转换器模数 A/D 转换器.17 3.2.3 场效应管选型.21 3.2.4 场效应管基极驱动选型.23 第四章第四章第四章第四章 叉车叉车叉车叉车 EPSEPSEPSEPS 系统电路设计系统电路设计系统电路设计系统电路设计 4.1 C51 单片机的最小系统电路设计.26 4.2 电源转换电路设计.27 4.3 角度传感器信号和电动机转角信号采集电路.28 4.4 D/A 电路设计.28 4.5 PWM 电路.29 4.6 电机驱动电路设计.30 4.7 电机过电流保护电路.31 第五章第五章第五章第五章 EPSEPSEPSEPS 系统程序设计系统程序设计系统程序设计系统程序设计 5.1 PWM 程序实现及程序.33 5.2 PWM流程图.35 第六章第六章第六章第六章 参考文献参考文献参考文献参考文献 3 第一章第一章第一章第一章 绪论绪论绪论绪论 1.11.11.11.1 叉车转向系统类型叉车转向系统类型叉车转向系统类型叉车转向系统类型 所谓转向系统，顾名思义，是用来改变汽车的转向或者保持汽车的某种状态 不变（如直线行驶、前进、倒退等）的一系列装置，而这种功能的实现都是通过 驾驶员操纵转向机构来完成的。 无论是叉车还是轿车等，现在主流的转向系统主要有两大类，即：机械转向 系统和动力转向系统。对于叉车而言其传统的转向系统即机械转向系统。其主要 是由转向操纵机构、转向器、转向传动机构三大部分组成。由于机械转向系统其 所有传力部件都是机械部件，受外界干扰较小，所以可靠性较高。但是机械传动 部件的动力源是由驾驶员传递的，所以受驾驶员的体力限制，输出的转向力矩较 小，应用范围受到了一定限制。 动力转向系统是在传统的机械转向系统的基础上增设了一系列助力转向的装 置。由于机械转向系统受限于驾驶员的体力，基于此使得助力转向系统得以快速 的发展。 其主要经历了两个阶段， 第一阶段为液压助力转向系统， 即 HPS （Hydraulic Power Steering） ；第二阶段为电控助力转向系统，即 EPS(Electrolic Power Steering)。下面分别对此介绍： （1）HPS（液压助力转向系统） ：对于 HPS 主要分为两大类，即传统的液压助 力转向系统和电控式液压助力转向系统。传统的液压助力转向系统是由发动机驱 动通过皮带传动机构来实现助力的目的，其核心部件是机械液压泵，但是其助力 是不可调的是固定的，它是随着发动机的转速发生变化，在低速时具有很好的助 力效用，但是随着发动机转速的提高，其助力效用会使转向盘越来越灵敏，驾驶 员会丧失手感，无法更好的驾驶；而电控式液压助力转向系统则是在传统的液压 助力转向系统的基础上加设了车速感应模块，进而使得助力可控，实现在低速时 提供的助力力矩大而在高速时提供的助力力矩小的效果。所以综合起来说，不管 是传统的液压助力转向系统还是电控液压助力转向系统，相对于机械助力转向系 统其操纵灵活轻便工作无噪声，尺寸小，但是耗能比较厉害，最主要的不环保， 存在油液泄露问题，维修起来也比较麻烦，还有就是效率低路感低。 （2）EPS(电控助力转向系统)：电控助力转向系统实际上电控液压助力转向 系统的的改良，虽然电控液压助力转向系统实现了助力可控，但是其结构过于复 杂所以注定会被摈弃。电控助力转向系统其助力是由电动机提供的，而其助力大 小的调节和控制则是通过控制模块来实现的。相对于 HPS,EPS 助力性能优、效率 高、耗能少、路感好、环保、可独立于发动机工作、装配性好且易于布置,所以该 系统一出现就成为了各汽车公司的首选。 1.21.21.21.2 叉车电动助力转向系统的发展现状及发展方向叉车电动助力转向系统的发展现状及发展方向叉车电动助力转向系统的发展现状及发展方向叉车电动助力转向系统的发展现状及发展方向 随着汽车技术的发展以及人们逐渐追求安全、轻便、舒适的驾驶环境的心理， 使得汽车转向系统由普通转向系统向动力转向系统发展。动力转向装置主要有气 动液动助力转向和电动助力转向，其中电动助力转向因为具有装置(EPS)轻便、 简单、节能、清洁等优点，倍受人们青睐。逐渐有取代其它助力方式的趋势。所 以为解决国产电动叉车转向功能普遍采用液压助力转向系统而带来易漏油、结构 复杂等问题，将电动助力转向(EPS)技术引入叉车转向系统设计中已经成为必然。 2000 年左右，德国 Jungheinrich 公司在推出的前移式叉车产品上，率先装备 4 了 EPS 系统。近 10 年来，随着叉车 EPS 电控、高效永磁电机或交流电机，大速比、 小尺寸减速箱技术的成熟以及成本的下降，更多品种的电叉装备了 EPS 系统，如 三支点、四支点平衡重式电叉、托盘堆垛车、托盘搬运车、拣选车、牵引车。在 国际市场上，2007 年以后欧洲和日本公司推出的新产品，70以上装备 EPS 系统， 而国内还处于研究初期，极少有国内公司生产装备 EPS 系统的电叉。现代叉车普 遍采用电气动力转向(EPS)和电气液压动力转向(EHPS)，这也是国际叉车发展趋势 之一。 为解决国产电动叉车转向功能普遍采用液压助力转向系统而带来易漏油、结 构复杂等问题，随着仓储设备、前移式叉车、三支点叉车越来越广泛的应用，叉 车上使用 EPS 助力转向将会越来越普遍，并有逐步替代传统液压助力转向的趋势。 1.31.31.31.3 EPSEPSEPSEPS 的主要分类的主要分类的主要分类的主要分类 1.3.11.3.11.3.11.3.1 转向轴助力式转向轴助力式转向轴助力式转向轴助力式 图 1.1 转向轴助力式 EPS 转向助力式电控助力转向系统， 顾名思义， 其助力转向部分安装在转向轴管上， 即电机和减速装置安装在转向轴管上，因此助力力矩需要通过减速机构和传动机 构才能传到转向轴上，所以其助力矩较少，而且这种主力方式的安装也较方便， 所以普遍适用于小型汽车上。 1.3.21.3.21.3.21.3.2 转向小齿轮助力式转向小齿轮助力式转向小齿轮助力式转向小齿轮助力式 图 1.2 转向小齿轮式 EPS 其实 EPS 的分类是安装助力转向部分的不同安装位置来分类的。转向小齿轮助 力式电控助力转向系统其电机和减速装置安装在转向系齿轮上，由于直接安装于 转向小齿轮上，所以这种助力方式提供的助力力矩很大，所以使用于需要较大助 力的大中型车上，但是安装起来比较复杂。 1.3.31.3.31.3.31.3.3 转向齿条助力式转向齿条助力式转向齿条助力式转向齿条助力式 5 图 1.3 转向齿条助力式 EPS 转向齿条助力式电控助力转向系统其电机和减速装置安装在齿条外侧。这种助 力方式由于直接将助力提供于转向齿条，所以能提供的助力很大，所以一般应用 于较大型的车上。但是这种助力方式结构复杂安装起来也比较困难。 1.41.41.41.4 EPSEPSEPSEPS 系统的优势系统的优势系统的优势系统的优势 由于电动助力转向系统综合了电子电力技术、 现代控制技术和机电一体化等技 术，相较于机械转向系统和液压助力转向系统有如下优势： （1）高效节能且更加舒适环保。首先，EPS 相对于传统的机械转向系统，由于 可以通过电机来提供助力，这就从根本上解决了驾驶员由于体力限制而使得其应 用范围受限的这一问题，相对来来说驾驶员能够更自由的更大范围的驾驶它，使 用起来会更加的舒适。而相对于液压助力转向系统，电控助力转向系统不但摈弃 了一系列笨重的液压助力装置包括液压泵、皮带传动装置以及一些液压油管路等， 而且他是采用蓄电池作为电源，只在需要助力的时候才向电机提供能量，而不像 液压助力转向系统，其是发动机驱动液压泵提供液压油再通过转向控制阀控制液 压油以此来提供助力的。所以相对与电控助力转向系统，液压助力转向系统只要 发动机在转动，其液压泵通过皮带的传动就会一直转动，即使系统不需要提供助 力，所以这样就会造成极大的能量浪费。所以相对与液压助力转向系统而言，电 控助力转向系统在各种行驶状况下均可节能 80%到 90%。另外相对于液压助力转向 系统，电控助力转向系统不存在液压油泄漏等问题，而且液压软管不可回收，对 环境污染很大，而电控助力转向系统是采用电力作为能源，不存在这些问题，所 以更加环保。 （2）助力性能优越。助力提供多少，什么时候提供助力，对于 EPS 来说都是 可控的。EPS 根据车速传感器、转矩传感器等信号来通过软硬件控制得到相应转速 和转矩下相应的助力矩，进而控制电机做出相应的动作。 （3）重量减轻、结构简化。相对于 HPS，EPS 由于摈弃了笨重的一系列的液 压助力装置，零件数量大大减少，结构也变得更简单，零件数量减少重量自然就 变得更轻，且其占用空间少，布置方便。 （4）改善了回正特性。所谓回正特性就是指当转向盘转过一个角度后恢复到 直线行驶的能力。对于传统的液压动力转向系统，其一旦设计完成，回正性能就 已经确定。而电控助力转向系统可以对该回正过程进行控制，可以通过控制模块 可以使回正特性最佳化。 （5）应用范围广。EPS 基本上可以适用于各种车辆，对于电动车辆更是适用。 6 第二章第二章第二章第二章 叉车叉车叉车叉车 EPSEPSEPSEPS 系统设计系统设计系统设计系统设计 2.12.12.12.1 电动助力转向系统选型电动助力转向系统选型电动助力转向系统选型电动助力转向系统选型 如上所述，叉车的电动助力转向系统主要有转向轴助力式、转向小齿轮助力式 和转向齿条助力式三种。对于本次设计我主要采用转向轴助力式电动助力转向系 统，由于叉车本身对转向助力力矩要求不是很高，而且出于经济的考虑，转向轴 助力式安装简便，成本也较低，所以选择转向轴助力式更合理。 2.22.22.22.2 总体方案确定总体方案确定总体方案确定总体方案确定 转矩传感器转矩传感器 电压信号电压信号 模数转换模数转换 A/DA/DA/DA/D 转矩信号转矩信号 电机控制电机控制 单元单元 （单片机）（单片机） ECUECUECUECU 车速传感器车速传感器 车速信号车速信号 数数 字字 信信 数模转换数模转换 电路电路 D/AD/AD/AD/A 控制信号控制信号 控制控制 电路电路 模拟信号模拟信号 驱动驱动 电路电路 驱动信号驱动信号 助力助力 电机电机 7 电动助力转向系统其助力功能的实现主要是通过控制助力电机来实现。对于 每一种叉车来说，电机型号也不尽相同。本文采用的电机为永磁无刷直流电动机， 电机控制单元采用微处理器 STC89C51 单片机作为控制核心，控制系统的基本结构 如上图所示。 系统的基本工作过程如下： 电机控制单元通过通过扭矩传感器和车速传感器输 入的信号和助力策略进而进行综合判断，计算出所需要的目标助力电流，再通过 驱动电路驱动电机输出相应的助力扭矩。在驱动电路中安装有电流传感器，以便 于同时是实现电机的闭环控制和过电流保护，如果电流过大，控制器发出故障信 号，通过控制继电器切断电源。 2.32.32.32.3 电动助力转向系统的工作原理电动助力转向系统的工作原理电动助力转向系统的工作原理电动助力转向系统的工作原理 图 2.1 电动助力转向系统机构示意图 工作原理里如下：当点火开关闭合后，需要转弯时，驾驶员转动转向盘，安 装于转向轴处的扭矩传感器就会检测采集转向盘的扭矩和转向并通过模数转换器 转换为电信号传递给电机控制单元 89C51， 该电机控制单元根据该信号以及此前测 得的车速信号，并按照转向控制策略以及助力模型，计算出所需的助力电流的大 小和方向，通过数模转换电路转换成控制信号再通过控制电路及 H 桥电路驱动助 力电机，再通过驱动小齿轮将所需的助力传递到转向传动机构，通过转向传动机 构来实现助力转向。另外安装于驱动电路处的电流传感器会采集电动机的电流， 如果于目标电流不符时，则会通过 PID 控制算法（对于 PID 控制算法本文不做研 究）调整到目标电流。当然如果系统过流或者是出现故障时，电机控制单元发出 故障信号，通过控制继电器切断电源。 2.42.42.42.4 EPSEPSEPSEPS 助力控制策略助力控制策略助力控制策略助力控制策略 所谓的助力特性，其实就是指在不同的车速下，不同的路况下等各种不同的 运行状况输出最佳的助力力矩特性。一般助力特性曲线是由电动机电流、转向盘 转矩和车速三者之间的变化关系来表示的，因为电动机的输出转矩和其电流成正 比。所以本质上来讲助力控制就是对电动机电流的控制。由于汽车行驶状况的不 同，其控制算法亦不同，主要包括以下四大功能模块： （1）基本助力控制 基本助力控制对于整个电动助力转向系统来说就相当于一个人的骨架，一个 合理的基本助力控制算法能过让驾驶员获得良好的路感和手感，同时其舒适度也 8 会得到相应的提升。一般情况下，在汽车低速行驶时，驾驶员应输出较大的手力， 以使转向轻便；当汽车高速行驶时，驾驶员所需输出的手力较小，以便获得充分 的路感。基于此，一个合理的助力转向系统应该尽可能地满足驾驶员的这一习惯， 所以一般的助力曲线如图 2.2 所示，该曲线图主要分为三个区域：无助力的转向 扭矩区、主力变化的转向扭矩区和助力恒定的转向扭矩区。相对来说，这是一个 理想的助力特性曲线，所以该助力模型提供了很好的助力特性，但是建立如此庞 大的助力曲线簇，其需要的理想的转向盘扭矩数据信息无疑是相当庞大的，其需 要的计算时间就会剧增，这样一来就会大幅度的降低 EPS 的灵敏性，所以目前来 说并不适用。对于叉车来说，其行驶速度较低，一般都在 15km/h 以下。所以可以 简化系统，用一条直线来代替曲线，所以可将该助力特性曲面简化成直线型助力 特性曲线，如图 2.3 所示直线型助力实现相对简单，而且直线型的助力特性其计 算方法亦可简化，参数容易调整，同时也容易获得理想助力特性。 图 2.2 曲线型助力特性 图 2.3 直线型助力特性 （2）补偿控制 通常情况下，对于 EPS 系统，我们需要将碳刷与换向器的接触面积做的比较 大，这样就可以增加磁通密度，进而减少电阻，这样就可以提高电机的输出功率。 但是同时也引发一个问题，由于接触面积的增加，其必然会增加电机的摩擦力矩 和转动惯量。如此一来就会严重影响到轮胎的回正，同时使转向有滞碍，助力控 制失效等问题产生，所以为了解决上述问题，在 EPS 系统中常常引入补偿控制。 其实补偿控制是一种修正控制算法，是基本助力控制的基础上附加的一种对电机 输出力矩的修正。 电机惯量和摩擦力的大小及电机速度和加速度的变化和转动方 向变化是对补偿力矩的主要影响因素，但是当电机选型确定后，其惯量、摩擦力 就已经确定是常量，所以补偿力矩的大小往往取决于电机的转速、转动加速度和 转向，理论上比较合理的补偿函数经常采用 Tc=K1.w1+K2.w+K3.sin(w)2-1 式中，K1、K2、K3分别为电机惯量、电机阻尼、电机摩擦系数； w1、w 分别为电机转动加速度和电机转速； TC表示电机补偿力矩； Sin(w)表示电机转动方向。 （3）回正和阻尼控制 车辆在行驶过程中由于有摩擦力矩的损失，而且系统还存在间隙以及有些构 9 件存在弹性，所以可能造成回正力矩小于总的摩擦损失力矩，转向盘就不能完全 回正，车辆可能会跑偏。尤其是汽车低速行驶过程中这一问题尤其显著，由于轮 胎与地面之间摩擦很大再加上轮胎本身的阻尼特性以及本身系统中存在的摩擦、 阻尼就会使转向盘无法及时回正，造成残留转向摆角、无法直线行驶等问题；另 外当汽车转速过高时，就会产生回正过度，有时候会严重影响汽车行驶的稳定性。 所以综上所述进行回正和阻尼控制是非常有必要的。一般情况下都是让电动机绕 组发生短路，产生反响转矩进而达到阻尼控制的目的。回正和阻尼力矩主要是由 转向盘的转角和转速决定，所以引入一下补偿控制算法： Trd= K4a+K5a.dt + K62-2 式中 K4、K5、K6为控制其参数； a、表示为转速和转角加速度； 积分用来控制产生回正力矩，微分控制产生阻尼力矩。 （4）电机最大电流控制 在很多电子器件中,其温度会随着电流的增加而升高，如果对电流不加以控 制的话，该器件可能因为电流过高而损毁。所以对于电机这个电子器件也是一样， 必须对该电机的最大电流予以控制。如图 2.4 所示，电机温度越高，其允许通过 的最大电流越小。工作温度与电流两者之间的关系是一种非线性关系。 图 2.4 电机最大电流控制 10 第三章第三章第三章第三章 叉车叉车叉车叉车 EPSEPSEPSEPS 系统主要零件选型系统主要零件选型系统主要零件选型系统主要零件选型 3.13.13.13.1 机械类零件选型机械类零件选型机械类零件选型机械类零件选型 3.1.13.1.13.1.13.1.1 直流电机选型直流电机选型直流电机选型直流电机选型 电机是把电能转换为机械能的装置，所以助力电机的作用就是在叉车转向时 电机控制单元根据不同路况控制电机输出最佳助力，而这助力是电机通电后将电 能通过一系列机械装置转化为机械能，以此来帮助驾驶员更好的转向。由于叉车 EPS 是通过蓄电池供电，蓄电池提供的是直流电源，所以选择直流电机比较合适。 另外叉车的 EPS 控制系统要求在叉车不同的运行状态下提供最佳的助力力矩，所 以作为叉车助力转向的动力源，该直流电机应该具有如下要求： （1）调速范围较广； （2）启动时具有较大的转动力矩，运行时转动惯量较小； （3）尺寸较小，即体积要求较小，这样可以节省空间； （4）噪声低，震动也较低； （5）过载能力强，可靠性高； 所以对于叉车 EPS 来说，现在普遍采用永磁直流电机，永磁直流电机相对于 电磁直流电机来说，结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、噪音小、振动小、 损耗小、效率高。此外对于叉车 EPS 来说，属于中小功率的范畴，而永磁直流电 机可以提供足够的功率。本文采用永磁无刷直流电机，永磁无刷直流电机结构简 单， 电机免维护， 寿命长， 稳定可靠。 所选电机信号为： FBL-92K10061RS。 如图 3.1 所示： 图 3.1 永磁无刷直流电机外形图 电机性能参数： 电机型 号 额定电 压 （VDC） 额定 输出 功率 （W） 额定转 速 （RPM） 额定转 矩 （N.m） 最大转 矩 （N.m） 定位转 矩 （N.m） 额定电 流 （A） 最大 电流 （A） 极 对 数 FBL-92K 10061RS 121006001.593.180.02010.42 20.8 3 4 电机外形尺寸： 11 DEFGKN 123049.52783h7 RTYM4-SX 122901044-787.5 3.1.23.1.23.1.23.1.2 减速机构选型减速机构选型减速机构选型减速机构选型 减速机构的主要功能就是“减速增扭” ，其有一个放大功能，可以将通过电 动机输出轴输出的扭矩通过该机构进行放大，然后作用于转向输出轴。常用的减 速机构有：涡轮蜗杆减速机构、内啮合圆柱齿轮减速机构、外啮合圆柱齿轮减速 机构、滚珠螺杆螺母减速机构、星型齿轮减速机构等。 圆柱齿轮啮合减速机构刚度大、传动可靠，但是尺寸过大，安装不便，所 以一般的 EPS 系统不采用这种方式作为减速机构。 滚珠螺杆螺母减速机构其实通过滚珠丝杆副将旋转运动转化为直线运动或 者逆向将直线运动转化为旋转运动，其传动效率较高，可高达 85%到 90%，灵敏度 也高，但是安装复杂，滚珠易受损。 星型齿轮减速机其尺寸小、传动比大而且传动可逆，但是单级传动比较小。 涡轮蜗杆减速机构可实现大传动比，而且体积小，传动平稳，结构简单， 所以本文选用的减速机构是涡轮蜗杆减速机构，如图 3.2 所示： 图 3.2 涡轮减速电机 减速器外形尺寸： 12 图3.3 减速器外形尺寸 3.1.33.1.33.1.33.1.3 角位移传感器选型角位移传感器选型角位移传感器选型角位移传感器选型 角位移传感器安装于扭杆，当驾驶员转动方向盘时，方向盘将驾驶员的 扭矩传递于扭杆，此时相连于扭杆的角位移传感器检测到相应的角位移，并且将 此信号传给助力控制模块，助力控制模块经计算后，输出相应的信号驱动电机转 动输出相应状态下最佳助力。并通过传动机构驱动叉车车轮转向。本文中采用的 是非接触式传感器，对于非接触式角位移传感器，其主要是通过测量磁场方向的 改变来确定角位移的变化。转轴上的磁铁会随着转轴的旋转而导致磁场方向的改 变，传感器相应的电路会捕获磁场方向的变化，并将其转化为相对应的角度信号 以模拟量输出。本文采用的是 WDA 型角度传感器。其型号为 WDA-BA-V-360。其采 用高性能的集成磁敏感元件利用磁信号感应非接触的特点，配合微处理器进行智 能化信号处理制成的新一代 360全量程以及可编程选定测量区间角度传感器。该 产品相对于其他角位移传感器主要有以下优点： （1）噪音小震动也小，舒适度较高； （2）无触点，减少了触点摩擦等，寿命较高； （3）灵敏度高，性能稳定； （4）环境适应性较高，几乎可以适用于各种恶劣工业使用环境下，可用于水、 油、汽、高低温、震动较强烈等环境下； （5）可 360绝对测量，性能优越； 所选产品如图 3.4 所示： 图 3.4 WDA 型角度传感器 安装尺寸图： 13 图 3.5 WDA 型角度传感器安装尺寸图 性能参数图： 图 3.6 WDA 型角度传感器性能参数图 3.1.43.1.43.1.43.1.4 转向轮复位传感器选型转向轮复位传感器选型转向轮复位传感器选型转向轮复位传感器选型 在每次启动叉车时，都要对叉车转向轮进行复位，如果转向轮在上一次没有 复位然后直接转向的话，就会可能出现严重跑偏现象，所以转向轮的复位是必须 的。本文采用光电开关来复位。光电传感器是采用光电原件作为检测元件的传感 器。它首先把被测量量的变化转化为光信号的变化再通过一系列的光电原件转化 为电信号的变化。光电开关作为一种接近开关，其为非接触式检测，这样子就会 避免机械碰撞和磨损，而且其动作迅速，性能稳定，寿命长。其主要原理如下图 所示：在转向轮上设有复位标记，该标记是可读标记，当光电传感器检测到该标 记后，会想电控单元反馈相应信号，进而确定该转向轮已经复位。在本文中所选 的光电传感器为高性能光电传感器，检测距离为 8mm，为直接反射型，如图 3.8 所 14 示。 图 3.7 光电式传感器复位原理 图 3.8 光电传感器 3.23.23.23.2 主要控制芯片的选型主要控制芯片的选型主要控制芯片的选型主要控制芯片的选型 3.2.13.2.13.2.13.2.1 单片机选型单片机选型单片机选型单片机选型 单片机是整个系统的灵魂，其实整个 EPS 系统都是围绕着单片机在工作， 简 单来讲 EPS 系统就是一些外围电路不断检测传感器将结果反馈给单片机，单片机 不停地进行计算输出控制指令，完成相应的工作。本文中选用的单片机是 STC89C51，该单片机是宏晶科技推出的新一代的单片机，具有抗干扰、高速、低 功耗等优点，片内含有 Flash 程序存储器、SRAM、UART、SPI、AD、PWM 等模块， 该单片机与传统 8051 单片机完全兼容。 图 3.9 STC89C51 单片机 （一）该单片机主要有如下特点： （1）CPU 为 8 位； （2）片内带振荡器，频率范围为 1.212MHz； （3）片内带 128 字节的数据存储器； （RAM） （4）片内带 4KB 的 Flash 程序存储器； （ROM） 15 （5）程序存储器的寻址空间为 64KB； （需要扩展 ROM） （6）片外数据存储器的寻址空间为 64KB； （需要扩展 RAM） （7）128 位（16 字节）用户位寻址空间； （在 128 个字节中） （8）18 个字节特殊功能寄存器 SFR； （9）4 个 8 位的并行 I/O 接口：P0、P1、P2、P3； （10）2 个 16 位定时器/计数器 T0、T1； （MCS-52 子系列为 3 个，T2） （11）2 个优先级别的 5 个中断源； （高、低 2 个） （12）1 个全双工的串行 I/O 接口，可多机通信； （13）片内采用单总线结构； （14）有较强的位处理能力； （二）该单片机的基本结构组成 图 3.10 STC89C51 基本结构组 成 （三）单片机的各引脚功能说明 图 3.11 STC89C51 单片机 引脚图 STC89C51 与 51 系列中各种型号芯片的引脚互相兼容。目前多采用 40 只引 16 脚双列直插，如图 2-2 所示。 引脚按其功能可分为如下 3 类： 电源及时钟引脚VCC、VSS；XTAL1、XTAL2； 控制引脚 /RST VPD、/ALE PROG、PSEN、和/EA VPP； I/O 口引脚P0、P1、P2、P3，为 4 个 8 位 I/O 口。 1.1. 电源引脚电源引脚 VSS（20 脚） ：接地，0V 参考点。 VCC（40 脚） ：5V 电源。 【提供掉电、空闲、正常工作电压】 2 2外接晶体引脚外接晶体引脚 XTAL1（19 脚） ：接外部晶体振荡器的一端。当使用芯片内部时钟时，此脚用于 外接石英晶体振荡器和微调电容；当使用外部时钟时，对于 HMOS 单片机，此引脚 接地；对于 CMOS 单片机，此引脚作为外部振荡信号的输入端。 XTAL2（18 脚） ：接外部晶体振荡器的另一端，当使用芯片内部时钟时，此脚用 于外接石英晶体振荡器和微调电容。当使用外部时钟时，对于 HMOS 单片机，此引 脚接外部振荡源；对于 CMOS 单片机，此引脚悬空不接。 图 3.12 晶振图 89C51 晶体振荡器频率可在 6MHZ40MHZ 之间选择，常选 6MHz 或 12MHz 的石 英晶体。电容的值没有严格要求，但其取值对振荡器的频率输出的稳定性、大小、 振荡电路起振速度稍有影响，C1、C2 可在 20pF100pF 之间选择。当外接晶体振荡 器时，电容可选 30pF10pF；外接陶瓷振荡器时，电容可选 40pF10pF。 3.3. 控制信号或与其它电源复用引脚控制信号或与其它电源复用引脚 （1） /RST VPD（9 脚） ：复位端。当输入的复位信号持续 2 个以上机器周期（12 个晶体振荡周期）高电平即为有效，用于完成单片机的复位初始化操作。正常工 作时，此脚电平应 0.5V。 在 VCC 发生故障、降低到电平规定值掉电期间，此引脚可接备用电源 VPD（电 源范围 5V0.5V） ，由 VPD 向内部 RAM 供电，以保持内部 RAM 中的数据。 （2） /ALE PROG（30 脚） ：地址锁存使能。 ALE（Address Latch Enable） ；PROG（Program） /ALE PROG为 CPU 访问外部程序存储器或外部数据存储器提供地址锁存信 17 号，将低 8 位地址锁存在片外的地址锁存器中。 /ALE PROG引脚第二功能，对片内 Flash 编程，为编程脉冲输入端。 （3）PSEN（29 脚） ： （Programmer Saving ENable） ，外部程序存储器读选通 信号。 在读外部程序存储器时有效（低电平） ，以实现外部程序存储器单元的读操作。 在访问外部数据存储器、访问内部程序存储器时PSEN无效。 （4） /EA VPP（31 脚） ： （Enable Address/Voltage Pulse of Programming） 访问程序存储控制信号。 当 /EA VPP“0”时，表示读外部程序存储器。 只读取外部的程序存储器中的内容， 读取的地址范围为 0000HFFFFH （64KB）， 片内的 4KB Flash 程序存储器不起作用。 当 /EA VPP“1”时，表示对程序存储器的读操作是从内部程序存储器开始， 并可延至外部程序存储器。 在 PC 值不超出 0FFFH（即不超出片内 4KB Flash 存储器的地址范围）时，单 片机读片内程序存储器（4KB）中的程序，但当 PC 值超出 0FFFH （即超出片内 4KB Flash 地址范围）时，将自动转向读取片外 60KB（1000H-FFFFH）程序存储器空间 中的程序。 对于 EPROM（或 FLASH）型单片机，在 EPROM 编程期间，此引脚需加 12.75V 或 21V 的编程电压。 3.2.23.2.23.2.23.2.2 数模数模数模数模 D/AD/AD/AD/A 转换器和模数转换器和模数转换器和模数转换器和模数 A/DA/DA/DA/D 转换器转换器转换器转换器 （一）数模数模 D/AD/A 转换器转换器 一般从单片机 I/O 口输出的为数字信号，是没办法驱动功率件运动的，必 须通过 D/A 转换器将数字信号转化为模拟信号；另外单片机几乎没有驱动能力， 所以单片机通过 D/A 转换器转化的模拟信号并不是很大，一般在 D/A 转换器后都 会加上一个运算放大器将电流放大后驱动后继电路。本文选用的 D/A 转换器是 DAC0832，DAC0832 是一个 8 位分辨率的 D/A 转换器，其内部有 8 位输入锁存器、 8 位 DAC 寄存器、 8 位 D/A 转换器和一些控制门电路。 之所以选用 DAC0832 作为 D/A 转换器，主要是因为 DAC0832 具有 8 位并行、速度较快（中速） 、价格低廉等优点。 DAC0832 芯片具有 20 个引脚，为双列直插式，如图 3.13 所示： 图 3.13 DAC0832 芯片 （1）内部结构 18 图 3.14 DAC0832 芯片内部结构 （2）引脚排列，共 20 个引脚 图 3.15 DAC0832 芯片引脚排列 （3）各引脚功能说明 Vcc芯片电源电压输入端,+5V+15V； VREF参考电压输入端,-10V+10V ； Rfb反馈电阻引出端, 此端可接运算放大器输出端； AGND模拟信号地； DGND数字信号地； DI7 DI0数字量输入信号； 其中:DI0 为最低位，DI7 为最高位 ILE输入锁存允许信号, 高电平有效； CS片选信号, 低电平有效； WR1输入锁存器写选通控制端。 输入锁存器能否锁存输入数据， 由 ILE、 CS、 WR1 共同决定当 ILE、 CS、 WR1同时有效时, LE=1，输入寄存器的输出随输入而变化 WR1 由低电平转为高电平时, LE=0， 将输入数据锁存到输入寄存器； 19 XFER转移控制信号，低电平有效； WR2DAC 寄存器写选通控制端，写信号 2，低电平有效。当 XFER、 WR2同时有效 时, LE2=1 DAC 寄存器输出随输入而变化； WR1由低电平转为高电平时, LE=0， 将输入数据 锁存到 DAC 寄存器，数据进入 D/A 转换器，开始 D/A 转换； IOUT1模拟电流输出端 1 当输入数字为全”1”时, 输出电流最大，约为： 255VREF/256RFB全”0”时, 输出电流为 0； IOUT2 模拟电流输出端 2 ； IOUT1 + I OUT2 = 常数； 20 （二）（二）模数模数 A/DA/D 转换器转换器 在叉车的电动助力转向系统中，对转向盘扭矩大小的检测相当重要，而本 文中主要是通过安装于扭杆处的角位移传感器检测到相应角位移，然后通过控制 模块计算出相应助力，但是角位移传感器检测到的是模拟信号是没办法将该信号 传递给控制模块的，是需要通过模数 A/D 转换器转换来传递给控制模块。所以本 文中选用的模数 A/D 转换器是 ADC0809。 （1）内部结构 ADC0809是一个8为A/D转换器， 其内部结构图如图3.16所示。 ADC0809 主要由 8 路模拟量开关、地址锁存与译码器、8 位 A/D 转换器和三态门输出锁存器 等部分组成。 图 3.16 内部结构图 （2）外部引脚图 图 3.17 外部引脚图 （3）各引脚功能介绍 IN0IN7IN0IN7:8 路模拟量输入端口 D0D7D0D7：8 路数字量输出端口 STARTSTART:A/D 转换器启动控制端 ADDAADDA、ADDBADDB、ADDCADDC：8 路模拟量开关地址选通控制端，三端输入控制通道选 择，如下表所示： ADDCADDBADDA选择通道 000IN0 001IN1 010IN2 21 011IN3 100IN4 101IN5 110IN6 111IN7 ALEALE:地址锁存控制端。当该端为高电平时，将 ADDA、ADDB、ADDC 端的地址选通信 号送入地址锁存器，并译码得到地址输出去 8 路模拟量开关，选择相应通道的模 拟量输入。 EOCEOC:转换结束信号输出端。在 A/D 转换时，EOC 为低电平，转换结束后，EOC 变为 高电平，据此可以知道 A/D 转换器的状态。 OEOE:输出允许控制端。当 OE 由低变高时，打开三态输出锁存器，锁存的数字量会 从 D0D7 端送出。 CLKCLK：时钟信号输入端。该端输入的时钟信号控制 A/D 转换器转换速度，它的频率 范围为 101280kHz。 V Vref ref(+) (+)、V Vref ref(-) (-)：参考电压输入端。 VccVcc:电源 GNDGND:接地 3.2.33.2.33.2.33.2.3 场效应管选型场效应管选型场效应管选型场效应管选型 STC89C51 作为整个 EPS 系统的控制机构，虽有控制之能，却去驱动之力。 单片机的驱动能力一般很差，所以在该 EPS 系统中对电机的驱动必须有其他专有 的驱动电路来驱动，而当下比较流行的电机驱动电路一般都是 H 桥驱动电路，所 谓的“H 桥驱动电路”因其形状酷似大写字母 H。而要实现电机的正反转等控制就 必须精准的控制各个桥臂的通断，而常见的 H 桥电路主要有两种：双极型晶体管 式和 MOS 管式，分别如图 3.18 和图 3.19 所示。 图 3.18 双极性晶体管 H 桥电路图 3.19 MOS 管式 H 桥电路 双极性晶体管本身作为半导体其有导通电阻，所以在通电时会明显发热造 成能源浪费，而且如果没有及时散热可能会导致半导体器件被烧毁。而相对于双 极性晶体管，MOS 管由于本身的原理和构造的不同，其导通电阻远远低于普通的三 极管，一方面减少了能源损耗，另一外面允许更大电流通过，从而增强其驱动能 力，而 MOS 管一般都内置二极管以防止静电效应、电感等造成 MOS 管的损害，进 而挺高效率。 基于此本文采用四个相同的 N 沟道的 IRFP250N 功率管构成 H 桥驱动电路， 22 如图 图 3.20 IRFP250N 功率管 （一）IRFP25ON功率管为N沟道的增强型MOS管， 其基本结构和基本参数如图3.21 图 3.21 IRFP25ON 功率管基本结构和基本参数图 （二）IRFP250N 的基本工作原理 图 3.22 IRFP250N 工作原理图 （1）其实对于N沟道型MOS管来说，栅源电压uGS其主控作用其通过调节uGS进而控制 整个MOS管的导通与截止 a、当UGS= =0V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，所以即使在在d、s之间 加上电压也无法形成电流，此时MOS管截止； b、当UGS0V时，由于纵向电场的作用将靠近栅极下方的空穴向下排斥，如 果继续增加UGS就会使纵向电场增加，这样一来P区少量电子聚集到P区表面进而形 成导电沟道，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流id。 （2）N沟道增强型MOS管的基本特性： UGSUT，管子截止;UGSUT，管子导通。UGS越大，沟道越宽，在相同的漏源 电压UDS作用下，漏极电流ID越大（开启电压（UT）沟道刚刚形成时栅源电压 UGS） 。 (3)转移特性曲线：iD=f(UGS)|uDS=const; 由此可根据输出特性曲线作出移特性曲线。 23 图 3.23 输出特性曲线图图 3.24 传输特性曲线图 （3）一个重要参数跨导gm：gm=iD/uGS|uDS=const (单位mS) gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制能力的强弱;在传输特性曲线上， gm为的曲线的斜率;在输出特性曲线上也可求出gm。对于本文中选用的IRFP250N功 率管，其（gm）min=17。 3.2.43.2.43.2.43.2.4 场效应管基极驱动芯片选型场效应管基极驱动芯片选型场效应管基极驱动芯片选型场效应管基极驱动芯片选型 EPS 系统对电机的驱动都采用 H 桥电路，但是要实现电机的正反转等功能， 必须精准的控