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福建农林大学硕士学位论文 k e f 2 5 交流电动叉车中央控制系统研制 摘要 近年来，物流业随着经济的发展而加速发展，电动叉车的普及率越来越高，但是事故率 也越来越高。因此，电动叉车如何安全工作便成为社会关注的主要问题。电动叉车安全工作 的关键在于中央控制系统的稳定性。如何提高中央控制系统的稳定性成为各电动叉车生产商 面临的首要问题。 本控制微处理器采用最新推出的数字信号处理器( d s p ) t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片，设计出 基于d s p 技术的电动叉车中央控制系统。分析了影响电动叉车纵向稳定性和横向稳定性的 主要因素。根据运动学、力学和几何关系，推导出电动车工作时的临界状态公式，通过软、 硬件相结合方式来控制电动叉车的稳定性，以保证电动叉车工作时的稳定性。 首先，本文从电动叉车的发展意义和发展趋势介绍了本课题的研究意义和研究内容；其 次，根据电动叉车的运行工况和使用要求，分析影响电动叉车的稳定性因素，总结出电动叉 车各部分的控制要求；再次，根据电动叉车安全工作时须保证的操作要求、通信要求、差速 要求和稳定性要求进行硬件、软件设计，以满足电动叉车工作时的安全性和稳定性；最后， 对软、硬件设计进行模拟调试和现场调试，通过分析、比较实验数据，验证了本中央控制系 统符合电动叉车工作状态的控制要求，满足了电动叉车工作时的快、准、稳等要求。本课题 整个电动叉车中央控制系统采用模块化设计，方便于修改、调试、测试各部分以实现各自的 控制功能。 关键词：电动叉车：中央控制系统；稳定性； 福建农林大学硕士学位论文k e f 2 5 交流电动叉车中央控制系统研制 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f l o g i s t i c s e l e c t r i cf o r k l i f t sb e c o m e m o r ea n dm o r ew i d e s p r e a d w h i l et h er a t eo fa c c i d e n tb e c o m e sh i g h e ri nr e c e n ty e a r s a sar e s u l t h o wc a ne l e c t r i cf o r k l i f t s o p e r a t es a f e rt u r n so u tt ob eam a i np r o b l e mo ft h es o c i e t y t h ef o c a lp o i ml i e si nt h es t a b i l i t yo f c e n t r a lc o n t r o ls y s t e mw h e nt h ee l e c t r i cf o r k l i f t sw o r k s t h ec h i e fp r o b l e mw h i c ht h ee l e c t r i c f o r k l i f t sp r o d u c e r sf a c ei sh o wt oi m p r o v et h es t a b i l i t yo fc e n t r a lc o n t r o ls y s t e m t h ec o n t r o lm i c r o p r o c e s s o ra d o p t st h en e w e s t ( d s p ) t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7c h i p ，t h e nac e n t r a l c o n t r o ls y s t e mo fe l e c t r i cf o r k l i f t si sd e s i g n e db a s e do nd s pt e c h n o l o g y t h ea u t h o ra n a l y s i z e st h e m a i nf a c t o r sa f f e c t i n gv e r t i c a la n dl a t e r a ls t a b i l i t yo fe l e c t r i cf o r k l i f t st r u c k s a c c o r d i n gt ot h e k i n e m a t i c s ，m e c h n i c sa n dg e o m e t r y , t h ec r i t i c a ls t a t ew h e ne l e c t r i cf o r k l i f t sw o r ki sd e r i v e d ，t h e n b yt h ew a yo fb i n d i n gs o f t w a r ea n dh a r d w a r et oc o n t r o la n dg u a r a n t e et h es t a b i l i t yo fe l e c t r i c f o r k l i f t s f i r s t l y , t h ee s s a yi n t r o d u c e st h es t u d yv a l u ea n dc o n t e n tf r o mt h ed e v e l o p m e n tp u r p o s e a n dt r e n do fe l e c t r i cf o r k l i f t s ；s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h ew o r k i n gc o n d i t i o na n dr e q u i r e m e n t so f t h ee l e c t r i cf o r k l i f t s ，t h ea u t h o ra n a l y s e st h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h es t a b i l i t ya n dc o n c l u d e sc o n t r o l r e q u i r e m e n t so fd i f f e r e n tc o m p o n e n t so ft h ee l e c t r i cf o r k l i f t s ；t h i r d l y , t h ea u t h o rd e s i g n ss o f t w a r e a n dh a r d w a r ei na c c o r d a n c ew i t ht h er e q u i r e m e n t so fo p e r a t i o n ，c o m m u n i c a t i o n s ，d i f f e r e n t i a la n d s t a b i l i t yt os a t i s f ys e c u r i t ya n ds t a b i l i t y ；a tl a s t , s o m es i m u l a t e da n dp r a c t i c ed e b u go fs o f t w a r e a n dh a r d w a r ei sm a d eb ya n a l y s i n ga n dc o m p a r i n ge x p e r i m e n td a t at op r o v et h ec o n t r o l r e q u i r e m e n t so ft h ec e n t r a lc o n t r o ls y s t e m ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fr a p i d n e s s ，e x a c t n e s s ，s t a d i n e s so f t h ef o r k l i f tt r u c k si sr e a c h e d t h ew h o l ec e n t r a ls y s t e mo ft h ee l e c t r i cf o r k l i f t sa d o p t sm o d u l e d e s i g n ，i ti sc o n v i n i e n tt om o d i f y , d e b u g ，t e s ti no r d e rt oc a r r yo u tt h ef u n c t i o n so fd i f f e r e n tp a r t s k e yw o r d s ：e l e c t r i cf o r k l i f t ；c e n t r a lc o n t r o ls y s t e m ；s t a b i l i t y ； i i 独创性声明 本人声明，所呈交的学位( 毕业) 论文，是本人在指导教师的指导下独立完 成的研究成果，并且是自己撰写的。尽我所知，除了文中作了标注和致谢中已作 了答谢的地方外，论文中不包含其他人发表或撰写过的研究成果。与我一同对本 研究做出贡献的同志，都在论文中作了明确的说明并表示了谢意，如被查有侵犯 他人知识产权的行为，由本人承担应有的责任。 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名：童砷砍 日期： 论文使用授权的说明 堋占 l 本人完全了解福建农林大学有关保留、使用学位( 毕业) 论文的规定，即学 校有权送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密，在年后解密可适用本授权书。 口 不保密，本论文属于不保密。 学位c 毕业，论文作者亲笔签名：牟矾砍 日期： 指导教师亲笔签名 砌厶 吼叫乡、f 福建农林大学硕士学位论文k e f 2 5 交流电动叉车中央控制系统研制 1 引言 1 1 电动叉车的研究意义 随着市场经济的发展，物流技术在经济发展中的地位和作用越来越明显。电动叉车的普及率也 越来越高，已从过去单一的港口、码头发展到当今的各行各业中。同时，随着人们对环境污染危害 的不断认识，环保问题已成为世界共同关注的焦点。各国都制定了相关的法律法规来限制和规范各 种车辆的使用。因此，环保型电动叉车将成为市场主流；其次，由于自动仓储系统、大型超市的纷 纷建立，对室内搬运机械的需求量不断增加。再加上电动叉车具有高性能、能量转化效率高、低噪 音、无排放等优点。因此，绿色环保电动叉车得到了人们的认可和青睐；最后由于电动叉车可实 现原地3 6 0 。转弯、转弯半径小、操作灵活、能在狭小的空间工作、节省了仓库空间。因此，电动 叉车特别适用于仓库及烟草、食品、纺织、印刷等轻纺行业，其需求量近年呈现快速增长趋势幢1 。 当前电动叉车的控制系统主要有两种：直流驱动控制系统和交流驱动控制系统。交流驱动控制 系统和直流驱动控制系统相比：功率大、可靠性高、维护性能好、灵敏度高、编程容易和控制能力 强，相同功率下体积小，蓄电池单班使用时间长等优点b 1 。虽然国外一些大型的电动叉车生产厂家 已拥有成熟的产品，但是采用交流控制技术的电动叉车产品目前国内发展还处于初级阶段。随着交 流调速控制系统成本的降低和闭式交流电机技术的不断成熟，交流电动叉车必将会取代直流电动叉 车。 由于电动叉车运行工况比较复杂，操作人员年龄和性格也不相同，在操作和要求上就有很大的 区别，而且不同电动叉车本身的稳定性也存在很大的差异，控制和灵敏度难达到要求。因此，对电 动叉车的操作信息要做到快速、准确地计算和分析相对而言难度比较大，这就是电动叉车中央控制 系统面临的主要问题。本课题主要运用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 数字信号处理器来处理大量信息，对电动叉 车的运行工况进行分析、计算、控制以保证其能稳定、安全地工作，并以c a n 网络进行通讯，保 证数据通讯的可靠性和提高通讯速率。 1 2 电动叉车的发展趋势 随着各行业竞争的日益激烈和电子技术的发展，现代电动叉车技术主要朝着“以人为本，高效 安全”，同时注重环保、能源回收再利用及外观设计等方向发展。电动叉车向交流控制方向发展， 追求清洁、安静和机动灵活；同时，提高电动叉车的安全性和稳定性也是其必然发展趋势。 1 2 1 外观造型和表面处理 现代叉车外观造型主要朝着现代轿车的设计方法大圆弧流线形曲面造型方向发展。叉车的 护顶架、车身、配重及各种装饰件融为一体，同时考虑美学效果，制作精良，更容易受到客户的青 睐h 1 。而且现代叉车在颜色的搭配上也变得丰富多彩，不再是传统的红、黄主色调，而是改用浅色 系列，浅蓝、柠檬黄、浅绿、粉红、淡紫，利用五彩缤纷的颜色给凝重的叉车披上了清爽靓丽的外 衣，让繁重的物料搬运变得轻松而舒心h 1 。 福建农林大学硕士学位论文k e f 2 5 交流电动叉车中央控制系统研制 在表面质量处理上，对黑色金属进行侵蚀处理后再喷漆，以获得较高的表面质量。例如：意大 利c e s a b 公司采用的高压静电喷涂工艺，将自动控制的喷枪喷出的粉末以1 0 0 0 0 0v 静电的形式喷 向部件表面，再利用干燥炉进行干燥处理，最后获得了比湿法喷涂更高的表面质量，有类似于桔皮 样的颗粒效果，形成了自己的特色1 。 1 2 2 人性化设计 驾驶员的舒适性对保证电动叉车的高效运行非常重要。现代电动叉车的驾驶座具有全方位的调 节功能：其座椅靠背可前后倾斜，座椅弹簧可自行调节，座椅可前后移动。这一切都符合人机工程 学原理，充分考虑驾驶员的身体舒适性需求，制造出保证驾驶员感觉最舒服的驾驶方式。各电动叉 车公司不断优化以改进电动叉车人机界面，以使驾驶员操纵简便省力、能够迅速准确执行动作，充 分发挥人机效能，提高工作效率。例如：仪表盘安装于方向盘下方，随方向盘摆动：灯、喇叭、紧 急断电等开关按钮集中安置于托架或仪表盘上，使得操作和控制更加方便；配备醒目的数字化仪表、 报警装置和自动检测故障仪器，实现工作的实时监控；采用可移动、升降的浮动驾驶室，确保驾驶 员获得良好视野；同时，以集中手柄控制替代多个手柄控制、电控替代手控、以及逐渐将高度显示 器和电子监测器作为高升程电动叉车的标准配置髓 。 1 2 3 驱动电机及电控由直流向交流方向发展 我国电动叉车大多采用直流电机驱动，因为直流电机具有较好的机械特性，能提供电动叉车牵 引系统所需的低速大扭矩，而且速度控制相对比较简单，可以实现较宽调速范围内的无极调速。但 是直流电机因有碳刷和换向器，所以其结构比较复杂。同时，交流电机因无碳刷和换向器，没有最 大电流限制、维护保养简单容易、可将维护成本降到最低等优点。因此，近几年来交流技术以其可 靠性高和维护成本低的优势在国外飞速发展，渐渐演变为电动叉车最优驱动源，采用交流驱动控制 技术被看作是电动叉车发展的必然趋势哺一1 。 采用交流电控还可以提高工作效率。例如：提高车辆行驶速度、更好控制货叉升降速度和门架 倾斜速度，而且高速行驶时能输出较大转矩。同时，在相同工况下能耗小，可以延长蓄电池组单班 使用时间。目前，l i n d e 、j u n g h e i n r i c h 、h y s t e r 、t o y o t a 等知名叉车公司均已推出了交流电动叉车产 品n 们。 1 2 4 整车通讯向网络化方向发展 电动叉车各控制模块之间广泛采用c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 网络通讯，控制模块之间构成一 个整体的虚拟单元，能够实现模块间的信息传输，实现同步控制。总之，在2 条c a n 总线的连接 下，每个控制模块均能方便和其他控制模块进行信息交换。c a n 总线是为解决现代汽车中众多控制 和测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通讯协议。 将c a n 通信功能应用于电动叉车控制系统上，提高了数据通信的可靠性和通讯速率，降低了 控制系统成本，大大提高了电动叉车的控制水平。l i n d e 公司、安徽叉车集团公司均已成功地将c a n 总线技术应用于电动叉车上n 们。 2 福建农林大学硕士学位论文k e f 2 5 交流电动叉车中央控制系统研制 1 2 5 安全性和稳定性提高 现代电动叉车的设计朝安全、稳定方向发展。在结构和控制上都做了相应的改进，主要表现 在下面几个方面：配置了电气系统防水插接件，提高了电控系统的安全性和稳定性：增加了空挡安 全锁定功能，确保电动叉车只在方向选择开关处于空档时才允许启动，保证了启动的安全性；门架 智能缓冲设计，减低了门架下降过程中的压力和振动：采用脚踏式制动，轻松一踏即可停车，再次 踩脚踏板即解锁，解锁前如果电动叉车伴有运动动作则发出警报等。另外，增加了电动叉车货叉自 动水平控制、转弯自动减速以及货物升降发动机自动加速等功能1 。 随着国际化进程的加快，产品的安全性已经成为我国企业迈向国际市场的一道门槛。电动叉车 外形已由原来方形、尖形的外观向线圆弧形转变，这样可以改善驾驶员的视野，提高操作安全性。 如丰m 7 系列电动叉车装有主动稳定系统( s a s ) ，s a s 采用一系列电子传感器通过对电动叉车负荷、 运行速度、转向角等参数进行测量，当预测有危险即将产生时，s a s 便开始工作，从而保证电动叉 车能够安全、稳定地工作n 。 1 2 6 节能和机电液一体化高新技术的应用 微电子技术、传感技术、信息处理技术的发展和应用，对提高电动叉车行业的整体水平，实现 复合功能，以及保证整机和系统的安全性、控制性和自动化水平有着明显的作用。随着电子和机械、 电子和液压的结合更加密切，未来电动叉车将朝着电子技术的应用方向发展。如：林德前移式电动 叉车采用感应式电子转向系统，给驾驶员提供变量扭矩反馈以确保良好的控制性能，而且所需转向 力很小。 实现以微处理器为核心的机电液一体化是未来电动叉车控制系统发展的主方向，即以微处理器 为核心，由局部控制向网络化方向发展，使整车保持最佳工作状态，实现电动叉车的智能化工作。 对于电动叉车，传统的电阻调速控制器已被淘汰，而新型m o s f e t 晶体管因其门极驱动电流小，并 且控制特性好且有软、硬件自动保护和硬件自诊断功能等优点，因而得到广泛采用。串励和他励控 制器仍是市场的主导产品。随着交流调速控制系统成本的降低与闭式交流电机技术的成熟，交流电 机叉车最终将因其功率大、维护性能好而取代直流电机叉车。采用电子转向系统与动力转向相比可 节能2 5 ，因为它可以根据电动叉车的工作情况，适时控制电机转速。同时，电子转向系统也是电 动叉车节能降噪的有效措施。另外，m o s f e t 晶体管比电阻式调速可节能2 0 ，释放式再生制动可节 能5 8 ，采用液压电机控制器和负载势能回收技术可分别节能2 0 和5 哺1 2 1 。 1 3 本课题的主要研究内容 本课题主要实现电动叉车中央控制系统的研制，保证电动叉车能够根据驾驶员的操作要求完成 其相对应的动作，提高其整体稳定性，保证整辆电动叉车能够安全、快速、灵活的工作。本课题中 完成了硬件电路设计和软件编程，主要研究内容如下： ( 1 ) 根据电动叉车的工作情况，提出各部分的控制要求，进行电动叉车中央控制系统的硬件和 软件设计。 3 福建农林大学硕士学位论文k e f 2 5 交流电动叉车中央控制系统研制 ( 2 ) 根据t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的c a n 通信功能，实现中央控制系统与电机控制模块的通讯功能，提 高其通讯的可靠性和结构化。 ( 3 ) 根据加速踏板位置和转向轮位置，通过软件实现电动叉车转弯时左右两轮的差速行驶。 ( 4 ) 根据电动叉车的稳定性要求，分析其工作情况和设计稳定性控制系统，从而满足电动叉 车工作过程中的稳定性要求。电动叉车的稳定性控制系统分为纵向稳定性控制系统和横向稳定性控 制系统，主要包含货叉的升降速度控制、门架的倾斜速度控制以及转弯行驶时的速度和转向角控制 等。 ( 5 ) 根据研制出来的中央控制系统，对电动叉车进行实际应用操作实验，验证电动叉车中央 控制系统是否能够满足各部分的控制要求，同时验证电动叉车工作时整体的稳定性。 4 福建农林大学硕士学位论文 k e f 2 5 交流电动叉车中央控制系统研制 2 电动叉车中央控制系统的控制要求 顾名思义，电动叉车中央控制系统是整车的核心部件，它控制着整车的运行情况。它的性能好 坏直接影响着整车的工作效率和事故率。当中央控制系统运行不良时，将造成一定的财产损失，更 甚者将造成生命危险。因此，对电动叉车中央控制系统的控制要求比较高。具体要求有如下几点： 2 1 电动叉车中央控制系统的操作要求 电动叉车中央控制系统工作时的操作要求：能正确反应驾驶员的操作指令，并能快速、准确的 执行驾驶员动作，同时又能阻止其误动作。这就要求中央控制系统必须操作既简单、方便又能够正 确、迅速响应驾驶员操作动作的人机界面。 首先，电动叉车中央控制系统必须保证电动叉车在安全状态下才允许启动。本课题中设有：座 位、油量、电源、电锁门和手刹等状态开关量，利用这些状态开关量来保证电动叉车处于正常、安 全状态下才允许启动，这就防止了受外界的干扰而误启动。 其次，电动叉车中央控制系统必须保证电动叉车的基本操作能够安全，协调的工作。电动叉车 的工况比较复杂，要实现的动作有：前进、后退、上升、下降、前倾、后倾等。本课题中要求各个 操作开关能够协调、安全地工作，而且按钮之间须具备互锁的功能。当发生故障时，能够自动产生 故障代码并发出警报。 2 2 电动叉车中央控制系统的通信要求 电动叉车的稳定性要求中央控制系统能够快速、准确地分析各个运行参数，并把符合工况的运 行参数输送给各个执行部件，同时还要协调各个功能模块稳定工作。这就要求有一个能够快速、抗 干扰强、功能强大却结构简单的通信模块。本课题中利用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 数字信号处理器自带的c a n 模块实现通信功能。 2 3 电动叉车转弯时的差速要求 本课题中选用的电动叉车是三轮叉车，后轮是转向轮，左右两轮是行驶轮如2 1 所示。电动叉车 的转向轮和行驶轮在行驶过程时一直保持着一定的关系：，= w r ( 其中：1 ，为线速度，w 为角速 度，r 为转弯半径) 。在同辆电动叉车中，各点的角速度w 是相同的，但是转弯半径r 不同，转弯 半径尺为各轮中心到转向中心的距离。当电动叉车的转向轮以直线行驶即没有转向时，转弯半径r 为无穷大，转向中心0 在无穷远，即左右两轮的速度大小相等、方向相同；当转向轮有一定转向角 时，根据几何关系( 见图2 1 ) ：转向中心d 是左右两轮的连心线与转向轮中心线的交点，随着转向 角增大，转向中心d 越来越靠进口点。艿是转向的临界状态，此时临界角度 ，r 界= a r c t a n ( - 等) 7 0 。当转向中心d 在b 点外时，左右两轮以相同的方向行驶；当转向中心d 1 7 落在召点内时，左右两轮以相反的方向行驶；a 是转向角秒达到最大转角9 0 0 时对应的转向中心即 5 福建农林大学硕士学位论文 k e f 2 5 交流电动叉车中央控制系统研制 为原地转弯中心，此时两轮以大小相等方向相反行驶。 右轮a 左轮 c 图2 1 电动叉车转向示意图 图2 2电动叉车转弯半径关系图 电动叉车直线行驶时，左右轮的速度和转矩分别相等的，并且其转矩主要是克服行驶时的阻力。 当电动叉车转弯时，很显然外侧轮的转弯半径大于内侧轮的转弯半径。因此，外侧轮的速度必须大 于内侧轮的速度，这样车轮才不会与地面出现滑移。如图2 2 示：蜀为外侧轮转弯轨迹半径；蜀为 质心转弯轨迹半径；r ，为内侧轮转弯轨迹半径。根据线速度：1 ，= w r ， 则外、内侧驱动轮的速 度1 ，l 、1 ，：必须正比于两轮到转弯中心的距离即： 生：鱼：旦- = 二- = = - r lr or 2 r = 三t a n o ( 2 ) r l = r + h 2 ( 3 ) 转角0 小于临界角度界时：坞2 民一h 2 ( 4 ) 转角口大于临界角度界时：疋2h 2 一r ( 5 ) 如果不严格遵守这种关系，至少会引起一个车轮的滑移，将会加快车轮的磨损和轮轴的疲劳，并 造成行驶的不稳定。因此，中央控制系统必须保证：电动叉车在转弯行驶时满足内外两轮的中性转 向要求n 3 1 。 本课题是采用双电机独立驱动内外轮，利用软件程序来实现差速功能，取消了传动机构和差速 齿轮，可按所需动力来分配电机的功率，所以整个系统的效率得以提高，整体的结构也大大简化n 引。 软件差速功能是这样实现的：分别利用两个行走电机控制内外两轮的行驶速度。外侧轮的行驶速度 由加速踏板决定，而内侧轮行驶速度由式子：屹= v l 堕r (vl是外侧轮速度)得到。因此，要保证1 电动叉车行驶时的中性转向就必须满足下面关系： 在转向角0 小于临界角度时： 在转向角0 大于临界角度时： 2 l ht a n0 y 2 = v 瓦了丽 h t a n 0 2 三 y ：叫- 百五百瓦 6 福建农林大学硕士学位论文k e f 2 5 交流电动叉车中央控制系统研制 其中：v ，是内侧轮的速度，1 ，。是外侧轮的速度，口为转向轮的转角。 2 4 电动叉车中央系统的稳定性要求 电动叉车的稳定性是指电动叉车进行装卸作业和在各种道路上行驶时抵抗倾覆的能力，可分为 纵向稳定性和横向稳定性。纵向稳定性是指电动叉车抵抗围绕车轴纵向倾翻的能力。横向稳定性是 指电动叉车抵抗侧翻和侧滑的能力。电动叉车的纵向稳定性主要受货叉升降和门架倾斜的影响，因 为当货叉装载重物且升降速度或者门架倾斜速度较快时，此时重心位置发生轴向变化，再加上因运 动而产生的惯性力，就有可能导致电动叉车发生纵向倾翻。电动叉车的横向稳定性主要是电动叉车 转弯时，由于离心力的作用，特别是在坡道上行驶转弯或全速带载行驶转弯时，重心位置发生横向变 化而导致横向倾翻。因此，保证电动叉车工作时的安全性，就必须保证电动叉车不同工况下均具有 抵抗倾覆的能力。 纵向稳定性控制和横向稳定性控制都是保证电动叉车稳定性的前提。因为电动叉车出厂时已经 对于载重量、爬坡度和门架倾斜角度做了限制，所以对货物的升降和门架倾斜的控制就成为满足其 纵向稳定性首要条件。相对纵向稳定性而言，横向稳定性比较难控制：因为横向稳定性受电动叉车 的行驶速度和转向角两者的影响，所以电动叉车的横向稳定性是随着转向角和速度的变化而变化 的。因此，为了保证电动叉车能够在较为稳定情况下工作，本系统主要是在保证纵向稳定性的前提 下，改善、提高电动叉车的横向稳定性。 2 4 1 电动叉车的倾覆轴线 电动叉车一般是在硬质的仓库或厂内的路面上行驶，所以可以把路面当成不变形。在发生倾覆 时，可以近似地认为其是绕某一轴线转动而发生，这种倾覆轴线分为纵向倾覆轴线和横向倾覆轴线。 图2 3 叉车倾覆轴线示意图图2 4 叉车横向倾覆轴线示意图 本课题选用的是三轮电动叉车，前两轮是行驶轮，后轮是转向轮。本课题分析电动叉车工作 情况时把它近似看成一个刚体。当电动叉车发生前倾时，一般前轮处于制动状态，整车绕前轮着地 中心的连线a b ( 见图2 3 ) 转动，此时线a b 即为纵向倾覆轴线n5 1 。同理电动叉车的横向倾覆轴线 是外侧前轮着地中心点和后轮着地中心点的连线。电动叉车的前驱动桥和车架刚性连接，而后转向 桥通过纵向的中央铰轴与车架铰接。假设转向桥不发生横向滑移，电动叉车车体( 不包括转向桥) 7 福建农林大学硕士学位论文k e f 2 5 交流电动叉车中央控制系统研制 前方通过前轮支承在地面上，后方通过铰轴支承在转向桥上。因此，外侧前轮着地中心点与转向桥 铰轴中心点的连线a d 或b d 为其横向倾覆轴线( 图2 3 ) 。电动叉车横向倾覆时，先绕a d 或b d 倾覆轴线侧倾，此时电动叉车的外侧轮悬空，车体以a d 或b d 为基准翘起一定的侧倾角，但当不 超过其所允许的最大倾覆角时，电动叉车还不会发生倾翻；只有当侧倾角超过最大倾覆角时，此时 车体部分与转向桥相碰，整车绕前后车轮着地点连线a c 或b c 倾翻，即电动叉车绕着外侧轮的着 地中心点和后轮着地中心点的连线倾翻。如图2 4 所示：右转时，其横向倾覆轴线为连线b c ；左转 时，其横向倾覆轴线为连线a c n6 。 2 4 2 电动叉车最大倾覆角的理论计算 当电动叉车转弯或行驶转向时，就会存在离心力和横向稳定力同时作用在电动叉车上，当离心 力大于或等于横向稳定力时，外侧轮悬空一定角度，此时电动叉车还处于稳定状态。当侧倾角度继 续增大到一定程度时，电动叉车便失去稳定性开始侧翻。将电动叉车发生侧翻的临界角度称为电动 叉车的最大倾覆角1 1 7 o 在多数路面上，由于离心力的作用，基本上都先发生侧滑，接着产生倾翻。因为当电动叉车行 驶急速转弯时，由于转向桥负荷较大，车体将相对于转向桥作侧倾运动，直到车体碰到转向桥上的 档块为止。这时内侧轮将进一步受到压缩变形，外侧轮可能离地，车体和转向桥起将由转向轮和 一个前轮二点支承保持稳定。当离心力继续增大，电动叉车将产生横向倾翻。当电动叉车绕瞬时转 向中心o ( 见图2 7 ) 转向时，电动叉车的车体部分由前轮着地点和中央铰接点支承，电动叉车受 离心力、侧向风力、坡道分力等作用，其中最主要的是离心力。据统计，因电动叉车转弯所发生的 侧滑或翻车事故总数中，有6 0 是因受转弯离心力的影响而发生的。如图2 5 所示：离心力f 对倾 翻轴线产生倾翻力矩；合成重力g ( 满载时g = g o + q ，空载时g = g o ) 对倾翻轴线产生稳定力矩。 当离心力f 与合成重力g 对倾翻轴线产生的力矩达到平衡时，电动叉车即处于临界稳定状态n 引。 8 福建农林大学硕士学位论文k e f 2 5 交流电动叉车中央控制系统研制 左轮a 重心s 从图2 5 根据力矩原理可知：离心力f 与重力g 的合力尸的方向可以确定系统是否处于稳定状 态。 ( 1 ) 稳定状态：力尸的方向线与平面a b c 的交点在e 点的右侧； ( 2 )失稳状态：力尸的方向线与平面a b c 的交点在e 点的左侧； ( 3 )临界状态：力尸的方向线与平面a b c 的交点过e 点； 因此，图2 5 中矽为最大倾覆角，根据几何关系可以得出： in,口：h忑4fh2+4百l-2sin ( 8 ) 口= 了气一芍) ( b 2 + 4 - ) 一 ：t a n 一- 竺善坚兰】( 9 ) - g 由上面的两个式子( 1 ) 、( 2 ) 联立得： 细1 f 一卜， 其中： 三电动叉车轴距： b 电动叉车轮距； 巳电动叉车重心到纵向倾覆轴线的水平距离； 以电动叉车重心高度； q 福建农林大学硕士学位论文k e f 2 5 交流电动叉车中央控制系统研制 2 4 3 电动叉车纵向稳定性的控制要求 2 4 3 1 电动叉车升降稳定性的控制要求 本课题中电动叉车升降操作的机械实现方法：利用驾驶员控制升降操纵杆来实现，当升降操纵 杆处于中间位置时，货叉既不上升也不下降；当升降操纵杆向前推时则货叉上升；升降操纵杆向后 拉时则货叉下降。升降速度和升降操纵杆的偏移程度成正比。货物升降时，影响电动叉车的稳定性 因素主要体现在如下三个方面： ( 1 ) 电动叉车重心位置发生变化。 ( 2 ) 上升速度过快，在停止瞬间，货物可能由于上升惯性力的作用而飞溅或滑落，导致驾驶员 不舒适，更有甚者可能引起电动叉车发生前翻事故。 ( 3 ) 下降速度过快，停止时货物会受到一定的冲击力，对防震货物有一定的影响，同时有可能 导致货架直接落地，引起货物、货架及地面损坏。 因此，对货叉升降的速度控制是必要的。虽然理论上可以通过驾驶员控制操纵杆机械式地控制 升降速度，但是为了防止驾驶员的误操作或者判断不准情况下而导致升降速度过快，所以必须对其 升降速度进行智能控制，保证货物升降时能够平稳、安全的工作。系统中增加了升降的电控控制功 能电磁阀，电磁阀是安装在机械阀前面的回油路。因此，驾驶员利用操纵杆控制多路阀工作， 而电磁阀是由软件功能根据实际工作情况工作，这样就能根据实际工作情况更好地控制升降速度。 这样在驾驶员控制升降速度的同时电动叉车中央控制系统也对其升降起动智能控制作用。 2 4 3 2 电动叉车倾斜稳定性的控制要求 本课题中电动叉车的倾斜操作理论上是通过驾驶员控制倾斜操纵杆来实现的：当倾斜操纵杆处 于中间位置时，门架就处于静止状态，即不前倾也不后倾。当倾斜操纵杆向后拉时，门架就执行后 倾动作；当倾斜操纵杆向前推时，门架执行前倾动作；前后倾的速度和操纵杆的移动程度成正比： 在操纵杆上有个自平衡按钮，当驾驶员按下自平衡按钮时，门架倾斜到垂直位置时就停止倾斜动作。 虽然倾斜角度、速度大小可以通过驾驶员控制倾斜操纵杆来实现，但是机械构件的实现具有滞后性， 而且灵敏性不高，难以满足本课题中对倾斜稳定性的控制要求，因此在机械阀后面增加电磁阀的智 能控制。 电动叉车倾斜的控制就等同于控制倾斜液压缸的进出油量，即控制液压缸前面的机械阀和电磁 阀。电磁阀安装在机械阀后面，因此驾驶员根据自己意识操纵倾斜操纵杆的同时，电磁阀则由软件 根据倾斜位置及稳定性要求智能地控制电磁阀的开启与关闭和确定占空比，所以倾斜动作执行的条 件是机械阀和电磁阀两者共同作用的结果。这样子就可以有效地防止驾驶员的误操作和误判断，提 高电动叉车的稳定性。本课题中倾斜系统必须满足下面的智能控制要求： ( 1 ) 根据驾驶员的操纵动作确定执行前倾还是后倾。 ( 2 ) 自动判别货物的位置，确定货物在高位置还是低位置。 ( 3 ) 自动判别自平衡开关。当自平衡开关开启时，必须保证门架最终处于垂直位置。 l o 福建农林大学硕士学位论文 k e f 2 5 交流电动叉车中央控制系统研制 ( 4 ) 自动根据载荷和倾斜角度关系确定占空比。 这样子驾驶员就不必多方面考虑门架倾斜的稳定性要求，可以轻松地控制倾斜操作杆。因为电 磁阀能够根据实际情况实现智能控制，这样就可以解除驾驶员因疏忽而造成的不良状况，从而满足 了倾斜的稳定性要求。 2 4 4 电动叉车横向稳定性的控制要求 电动叉车行驶的速度理论上是由加速踏板决定的，但是当电动叉车有一定转向角的时候，由离 心力式子f = 百v 2 可以发现：离心力，随着速度1 ，增大而增大，当离心力f 超过其抵抗倾翻能力时 就极易发生侧翻。因此当电动叉车有一定转角时，必须对其行驶速度作适当地控制。 电动叉车只有在倾覆角0 九界时才有可能发生侧翻，那时整辆叉车是绕着倾翻中心d 侧翻。 因此，为了计算出电动叉车所允许的最大行驶速度，把电动叉车的倾覆角等同于电动叉车在倾斜面 上行驶，该倾斜面的倾斜角度就是倾覆角。当电动叉车达到临界倾覆角界时，该倾斜面的倾角即 为最大倾斜角，其示意图如图2 7 所示。 、 图2 6电动叉车质心示意图图2 7 电动叉车最大速度示意图 此时：电动叉车质心受到两个力的作用，一个是离心力，分解成两个力f s i n 0 和f c o s 0 ； 一个是重力g ，分解成两个力g s i n 0 和g c o s o ：对电动叉车的倾翻轴线求力矩，假设电动叉车 处于倾翻临界状态时n 9 1 ： ( f s i n 0 + g c o s o ) * ( h 2 一，) = ( f c o s 0 + g s i n o ) 宰( 日g 一6 ) ( 1 1 ) 其中：口：r w z ：r ( 善) ：兰，f ：生：朋口，g ：孵心入上式得： 、r r r 。 ( m a s i n 秒+ 孵c o s p ) 木( i h 一，) = ( m a c o s 臼+ 孵s i np ) 宰( 日g 一玑( 1 2 ) 仃一g s i n 护( 以叫_ c o s 秽( 等叫】g ( 日2 叫一t a n 9 ( h g - b ) ( 1 3 ) 口=一=一 s i n 口( 芸一，) - - c o s o ( h g 一6 ) 】 ( 日g 一6 ) 一t a i l 含( 日7 2 一r ) 福建农林大学硕士学位论文 k e f 2 5 交流电动叉车中央控制系统研制 根据相似原理，当秒比较小时，0 t a n 0 即： a ：驾半善黑孕掣( 1 4 1 ， = 工_ 二_ 一【4 j ( 日。一6 ) 一p ( h 2 一，) 、。 根据几何图形和几何质心如图2 6 ，给出在倾翻轴线上倾翻中心的位置： b ：生羔 。 ( l 为轮距，e ，为质心到前轮的距离取零) ( 1 5 ) lhe 。 7 【f i 。i 玑口=记g(h2-历-互-ff)hey-o(巧hgh g e y l ) 1 = 筹， 口= 警代入式子：f = t m v 2 堋( 1 7 ) 因此，最大的行驶速度为矿一= 由图2 5 可知足= l t a n o 求得矿螂= 式子( 1 9 ) 体现了电动叉车质心点的最大速度和转向角的关系，因为本课题分别对内外两轮的电 机进行控制，所以利用式子( 1 ) ( 7 ) 把质心的最大速度转换成内外侧轮的最大速度。因此，要保证电 动叉车工作时尤其是高速转弯时要满足其横向稳定性要求时，就必须保证电动叉车在行走时其行走 速度和转向角满足理论稳定性要求。 2 5 本章小结 本章主要根据电动叉车中央控制系统在整辆电动叉车中的工作情况，对其提出了控制要求。同 时根据各部分的工作特点，分析了影响电动叉车稳定性的因素，并提出各自的控制要求。 1 2 福建农林大学硕士学位论文k e f 2 5 交流电动叉车中央控制系统研制 3 电动叉车中央控制系统的硬件设计 3 1 系统硬件的总体设计及工作原理 电动叉车中央控制系统主要由主控微处理器、电源模块、a d 采样模块、普通数字量开关模块、 c a n 通信模块、c p l d 可编程模块和电磁阀电流保护模块等组成。图3 1 为本课题电动叉车中央控制 系统的框架图，具体硬件电路图见附录a 。 图3 1 中央控制系统框架图 主控制微处理器芯片根据电动叉车数字量开关信息和传感器采集到的信号，有加速踏板角度传 感器信号、转向轮角度传感器信号、重量传感器信号和倾斜角度传感器信号等等，通过对信号量进 行分析、比较、处理，综合最基本的参数，产生理想的输出，并传送给相应的执行机构，将相互独 立的各部分功能有机地结合起来，从而提高了系统之间的协调性和优化性。这样子就可以保证电动 叉车灵活、迅速地按照驾驶员的操作正确地工作，缩短工作时间，从而提高工作效率。 3 2 主控微处理器介绍 根据系统功能的需要，选用t e x a si n s t r u m e n t s ( 以下简称t i ) 公司最新推出的3 2 位定点控制器的 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 数字信号处理器，是目前在控制领域最先进的处理器之一。该数字信号处理器是基 于t m s 3 2 0 c c 2 x x x 内核的定点数字信号处理器，主要特性如下堙叫： 采用高性能静态c m o s 技术：供电电压只有3 3 v ，减小了控制器的功耗。 指令周期缩只有3 3 n s ( 3 0 m h z ) ，提高了控制器的实时控制能力。 具有高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器和1 5 k 字的数据程序r a m ，5 4 4 字双i ：i r a m ( d a r a m ) 和2 k 字 的单口r 脚( s a r m ) 。 两个事件管理器模块e v a 和e v b ：两个1 6 位通用定时器：8 个1 6 位的脉宽调制( p 删) 通道；3 - i 1 3 福建农林大学硕士学位论文 k e f 2 5 交漉电动叉车中央控制系统研制 捕获单元；片内光电编码器接口电路；1 6 通道a d 转换器。 可扩展总共1 9 2 k 字空间的外部存储器( l f 2 4 0 7 ) ；6 4 k 字程序存储器空间；“k 字数据存储器 空间；6 4 k 字i o 寻址空间。 1 0 位a d 转换器最小转换时间为5 0 0 n s ：实现外部传感器的采集信号。 控制器局域网络( c a n ) 2 0 b 模块：实现电动叉车中央控制系统和电机控制系统的通信功能。 高达4 0 个可单独编程或利用的通用输a 输出引脚( g p i o ) ：实现电动叉车的多种工况操作按 钮。 5 个外部中断( 两个电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断) 。 现代电动叉车的设计趋向于模块化设计，各个功能模块之间采用c a n 总线来传递信息，把数据 汇总到中央控制模块或者从中央控制模块传输到其他执行模块，所以中央控制模块类似于电动叉车 的大脑。中央控制模块需根据各传感器采集回来的信号在最短的时间内计算出电动叉车在不同工况 下的运行参数，判断出电动叉车工作的稳定性和安全性，同时根据计算结果做出最适合、最优的电 机运行方案和控制方案，即要保证电动叉车安全、可靠地运行，还需要考虑驾驶员的舒适性。电动 叉车对其可靠性、稳定性、灵敏度和计算精度、速度的要求较高，又因为d s p 具有可控性高、稳定 性好、抗干扰性能好、自适应算法、大规模集成等优点，所以d s p 控制芯片成为电动叉车控制的首 选芯片。芯片具体的引脚接线电路图见附录a 1 。 3 3 电源模块硬件介绍 本课题中系统硬件对电源要求较高。因为电动叉车工作时的电源是由蓄电池提供，但是蓄电池 随着使用时间的加长，电压会发生相应地变化，所以电动叉车上的实际输入电源是变化的直流电源。 同时因为传感器、芯片、电磁阀的供入电源要求不同，所以需要有4 8 v 、1 5 v 、5 v 、3 3 v 的直流电 源。其中4 8 v 电源可以由蓄电池直接供给，3