電動叉車EPS 控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

宋秦中，許 猛

(1.蘇州市職業(yè)大學(xué)，蘇州215104;2.南京理工大學(xué)，南京210094)

0 引 言

電動叉車是以蓄電池為動力的叉車，具有行走和提升貨物的功能，具備小巧靈活、噪聲小、無污染等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于礦山、港口、機(jī)場、倉庫、廠房、車間等場合，是實(shí)現(xiàn)物流機(jī)械化、提高作業(yè)效率、減輕搬運(yùn)勞動強(qiáng)度的重要工具。作為電動叉車的主要性能之一，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(以下簡稱EPS)是目前叉車轉(zhuǎn)向技術(shù)應(yīng)用的主流。關(guān)于電動叉車EPS 系統(tǒng)，國外進(jìn)行了大量的性能研究，技術(shù)相對領(lǐng)先，但由于技術(shù)保密等因素限制，相關(guān)研究文獻(xiàn)很少，研究的重點(diǎn)集中在電機(jī)結(jié)構(gòu)、控制算法、路感及操縱平順性、穩(wěn)定性、安全性等方面［1－5］。電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，是助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)臺架實(shí)驗研究的核心，基于MC56F8257 DSC 開發(fā)平臺，本文對電動叉車EPS 控制系統(tǒng)進(jìn)行軟件和硬件設(shè)計，并從樣機(jī)設(shè)計開發(fā)的角度，進(jìn)行了電動叉車用EPS 控制系統(tǒng)的臺架實(shí)驗，設(shè)計的控制系統(tǒng)具有靈活方便、移植性強(qiáng)的特點(diǎn)。

1 設(shè)計方案

圖1 EPS 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

EPS 控制系統(tǒng)的設(shè)計方案如圖1 所示，整個方案分為傳感器、ECU 和助力電機(jī)等3 個主要部分組成。EPS系統(tǒng)大部分時間處于待機(jī)狀態(tài)，需要轉(zhuǎn)向時，助力電機(jī)才會運(yùn)行。電動叉車轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動，ECU 根據(jù)扭矩傳感器采集來的轉(zhuǎn)向盤扭矩信號進(jìn)行助力控制，電機(jī)助力隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩增大而增大;根據(jù)車速傳感器采集的車速信號進(jìn)行路感控制，車速升高，電機(jī)助力減少，路感增強(qiáng)。助力轉(zhuǎn)向的實(shí)時控制過程如下:ECU 根據(jù)輸入的扭矩和車速信號，結(jié)合助力特性曲線計算獲得助力電機(jī)的目標(biāo)助力轉(zhuǎn)矩，即目標(biāo)助力電流，與助力電機(jī)電流反饋信號比較，構(gòu)成電流的閉環(huán)控制，基于設(shè)計的控制策略和算法(PID 控制算法居多)，控制PWM 模塊輸出對應(yīng)的PWM 波的占空比，以獲得驅(qū)動控制實(shí)際電流。經(jīng)由前置驅(qū)動電路進(jìn)行功率放大，驅(qū)動控制電路使助力電機(jī)得以跟蹤目標(biāo)電流，將相應(yīng)大小及方向的扭矩傳遞給轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，產(chǎn)生助力轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)向輪克服地面阻力，達(dá)到輕便轉(zhuǎn)向的目的［3－6］。

此外，系統(tǒng)的控制精度和可靠性不容忽視，系統(tǒng)通過電流傳感器來監(jiān)測助力電機(jī)電流，ECU 也控制電機(jī)繼電器，實(shí)現(xiàn)對助力電機(jī)的過流、過載保護(hù)，當(dāng)母線電流傳感器檢測到電流過載或電機(jī)發(fā)生故障時，斷開繼電器，關(guān)斷驅(qū)動電路，保證系統(tǒng)的安全性;最后，設(shè)計報警指示電路，使系統(tǒng)具有故障自診斷及報警功能，保證行駛安全。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 微控制器選擇

EPS 系統(tǒng)控制以ECU 為核心，需要對轉(zhuǎn)矩、車速、電流等傳感器信號進(jìn)行實(shí)時、高速、高精度采集，并按照預(yù)定的控制策略和控制算法產(chǎn)生一定占空比的PWM 波，以獲取目標(biāo)電流驅(qū)動助力電機(jī)。另外，選擇微處理器時需要考慮運(yùn)算速度和精度、片內(nèi)、外設(shè)資源、存儲空間、功耗、配套的軟件開發(fā)環(huán)境及性價比等因素［3－4］。綜合考慮，選取Freescale 16 位定點(diǎn)微控制器MC56F8257 作為主控芯片，它是一款面向中端產(chǎn)品市場、基于DSP56800E 內(nèi)核的DSC 芯片，結(jié)合了MCU 與DSP 的優(yōu)點(diǎn)，具有靈活的外圍設(shè)備，可以運(yùn)行控制需要的復(fù)雜算法，且系統(tǒng)成本更低，適合電動叉車EPS 系統(tǒng)控制器的開發(fā)要求。

2.2 助力電機(jī)驅(qū)動及控制電路

電動叉車EPS 由車用蓄電池供電，因此助力電機(jī)采用直流電動機(jī)，驅(qū)動控制電路的設(shè)計是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心和關(guān)鍵［3－5］。本系統(tǒng)中，電機(jī)的控制采用全控型的開關(guān)功率元件進(jìn)行脈寬調(diào)制(PWM)的控制方式。

電動叉車EPS 系統(tǒng)中助力電機(jī)的一般額定電壓為24 V，過流時電流可達(dá)到60 A，瞬間極限沖擊電流有時甚至?xí)_(dá)到80 A 以上，因此，根據(jù)控制要求選取IRF540 作為功率開關(guān)器件比較合適。然而，MOSFET 柵極驅(qū)動電壓信號一般不小于10 V，而微控制器輸出為弱電信號，所以不能直接應(yīng)用于功率驅(qū)動，必須將單片機(jī)輸出的弱電控制信號轉(zhuǎn)換為強(qiáng)電控制信號才能應(yīng)用于功率驅(qū)動，為此搭建了H 型雙極模式PWM 功率轉(zhuǎn)換電路，如圖2 所示。它對開關(guān)功率原件的耐壓能力相對要求較低，符合叉車驅(qū)動控制要求。

圖2 助力電機(jī)驅(qū)動控制電路

2.3 軟件設(shè)計

鑒于數(shù)字信號控制器(DSC)在電機(jī)控制、功率轉(zhuǎn)換和傳感器處理中的廣泛應(yīng)用，本文基于DSC 嵌入式開發(fā)平臺搭建了EPS 控制系統(tǒng)，由采集處理的扭矩、車速信號和直線型助力特性方程計算確定PWM 占空比的大小，結(jié)合采集處理的電流信號進(jìn)行閉環(huán)控制，基于目標(biāo)電流與反饋電流的偏差，采用控制算法進(jìn)行調(diào)節(jié)?？刂瞥绦蛟O(shè)計采用模塊化設(shè)計方法，按功能劃分為主程序、子程序和中斷服務(wù)程序三個部分。主程序主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化，輪詢各狀態(tài)標(biāo)志位，進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣與處理，并根據(jù)扭矩信號方向標(biāo)志控制電機(jī)助力轉(zhuǎn)向，發(fā)出相應(yīng)的控制指令等;子程序主要是根據(jù)系統(tǒng)助力特性方程，計算當(dāng)前目標(biāo)助力電流的大小;各種控制任務(wù)都是由中斷服務(wù)程序完成的［3－7］。其執(zhí)行流程如圖3(a)所示。若出現(xiàn)系統(tǒng)故障，則斷開繼電器，不提供助力。由于本控制系統(tǒng)并不復(fù)雜，為了簡化控制起見，實(shí)際控制中只采用PI 控制，如圖3(b)所示，以保證控制的準(zhǔn)確性、靈活性和穩(wěn)定性。

圖3 主程序流程圖

3 臺架實(shí)驗與調(diào)試

臺架實(shí)驗方便系統(tǒng)控制系統(tǒng)參數(shù)的在線調(diào)整，安全性較高，同時可縮短控制系統(tǒng)的開發(fā)周期并節(jié)約成本，主要目的是驗證開發(fā)的控制系統(tǒng)和上位機(jī)的正確性、可行性。雖然臺架實(shí)驗不能完全模擬實(shí)車的路況變化，但是可以通過氣缸壓力加載、磁粉制動器加載、螺旋彈簧加載、液壓加載、軟件加載、伺服電動機(jī)加載等方式模擬地面的轉(zhuǎn)向阻力矩，本實(shí)驗采用的是氣缸對行走電動機(jī)的壓力來模擬正壓力［4－5］。

3.1 樣機(jī)設(shè)計

臺架實(shí)驗使用的樣機(jī)是根據(jù)叉車的空間尺寸和按照實(shí)物的數(shù)據(jù)設(shè)計和制作的，同時還考慮到后繼控制測試的需要，采用可拆卸、組裝設(shè)計，便于以后加不同的器材進(jìn)行性能改進(jìn)實(shí)驗，圖4 為樣機(jī)的3D模型圖。將增量編碼器與臺架的減速機(jī)構(gòu)連接，并與行走電機(jī)同步，通過增量編碼器反饋行走電機(jī)的轉(zhuǎn)向角度，與方向盤轉(zhuǎn)向角度進(jìn)行對比反饋和校準(zhǔn)，從而使行走電機(jī)的轉(zhuǎn)向與方向盤的轉(zhuǎn)向一致。

圖4 樣機(jī)3D 模型圖

3.2 臺架實(shí)驗

在前面設(shè)計的軟硬件的基礎(chǔ)上，助力電機(jī)選用永磁無刷直流電動機(jī)，基于MC56F8257DSC 開發(fā)平臺，搭建了電動叉車EPS 實(shí)驗臺架:臺架機(jī)械部分，控制和信號采集模塊以及上位機(jī)。通過臺架實(shí)驗，測出不同載重下叉車電動助力轉(zhuǎn)向EPS 控制系統(tǒng)的角度跟隨的數(shù)據(jù)，如圖5 所示。實(shí)驗結(jié)果顯示，在加載不同重物的情況下，EPS 控制系統(tǒng)能夠適應(yīng)工況變化，有較快的響應(yīng)速度和可靠性，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角的變化與方向盤轉(zhuǎn)角的變化趨勢呈現(xiàn)一致性，有較好地跟隨性能，符合產(chǎn)品設(shè)計要求。另外，通過控制實(shí)驗曲線可以看出，控制系統(tǒng)角度跟隨存在延遲，在不斷加載負(fù)載的狀態(tài)下，使延遲加大，但延遲的結(jié)果基本上成線性，大概為0.2 s，這是因為在EPS 系統(tǒng)中都會存在一些慣性和阻尼環(huán)節(jié)，為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，后期可以在控制系統(tǒng)的輸入量中增加方向盤轉(zhuǎn)速的變化率，通過相應(yīng)的控制算法引入助力補(bǔ)償控制［5－7］。

圖5 負(fù)載測試角度跟隨特性

4 結(jié) 語

展開電動叉車EPS 控制系統(tǒng)研究是對國內(nèi)電動叉車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)際開發(fā)工作的一次嘗試，本文對電動叉車EPS 控制系統(tǒng)軟件和硬件設(shè)計，并從樣機(jī)設(shè)計開發(fā)的角度，進(jìn)行了電動叉車用EPS 控制系統(tǒng)的臺架實(shí)驗，實(shí)驗結(jié)果表明本系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度和良好的跟隨性能，能夠滿足電動叉車對轉(zhuǎn)向性能的要求。另外，基于MC56F8257 DSC 開發(fā)平臺，設(shè)計的控制系統(tǒng)具有開發(fā)簡單、移植方便的優(yōu)點(diǎn)，對控制程序進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)置和修改，即能適應(yīng)不同的車型，也可以進(jìn)行個性化設(shè)計，滿足不同駕駛者的操作習(xí)慣和要求。

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