電動(dòng)叉車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：叉車多用于擁擠的廠房、碼頭等地，貨物沉重，因此需具備良好的轉(zhuǎn)向特性。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對以往的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了改善，能夠達(dá)到叉車的靈活性與穩(wěn)定性的要求。根據(jù)理想傳動(dòng)比的概念，以叉車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為研究對象，結(jié)合叉車自身特點(diǎn)與對轉(zhuǎn)向特性的要求，設(shè)計(jì)以車速、方向盤轉(zhuǎn)角為變量的變傳動(dòng)比函數(shù)，運(yùn)用模糊控制策略建立傳動(dòng)比函數(shù)。此設(shè)計(jì)進(jìn)一步改善了叉車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向性能，提高了保證系數(shù)。根據(jù)TE30型托盤搬運(yùn)叉車的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際計(jì)算和分析，利用模糊控制的方法設(shè)計(jì)的傳動(dòng)比函數(shù)能夠根據(jù)車速與方向盤轉(zhuǎn)角精確的計(jì)算出相應(yīng)的傳動(dòng)比，使轉(zhuǎn)向輪獲得相應(yīng)的轉(zhuǎn)角，滿足叉車對轉(zhuǎn)向特性的要求。

關(guān)鍵詞：叉車；線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；靈敏度；傳動(dòng)比

中圖分類號：U46 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）10（b）-0000-00

0引言

叉車是最為常見專用車輛，其工作場所、運(yùn)輸對象等因素決定了其要有較高的轉(zhuǎn)向特性。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)過幾代轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的改善與發(fā)展，省去了轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的機(jī)械連接機(jī)構(gòu)，由電機(jī)提供轉(zhuǎn)向力矩和路感信息，實(shí)現(xiàn)了對車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主動(dòng)控制，提高了車輛的操縱穩(wěn)定性，使用于叉車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

本文以TE30型電動(dòng)叉車為研究對象，闡述線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理，介紹其組成部件，分析其數(shù)學(xué)模型。傳動(dòng)比可根據(jù)駕駛員駕駛的舒適度進(jìn)行自由設(shè)計(jì)是線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大的特點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)重點(diǎn)在于設(shè)計(jì)傳動(dòng)比函數(shù)。橫擺角速度增益是車輛操作穩(wěn)定性的指標(biāo)之一，本文用其衡量傳動(dòng)比函數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。

1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理與模型

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由五個(gè)部分組成，分別為：轉(zhuǎn)向盤總成、轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成、控制器（ECU）、自動(dòng)防故障系統(tǒng)和電源。

1.1線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理：當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)把手（即方向盤）時(shí)，傳感器將轉(zhuǎn)矩信號、轉(zhuǎn)角信號及車速信號等轉(zhuǎn)換為電信號并傳遞給主控制器ECU，ECU對這些傳感器傳來的信號進(jìn)行分析與計(jì)算并發(fā)出控制控制轉(zhuǎn)向電機(jī)的指令，最終實(shí)現(xiàn)車輪的轉(zhuǎn)向。

沒有了轉(zhuǎn)向盤與把手之間的機(jī)械連接，傳動(dòng)比也不再是固定值。

1.2線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型

TE30型電動(dòng)叉車相對于其他叉車結(jié)構(gòu)較為簡單，建模時(shí)可忽略非線性部分進(jìn)行合理簡化，簡化為只包含把手、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向電機(jī)、齒輪和轉(zhuǎn)向輪等幾個(gè)重要?jiǎng)恿W(xué)元件的物理模型。

轉(zhuǎn)向手把模塊數(shù)學(xué)模型：

（1）

1.路感電機(jī)模型

（2）

路感電機(jī)電樞回路的方程為：

（3）

（4）

由電機(jī)機(jī)械特性有：

（5）

由克?；舴蚨捎校?/p>

（6）

電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

（7）

2.轉(zhuǎn)向輪及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)[ ]：

（8）

2變傳動(dòng)比函數(shù)的設(shè)計(jì)

2.1傳動(dòng)比的概念

傳動(dòng)比定義為轉(zhuǎn)向把手轉(zhuǎn)角 與轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角 的比[2]，用 表示，表達(dá)式如下：

（9）

轉(zhuǎn)向增益是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要參數(shù)，其有兩種表述，一種是橫擺角速度 與轉(zhuǎn)向手把轉(zhuǎn)向角 的比，用 表示；另一個(gè)是橫擺角速度 與前輪轉(zhuǎn)角 比，用 表示。穩(wěn)態(tài)條件下，根據(jù)二自由度整車模型，可得：

（10）

（11）

（12）

將式（12）變形得到：

（13）

其中，

由上式可知，傳動(dòng)比與車輛參數(shù)、車速、轉(zhuǎn)向角和橫擺角速度有關(guān)。

2.2分析影響傳動(dòng)比的因素

當(dāng)車輪轉(zhuǎn)一個(gè)很小的角度時(shí)，為提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的精確性，此時(shí)把手的轉(zhuǎn)角應(yīng)增大，即傳動(dòng)比的值較大使系統(tǒng)響應(yīng)“遲鈍”；當(dāng)車輪轉(zhuǎn)一個(gè)較大的角度時(shí)，為保證系統(tǒng)響應(yīng)速度，此時(shí)把手的轉(zhuǎn)角應(yīng)較小，即傳動(dòng)比的值較小使系統(tǒng)“靈活”。這樣就解決了系統(tǒng)反應(yīng)精度與速度之間的矛盾，降低駕駛員負(fù)擔(dān)。由此可知，傳動(dòng)比與轉(zhuǎn)向角有關(guān)，根據(jù)以上分析將傳動(dòng)比設(shè)計(jì)為與轉(zhuǎn)向角成倒U形的函數(shù)。

當(dāng)電動(dòng)叉車行駛速度較低或是靜止轉(zhuǎn)向時(shí)，靜摩擦力使得轉(zhuǎn)向阻力矩較大，此時(shí)駕駛員體力消耗較大，為使轉(zhuǎn)向“輕便”減小駕駛員的體力消耗傳動(dòng)比的值應(yīng)小些；當(dāng)電動(dòng)叉車高速行駛轉(zhuǎn)向時(shí)，由于動(dòng)摩擦力較小，相應(yīng)的轉(zhuǎn)向阻力矩也很小，為防止電動(dòng)叉車“發(fā)飄”傳動(dòng)比的值應(yīng)大些，使橫擺角速度增益減小，提高叉車的操縱穩(wěn)定性。

2.3傳動(dòng)比的確定

電動(dòng)叉車的行駛速度一般限制在15km/h以內(nèi)，與其他車輛相比車速較慢，可將傳動(dòng)比劃分為三個(gè)等級，如式（21）所示。 （24）

當(dāng)車速小于 時(shí)，傳動(dòng)比設(shè)為定值 。由于方向盤轉(zhuǎn)到最大角度 時(shí)，叉車的前輪轉(zhuǎn)角極限值為 此時(shí)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動(dòng)比為

（21）

當(dāng)車速大于 時(shí)，輪胎能夠提供的側(cè)向力達(dá)到了極限值，因此，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動(dòng)比不能再增大，此時(shí)為最大值 。

根據(jù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)理想傳動(dòng)比公式確定 1。結(jié)合叉車的特殊性和吉林大學(xué)汽車動(dòng)態(tài)模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室得出結(jié)論可知，橫擺角速度增益 0.4時(shí)駕駛員的主觀評價(jià)和感覺最好[24]，從而確定 13.66，取整數(shù)13。

以上分析與計(jì)算都是靜態(tài)下得到的結(jié)果，但叉車實(shí)際行駛中經(jīng)常處于動(dòng)態(tài)過程。因此提出變傳動(dòng)比模糊控制。

上述分析與計(jì)算是在靜態(tài)特性下得出的結(jié)果，但實(shí)際上叉車行駛是處在動(dòng)態(tài)過程，所以提出變傳動(dòng)比模糊控制。

3模糊變傳動(dòng)比控制器設(shè)計(jì)

傳動(dòng)比與車速和方向盤轉(zhuǎn)角有關(guān)，因此車速 和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角 作為該控制器的輸入，傳動(dòng)比 為輸出[7]。 和 為輸入量化因子， 為輸出比例因子。車速 和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角 的精確量經(jīng)量化后，實(shí)現(xiàn)由精確量向模糊量的轉(zhuǎn)化，再經(jīng)過模糊控制決策和推理后送到解模糊化部分，實(shí)現(xiàn)模糊亮相精確量的轉(zhuǎn)化，輸出量經(jīng)比例因子后得到精確量傳動(dòng)比 的輸出[8-9]。

TE30型電動(dòng)叉車車速在[0，15]km/h，方向盤轉(zhuǎn)角范圍為[-90，90]度，輸出傳動(dòng)比范圍在[1，13]。比例因子 2， 1， 1。變量 、 、 分別取7個(gè)級別的語言值，即PB（正大）、PM（正中）、PS（正小）、Z（零）、NS（負(fù)?。?、NM（負(fù)中）、NB（負(fù)大），每一級別對應(yīng)一個(gè)語言變量[10]。

{NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB}，對應(yīng)語言值為{0，5，10，15，20，25，30}；

{NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB}，對應(yīng)語言值為{-90，-60，-30，0，30，60，90}；

{NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB}，對應(yīng)語言值為{1，2，4，6，8，10，13}。

本系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則可歸納成表1。

表1車速、方向盤轉(zhuǎn)角兩輸入變傳動(dòng)比模糊控制規(guī)則表

v

NBNMNSZPSPMPB

NBNBNBNMNSZPSPM

NMNMNMNSZPSPMPB

NSNSNSZPSPSPMPB

ZZZPSPSPMPBPB

PSNSNSZPSPMPMPB

PMNMNMNSZPMPMPB

PBNBNBNMNSPSPSPM

4結(jié)束語

目前線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)普遍用于乘用車輛，本文將線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用在電動(dòng)叉車上，對于電動(dòng)叉車的發(fā)展有著啟發(fā)性的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 于蕾艷，林逸，施國標(biāo).線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制策略[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39（1）：4 - 6.

[2] 廖林清，王偉，屈翔.基于橫擺角速度增益的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可變傳動(dòng)比[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，，25（4）：1 - 5.

[3] Baslamisli S C， Polat I， Kose I E.Gain scheduled active steering control based on a parametric bicycle model[C]//Intelligent Vehicles Symposium.New York：IEEE，2007：1168 - 1173.

[4] 劉志遠(yuǎn)，周洪亮.汽車橫擺的動(dòng)態(tài)模型[J].控制理論與應(yīng)用，2011，28（8）：1145 - 1150.

[5] 宗長富，鄭宏宇.線控轉(zhuǎn)向穩(wěn)態(tài)增益與動(dòng)態(tài)反饋校正控制算法[J].汽車工程，2007，29（8）：686-691.

[6] 鄭宏宇，宗長富.基于理想轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比的汽車線控轉(zhuǎn)向控制算法[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，37（6）：1229 - 1235.

[7] 姚江云，孔峰，吳方圓.線控轉(zhuǎn)向汽車傳動(dòng)比智能控制策略的研究[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2012，20（3）：678 - 680.

[8] 徐小東，張冰戰(zhàn).基于模糊邏輯的混合動(dòng)力汽車控制策略研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，35（6）：725 - 728.

[9] 李鴻明，畢翔，魏振春，韓江洪，王啟忠.基于模糊控制的規(guī)劃描述方法研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，34（4）：493 - 496.

[10] 楊勝兵.線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2008.

[11]吳佳楠，肖本賢，方興志，范進(jìn).基于模糊控制的叉車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)變傳動(dòng)比研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，37（8）：912-915.