與叉車方向盤轉(zhuǎn)速正相關(guān)的轉(zhuǎn)向油泵電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)及方法

文/張再磊 程勝

叉車在駕駛過程中，有時候會出現(xiàn)轉(zhuǎn)向沉重費(fèi)力的現(xiàn)象，成為讓叉車司機(jī)頭疼的問題。叉車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要采用液壓轉(zhuǎn)向方式，當(dāng)轉(zhuǎn)向所需油量不足時，會導(dǎo)致方向盤操縱力大，操作者易疲勞。目前叉車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的典型問題，存在于初始啟動轉(zhuǎn)向階段、快速轉(zhuǎn)向階段和極限轉(zhuǎn)角階段，對叉車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在初始啟動、過程操作及原地轉(zhuǎn)向時，均需要方向盤靈活輕便、響應(yīng)快，從而降低駕駛難度，降低駕駛員疲勞度。

一、解決方案

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本文提供一種適用于叉車的、與方向盤轉(zhuǎn)速正相關(guān)的轉(zhuǎn)向油泵電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)及方法，能夠有效提高車輛轉(zhuǎn)向時的跟隨性，同時達(dá)到節(jié)能的效果，且對硬件要求改動小，成本低，提高產(chǎn)品性價比。

具體技術(shù)方案如下：

一種適用于叉車的與方向盤轉(zhuǎn)速正相關(guān)的轉(zhuǎn)向油泵電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，包括：轉(zhuǎn)向控制單元以及與轉(zhuǎn)向控制單元連接的方向盤轉(zhuǎn)速傳感器和轉(zhuǎn)向電機(jī)速度編碼器；其中，方向盤轉(zhuǎn)速傳感器安裝在叉車開關(guān)內(nèi)，并與叉車方向盤同步旋轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)向電機(jī)速度編碼器內(nèi)置在叉車的轉(zhuǎn)向電機(jī)中。

方向盤轉(zhuǎn)速傳感器用于實(shí)時采集方向盤轉(zhuǎn)速信號，并將方向盤轉(zhuǎn)速信號傳送給轉(zhuǎn)向控制單元。

轉(zhuǎn)向控制單元用于根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行處理和運(yùn)算，獲得方向盤轉(zhuǎn)速值，并根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)速值計算出所需的電機(jī)轉(zhuǎn)速值，再根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速值向轉(zhuǎn)向電機(jī)發(fā)送速度調(diào)節(jié)信號。

圖1 施例1提供的轉(zhuǎn)向油泵電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

圖2 轉(zhuǎn)向控制單元與其他元器件的連接關(guān)系電路原理圖

圖3 實(shí)施例2提供的轉(zhuǎn)向油泵電機(jī)調(diào)速方法的總流程圖

圖4 方向盤轉(zhuǎn)速與油泵電機(jī)轉(zhuǎn)速正相關(guān)調(diào)速邏輯圖

圖5 方向盤轉(zhuǎn)速與油泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系坐標(biāo)圖

圖6 轉(zhuǎn)向橋角度與油泵電機(jī)轉(zhuǎn)速定量調(diào)速邏輯圖

轉(zhuǎn)向電機(jī)速度編碼器用于檢測、反饋電機(jī)的實(shí)時速度信號，并發(fā)送給轉(zhuǎn)向控制單元，形成速度閉環(huán)控制。

一種適用于叉車的與方向盤轉(zhuǎn)速正相關(guān)的轉(zhuǎn)向油泵電機(jī)調(diào)速方法，基于本文方案中提供的轉(zhuǎn)向油泵電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，包括如下步驟：

步驟S101，利用方向盤轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)時采集方向盤轉(zhuǎn)速信號，并將方向盤轉(zhuǎn)速信號傳送給轉(zhuǎn)向控制單元。

步驟S102，利用轉(zhuǎn)向控制單元根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行處理和運(yùn)算，獲得方向盤轉(zhuǎn)速值S，并根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)速值S計算所需的電機(jī)轉(zhuǎn)速值T，再根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速值T向轉(zhuǎn)向電機(jī)發(fā)送速度調(diào)節(jié)信號。

步驟S103，利用轉(zhuǎn)向電機(jī)接收速度調(diào)節(jié)信號，并根據(jù)速度調(diào)節(jié)信號實(shí)時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。

步驟S104，利用轉(zhuǎn)向電機(jī)速度編碼器檢測轉(zhuǎn)向電機(jī)實(shí)時轉(zhuǎn)速并反饋給轉(zhuǎn)向控制單元，形成閉環(huán)精確控制。

二、方案實(shí)施

為了便于理解本方案，下面將結(jié)合具體的實(shí)施例對本技術(shù)方案進(jìn)行更全面的描述。但是，該技術(shù)方案可以許多不同的形式來實(shí)現(xiàn)，并不限于本文所描述的實(shí)施方式。

針對叉車特有的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)和目前存在的問題，本方案從五個方面對叉車液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)化。

其一：提出在轉(zhuǎn)向過程控制的基礎(chǔ)上，引入轉(zhuǎn)向啟動補(bǔ)償控制，在啟動的起始階段采用大轉(zhuǎn)速模式以提供充足的轉(zhuǎn)向油量。

從靜止?fàn)顟B(tài)啟動的瞬間，汽車轉(zhuǎn)向輕，叉車轉(zhuǎn)向重，這是因?yàn)椴孳嚨那胺绞茄b貨區(qū)，后輪是配重區(qū)，叉車不動的時候 車輪跟地面的接觸面積大，摩擦力就很大，而且叉車不動，車身就比較穩(wěn)定，方向就更難打。而叉車因?yàn)槎掏巨D(zhuǎn)運(yùn)需要頻繁啟動和轉(zhuǎn)向，因此在這種工況下，需解決叉車原地從靜止?fàn)顟B(tài)啟動時，叉車負(fù)載對車輛操縱輕便性的影響。

應(yīng)用結(jié)果表明，引入初始轉(zhuǎn)向啟動補(bǔ)償控制后，明顯減小了方向盤操作力矩，加快了響應(yīng)速度，改善了叉車的轉(zhuǎn)向啟動性能。

其二：結(jié)合叉車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動比特性，設(shè)計了基于方向盤轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，因?yàn)椴孳嚨慕Y(jié)構(gòu)簡單，只需要控制轉(zhuǎn)向電機(jī)的轉(zhuǎn)速即可達(dá)到控制轉(zhuǎn)向油量的目的，單目標(biāo)控制使得控制過程簡單、相應(yīng)快速。

叉車頻繁轉(zhuǎn)向，且要求車輛運(yùn)載貨物平穩(wěn)，但是叉車的方向盤要比汽車的靈活，車輛轉(zhuǎn)過同樣的角度，方向盤所需轉(zhuǎn)動的圈數(shù)要比汽車多，比如通常汽車需要打1.5圈，而叉車需要打4.5圈； 因此，叉車需要駕駛員對方向盤的操作更快。

圖7 轉(zhuǎn)向橋角度與油泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系坐標(biāo)圖

圖8 方向盤轉(zhuǎn)速傳感器信號缺失的容錯邏輯圖

而且每次打方向，叉車方向盤的位置和輪子的位置都是不一樣的，并不是和汽車一樣有個固定的位置，因此在快速轉(zhuǎn)動方向盤時，若因轉(zhuǎn)向油量不足，出現(xiàn)方向盤轉(zhuǎn)向沉重，不僅駕駛員易疲勞，同時還因?yàn)檗D(zhuǎn)向跟隨性差，轉(zhuǎn)向速度跟不上，還會發(fā)生因操作空間小而導(dǎo)致的碰撞事故。

應(yīng)用結(jié)果表明，采用該方法控制時，叉車低速轉(zhuǎn)向輕盈靈敏，高速轉(zhuǎn)向穩(wěn)健厚重。

其三：考慮叉車原地轉(zhuǎn)向工況下，轉(zhuǎn)向角度最大時所需克服的轉(zhuǎn)向力矩最大，控制轉(zhuǎn)向電機(jī)以設(shè)定的最大轉(zhuǎn)速運(yùn)行，提供足夠的轉(zhuǎn)向油量。

叉車工作的場所空間狹小，轉(zhuǎn)彎半徑小，當(dāng)原地轉(zhuǎn)向時，車輪轉(zhuǎn)角在極限位置，此時轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的阻力最大，轉(zhuǎn)向油路需要更多的油量才能克服轉(zhuǎn)向阻力，若此時油量跟不上，也需要更大的方向盤操作力。

其四：分析了叉車使用工況的特殊性，引入誤觸發(fā)防范機(jī)制，防止叉車在重載、小空間范圍內(nèi)，因?yàn)轳{駛員誤觸發(fā)方向盤，使叉車突然轉(zhuǎn)向引起的安全事故，提高叉車的駕駛安全。測試結(jié)果表明該防觸發(fā)控制滿足叉車要求。

其五：考慮到叉車采用的交流異步感應(yīng)電機(jī)在低速運(yùn)行狀態(tài)下的效率低、發(fā)熱大的弊端，盡量減少轉(zhuǎn)向電機(jī)的工作時間，一方面起到節(jié)能的效果，同時也降低部件的損耗，提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可靠性。所以叉車在直線行駛時，關(guān)閉轉(zhuǎn)向電機(jī)運(yùn)行，節(jié)約能源同時降低部件損耗。

圖9 轉(zhuǎn)向橋角度信號缺失的容錯邏輯圖

三、優(yōu)勢分析

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本方案具有以下有益效果：

1.采用方向盤轉(zhuǎn)速傳感器與方向盤做同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，并將方向盤的轉(zhuǎn)速信息變量實(shí)時送入轉(zhuǎn)向控制單元，從而轉(zhuǎn)向控制單元能根據(jù)輸入變量（S），來確定的轉(zhuǎn)向控制變量（M）。

2.對方向盤啟動瞬間、過程、終端的工況分別控制，對轉(zhuǎn)向電機(jī)的控制過程達(dá)到了無極調(diào)速，使操作手感更加平滑、省力。

3.對傳感器失效偶發(fā)事件也制定了備用措施，使車輛仍然保持正常工作，提供了失效狀態(tài)下的備用安全措施；另外，結(jié)合車輛的轉(zhuǎn)向輪角度信息，直線行駛時工況下，不需要轉(zhuǎn)向時，自動開啟轉(zhuǎn)向電機(jī)停機(jī)模式以避免無用功消耗；而對于類似于原地轉(zhuǎn)向的大轉(zhuǎn)角工況時，自動開啟高速模式，用于轉(zhuǎn)向死點(diǎn)時的油量補(bǔ)償，以改善操作手感，減輕操作者工作疲勞。甚至對于方向盤誤觸發(fā)的偶然情況也提供了應(yīng)對方案，不觸發(fā)電機(jī)運(yùn)行，以減少能量損耗。

四、小結(jié)

本文所提供的方案考慮了工程機(jī)械的使用工況和實(shí)際需求，通過優(yōu)化控制策略、增加選項(xiàng)設(shè)置參數(shù) ，以極低的成本增加即可解決行業(yè)普遍存在的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在急速轉(zhuǎn)向工況下，因轉(zhuǎn)向供油量不足所導(dǎo)致的轉(zhuǎn)向沉重問題。此外，因工程車輛使用的環(huán)境惡劣，使用頻度高、時間長、操作熟練程度不均、操作者流動性大等特點(diǎn)，增加了誤觸發(fā)判斷、啟動短時補(bǔ)償?shù)膶?yīng)控制策略；為降低車輛的誤工率，同時還準(zhǔn)備了備選參數(shù)，當(dāng)傳感器部件無法正常工作或缺失時，仍能保證叉車安全模式下的正常運(yùn)行，具有明顯的實(shí)用效果。