摘 要

当代社会几乎家家都有自己的汽车，汽车已经融入到人们的生活中，发展汽车功能也就是改善人们的生活，而转向系统是汽车一个十分重要的部分，与传统液压动力式转向控制系统不同，电力动力式转向控制系统有结构简单，随动性好，操作轻便灵活，能耗小，无污染等优点，因此电力动力式转向控制系统已基本取代传统的液压动力式转向控制系统本文研究的是在电动托盘车上使用的电助力转向控制系统。电助力转向控制系统是依据助力电机来帮助驾驶员更省力地进行转向操作的，本文使用单片机进行转向系统的模拟设计，当然实际中的电动托盘车转向控制系统要更加复杂，但原理大同小异，此处使用学校里常见的51单片机来设计整个电路，并使用定时器产生PWM波来控制电机驱动芯片，从而控制电机的转向及其转矩帮助驾驶员转向。

关键词：EPS ； 转向控制系统 ； 电动托盘车

Abstract

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Contemporary society almost everyone has their own car, the car has been integrated into people's lives, the development of automobile function is to improve people's lives, and the steering system is a very important part of the car, with traditional hydraulic power steering control system different electricity power steering control system has a simple structure, with the dynamic is good, light and flexible operation, low energy consumption, pollution, etc., so the electric power-steering control system has replaced the traditional hydraulic power steering control system of this study in electrical power vehicles using electric pallet steering control system. Electric power steering control system is based on booster motors to help the driver more effortless steering operation, the steering system used herein microcontroller analog design, of course, the actual electric pallet truck steering control system is more complicated, but the principle is similar, this in common use at the school 51 MCU to design the whole circuit, and use a timer to generate PWM wave to control the motor driver chip to control the rotation of the motor and the steering torque to help the driver.窗体底端

Contemporary society almost everyone has their own car, the car has been integrated into people's lives, the development of automobile function is to improve people's lives, and the steering system is a very important part of the car, with traditional hydraulic power steering control system different electricity power steering control system has a simple structure, with the dynamic is good, light and flexible operation, low energy consumption, pollution, etc., so the electric power-steering control system has replaced the traditional hydraulic power steering control system of this study in electrical power vehicles using electric pallet steering control system. Electric power steering control system is based on booster motors to help the driver more effortless steering operation, the steering system used herein microcontroller analog design, of course, the actual electric pallet truck steering control system is more complicated, but the principle is similar, this in common use at the school 51 MCU to design the whole circuit, and use a timer to generate PWM wave to control the motor driver chip to control the rotation of the motor and the steering torque to help the driver.

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Keywords: EPS ; steering control system ; electric pallet trucks

目录

摘要 1

Abstract 2

目录 1

1.1电动托盘车转向控制系统研究的目的及意义 2

1.2 EPS的应用现状及前景分析 3

1.3电动托盘车转向控制系统的研究现状 3

1.4本文主要研究内容 3

第二章 电动托盘车转向系统的总体方案设计 5

2.1电助力转向控制系统的需求分析 5

2.2电动托盘车转向系统介绍 5

2.3电动托盘车电助力转向系统结构及其工作原理分析 7

2.3.1转矩传感器 7

2.3.2车速传感器 8

2.3.3直流电动机 8

2.3.4电流传感器 9

2.3.5电子控制单元 9

2.4 电动托盘车的助力模型 9

2.4.1 EPS的转向助力特性 9

2.4.2回正模型 11

2.4.3回正模式的判断 12

2.4.4回正模式的控制策略 12

2.5 本章小结 12

第三章 电动托盘车的电助力转向系统EPS的硬件设计 13

3.1电动托盘车转向控制系统总体方案 13

3.2微处理器选择 13

3.3复位电路和时钟电路 14

3.4电机控制原理介绍 14

3.5 AD转换芯片选择 17

3.6本章小结 19

第四章 电动托盘车电助力转向控制系统软件设计 20

4.1主程序 20

4.2转矩转向判断程序 21

4.3助力模型控制程序 22

4.4 PWM波产生程序 23

4.5 AD转换模块程序 24

4.6本章小结 26

结束语 27

总结 27

展望 27

参考文献 28

致谢 29

附录 30

附录A：单片机外电路 30

附录B：电机驱动电路 31

附录C：总电路设计 32

第一章 绪论

1.1电动托盘车转向控制系统研究的目的及意义

近年来，随着国内经济的发展，国内厂家越来越多的使用电动托盘车这种方便的工具，人们认识到发展电动托盘车的前景。对于电动托盘车的质量提升，除了优化其机械结构外，更主要的是在它的控制系统性能的完善；转向控制系统是电动托盘车的重要组成部分，其质量的好坏影响到驾驶员驾驶的安全性以及舒适性。本项目正是从这一点出发，研究电动托盘车系统，在详细分析和研究电动托盘车转向控制的相关技术及发展现状的基础上，确定电动托盘车转向控制的整体方案。最古老的电动托盘车转向控制系统是机械式的，机械式是以驾驶员人力作为转向能源的，通过传动装置来改变方向，这种方法比较费力，因此人们想到了在这种传统方式上加一个助力系统，从而创造了液压动力式转向系统。液压动力是以发动机作为助力能源的，通过改变油路大小来改变助力的。而电助力转向控制系统是依靠单独的电动机提供助力，控制电机的输出转矩即可控制助力大小，这种助力方式能耗小，无污染，可靠性高等优点，因此，我们这里研究的是电子动力式的转向控制系统。  

电动托盘车由蓄电池供电，直流电机驱动，站立型驾驶，一般载重1~2吨，由于其平稳快捷，作业方便，操作灵活，噪音低，低污染等优点，电动托盘车非常适合在仓库、车间，超市等场所作业，中国经济的不断发展使得对其需求量也越来越大。目前从事电动托盘车的企业国外主要有林德、永恒力、海斯特等。在国内主要有安徽电动托盘车、杭州电动托盘车、宁波如意等。而电动托盘车一个很重要的部分就是转向控制系统，即实现转向的自动控制，是驾驶电动托盘车的关键。其中相比于液压动力式转向控制系统，电力动力式转向控制系统有结构简单，随动性好，操作轻便灵活，能耗小，无污染等优点，在国外，电力动力式转向自动控制系统已基本取代传统的液压动力式转向控制系统，由于国内许多技术依赖于国外先进技术，加上近几年国内电子技术不断的发展，国产电力动力式系统也迅速发展。然而，不可否认的是，国内生产的产品多数集中在手动搬运车，低起升电动托盘车等技术含量较低的工业车上。起升高，自动化程度高的工业车多依赖于进口。与国外相比，国内电动托盘车还处于刚起步的阶段，相对研发精力也投入不足，因此，有必要对电动托盘车进一步研究，改善其电机控制，提升国产电动托盘车的竞争力。该课题研究的主要内容是设计电子动力式转向控制系统，在了解和分析该控制系统的工作原理，确定控制系统总体设计框图和控制方案。目标即便是设计一种开发简单，维护方便，性价比高的电子动力控制器。

1.2 EPS的应用现状及前景分析

现在许多汽车仍然使用的是液压助力转向控制系统，其利用发动机作为助力来源，带动液压泵来提供助力，并通过带动扭杆来控制油路大小来控制助力的。这种系统虽然相对于传统的转向系统来说较为省力，但由于其助力大小只与方向盘转角有关，因此其稳定性和安全性都不能得到保障，而且能耗较高，效率较低。为了弥补液压助力式转向控制系统人们研发出电助力转型控制系统。电助力转向控制系统是由蓄电池供电的，并且只有在需要转向的时候才控制转向电机提供助力，而且提供的助力大小是根据车速以及转角等信息来辨别的，不是为一个定值，而是根据车速的大小分析计算所需要提供的助力大小，可以使汽车运行更加平稳，也可以有效的降低能耗。电助力转向控制系统最早用于日本的微型汽车上。之后奔驰和西门子也开始投资进行EPS系统的研究。90年代初，日本三菱，美国Delphi等公司相继推出了自己的EPS。此后EPS技术渐渐走向成熟，汽车开始普遍安装了EPS系统，其中以中小型汽车为主，但是许多大型汽车仍然始应用于电动托盘车等工业用车上。目前欧美等发达国家所生产的汽车中也有近一半的份额是在使用液压助力转向系统，因为液压助力转向系统能提供大的转向力矩。我相信EPS系统将更加广泛的应用于各类汽车上，成为汽车必备的装置。后来EPS也开始应用于电动托盘车等车辆上，最早应用EPS技术的电动托盘车是一款由德国Jungheinrich公司于2000年生产的前移式电动托盘车。2007年以后，日本及欧洲各大汽车公司也相继推出了装有EPS系统的电动托盘车，抢占了大量电动托盘车市场。随着EPS技术在电动托盘车上渐渐广泛的应用，其产品凭借其优良性能迅速占领了大量国外市场。对于EPS的研究主要是控制算法研究，电机结构研究，操纵性及稳定性的研究，安全性及路感的研究。国外的研究人员由于较早进行电动托盘车转向控制系统的研究，因此对该领域的技术也比较成熟。目前，国外研究人员研究的主要方向为：采用何种控制算法和控制策略以使系统拥有更好的特性。常见的算法有：滑膜观测法，是通过估计转向转矩，地面的阻力矩和车辆的运行状态最终实现电机的角度跟踪给定的角度。该方法有很好的鲁棒性，响应速度和良好的路感。

1.3 电动托盘车转向控制系统的研究现状

在国内电助力转向控制系统的研发较晚，存在很多问题，为解决电动托盘车电助力转向控制系统的效率低下的问题，人们研究使得电助力转向系统中的助力电机只在转向时提供助力，从而减少消耗，提高电池电量的利用率。现在市场上常用的电动托盘车电助力转向控制系统使用有刷直流电机作为助力电机，有刷直流电机的优点在于易于控制，算法简单，由固定永磁体提供磁场，所以不需要设计专门的励磁电路，结构较为简单，体积也不大，控制也相对较简单。永磁式直流电机有无刷永磁直流电机和有刷永磁直流电机，其中有刷直流电机结构较为简单，而且成本比较低，控制算法也相对简单些。无刷直流电机虽然可靠性更高但控制算法比较复杂。所以此处选用有刷直流电机为控制对象。但现在先进的电动托盘车转向控制系统也有使用无刷直流电机的，无刷直流电机在控制算法上比有刷直流电机复杂但其可靠性较好。在许多大型汽车上仍然较多的使用的是液压助力式转向控制系统，液压助力式转向控制系统较为传统，液压助力式转向控制系统结构复杂易于损坏。其液压油在工作时会产生许多的热量，如果热量不能很好的冷却，会导致液压有受热老化，器件损坏等，因此液压助力系统需要配置一个冷却系统用于散热，也就导致整个转向助力系统的体积增大，因此使用电助力转向控制系统来取代液压助力转向控制系统势在必行，同时改进电机控制技术，减少电机转动时的摩擦力等，使得助力转向时能保持更好的路感，提高控制系统的性能，减少控制系统的整体体积，较少生产成本并使其更易于安装。使得控制系统与车辆其他系统有通讯联系，使其成为一个整体。另外，需要提高EPS控制系统的可靠性及其可操纵性。电助力控制系统所涉及到的技术先进，无污染，势必会成为未来的主流，也是未来车辆转向控制系统的发展方向。

1.4 本文主要研究内容

对EPS系统控制过程的分析，其控制策略及其基本原理的分析。EPS控制电路的设计，及其各芯片的选择，以及基本的算法设计等。

1. 查阅资料了解EPS系统的基本组成结构及其原理介绍，如EPS系统结构有传感器，中央控制单元，方向盘转矩传感器，电机电流传感器等等。
2. 研究电助力转向控制系统的总体设计方案，本文使用的是51单片机来作为控制单元，同时需要获取电机实际电流，因此需要AD转换芯片，同时，由于需要控制电机的转矩，需要使用电机驱动芯片来驱动电机运行。
3. 有了总体方案，还需要设计硬件电路，采用AT89C51以及ADC0804，L298等芯片来组成硬件电路。
4. 设计完硬件还需要设计软件来执行控制策略，设计各个模块的算法框图。

电动托盘车转向系统的总体方案设计

2.1电助力转向控制系统的需求分析

尽管在国外EPS系统渐渐流行起来，但在国内市场中。安装EPS系统的汽车只占市场份额很少的一部分。和全球平均水平相差较大，而我国自主研发的EPS系统则更少。而在电动托盘车市场中，国内大多数电动托盘车采用的是液压助力转向系统，载有EPS系统的电动托盘车几乎都是进口的。虽然国内也有部分厂家生产EPS，但在技术上相比于国外品牌还是有一定的差距，国外公司掌握着核心技术，而国内很多厂家都是购买国外控制器，自己开发的能力依然有限。我国应用在电动托盘车上EPS系统仍处在研发阶段，目前也产生了一定的成果。国内由于对电动托盘车上的EPS系统的研究相对较晚，任重而道远，需要研究的范围也比较广，包括控制算法，助力特性等。尽管国外EPS技术发展得比较成熟，但由于技术保密的原因，关于电动托盘车上装配的EPS系统的相关文献很少，同时也缺少一个公认的标准。

2.2电动托盘车转向系统介绍

电动托盘车的转向控制系统有以下几种形式