CN103963833A - 电动搬运车转向助力系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供电动搬运车转向助力系统，包括转向轮固定座、设在转向轮固定座上的转向轮、设在转向轮固定座上带动转向轮转动的牵引电机、设在转向轮固定座上的转向桥、设在转向轮固定座上的手柄座、设在手柄座上的方向盘传动轴、设在转向轮固定座上与转向桥配合从而带动转向轮转向的转向助力电机、连接在转向助力电机上的转向助力系统控制器，所述手柄座上设有与转向助力系统控制器连接的方向盘角度传感器，所述转向轮固定座上设有与转向助力系统控制器连接的转向轮角度传感器。能够有效地解决现有的转向助力系统存在的启动时间长、角度传感器易受干扰的问题，结构简单，工作更为可靠。
Description
技术领域
本发明涉及电动搬运车领域，具体涉及电动搬运车转向助力系统。
背景技术
现有技术中大吨量电动搬运车的转向助力系统存在着启动时间长、角度传感器易受干扰的问题，代表性的转向助力系统如中国专利CN10734280A，为用于搬运车的电子控制转向装置，由手柄、转向轴、方向轮、方向轮轴、直流电机、转向助力系统控制器、齿轮箱、第一传动机构、第二传动机构、和三个传感器构成，其技术方案是采用磁旋转编码器、磁钢作为角度传感器，电感式NPN或PNP型接近开关安装在搬运车本体上，被动轮上安装有铁块，开机时转向轮自转，直至接近开关检测到铁块来确定转向轮初始位置，其不足之处在于：1、每次启动时都需要经历冗长的自检过程，以确定转向轮的初始位置；2、在自检过程中，转向轮的自转会导致车身左右晃动，甚至导致车辆出现位移；3、所用角度传感器易受电机或制动器的磁场干扰而导致测量误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供结构简单、工作更为可靠的电动搬运车转向助力系统，能够有效地解决现有的转向助力系统存在的启动时间长、角度传感器易受干扰的问题。
为解决上述现有的技术问题，本发明采用如下方案：电动搬运车转向助力系统，包括转向轮固定座、设在转向轮固定座上的转向轮、设在转向轮固定座上带动转向轮转动的牵引电机、设在转向轮固定座上的转向桥、设在转向轮固定座上的手柄座、设在手柄座上的方向盘传动轴、设在转向轮固定座上与转向桥配合从而带动转向轮转向的转向助力电机、连接在转向助力电机上的转向助力系统控制器，所述手柄座上设有与转向助力系统控制器连接的方向盘角度传感器，所述转向轮固定座上设有与转向助力系统控制器连接的转向轮角度传感器。
作为优选，所述方向盘角度传感器包括设在手柄座上的与转向助力系统控制器连接的第一电路板模块、设在方向盘传动轴上的第一金属条，所述第一电路板模块由与第一金属条对应的电感式感测芯片和线圈相连组成，所述第一金属条采用弧状结构，固定在所述方向盘传动轴上，并且所述第一金属条的宽度或者厚度逐渐增大或者减小；所述转向轮角度传感器包括设在转向轮固定座上的与转向助力系统控制器连接的第二电路板模块、设在转向桥上的第二金属条，所述第二电路板模块由与第二金属条对应的电感式感测芯片和线圈相连组成，所述第二金属条采用弧状结构，固定在所述转向桥上，并且所述第二金属条的宽度或者厚度逐渐增大或者减小。有效避免外界磁场对传感器的影响，不需要零位置校准传感器，测量结果即为方向盘和转向轮的相对角度值，采用非接触式角度测量，有效避免了磨损，结构简单，精确稳定，经济实用。
作为优选，所述转向助力电机的转子上设有小齿轮，所述转向桥上设有大齿轮，所述小齿轮与大齿轮啮合传动。传动稳定，传动效率高。
作为优选，所述第一金属条、第二金属条和线圈的材料一致或者电阻温度系数一致。有效地减弱了温度对测量结果的影响，提高了测量精度。
作为优选，所述转向助力系统控制器包括电源模块、与方向盘角度传感器以及转向轮角度传感器连接的单片机信号处理模块、与转向助力电机连接的电机驱动模块，所述电源模块、电机驱动模块均与单片机信号处理模块连接。
作为优选，所述转向助力系统控制器还包括与转向助力电机连接的检测模块，所述检测模块连接在单片机信号处理模块上，所述检测模块采用温度检测模块或者电流检测模块或者两者均用。
作为优选，所述电源模块采用多路隔离电源，每个MOSFET采用独立电源进行驱动，信号均通过电磁耦合的方式进行隔离传输。
作为优选，所述电机驱动模块采用H桥电路实现，通过控制H桥中4路MOSFET的导通顺序来实现转向助力电机的正转、反转或者急停。
作为优选，所述检测模块采用温度检测模块时温度传感器采用热敏电阻，所述检测模块采用电流检测模块时电流传感器采用霍尔式线性电流传感器，当电流或温度超过限定值时，通过调整转向助力电机的输出功率来实现过流、过温保护。
有益效果：
本发明采用上述技术方案提供电动搬运车转向助力系统，结构简单、工作更为可靠，与现有技术相比，有以下优点：1、开机自检优化：省去了传统转向助力系统开机启动后须经历冗长的自检以确定转向轮的初始位置的过程，避免了由于自检过程导致的车身晃动，甚至出现位移情况的发生；2、新型角度传感器方式：有效避免外界磁场对传感器的影响，还可有效减弱温度变化引起的测量误差，采用非接触式角度测量，有效避免了装置与方向盘之间的磨损，具有结构简单，精确稳定，经济实用的优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中方向盘角度传感器的结构示意图；
图3为本发明中转向轮角度传感器的结构示意图；
图4为本发明中转向助力系统控制器的结构示意图。
图中：1-方向盘角度传感器、2-转向助力电机、3-转向助力系统控制器、4-转向桥、5-转向轮角度传感器、6-方向盘传动轴、7-牵引电机、8-转向轮、9-第一电路板模块、10-第一金属条、11-手柄座、12-第二金属条、13-第二电路板模块、14-大齿轮、15-小齿轮、16-转向轮固定座、31-电源模块、32-单片机信号处理模块、33-电机驱动模块、34-检测模块。
具体实施方式
如图1至图4所示，电动搬运车转向助力系统，包括转向轮固定座16、设在转向轮固定座16上的转向轮8、设在转向轮固定座16上带动转向轮8转动的牵引电机7、设在转向轮固定座16上的转向桥4、设在转向轮固定座16上的手柄座11、设在手柄座11上的方向盘传动轴6、设在转向轮固定座16上与转向桥4配合从而带动转向轮8转向的转向助力电机2、连接在转向助力电机2上的转向助力系统控制器3，所述手柄座11上设有与转向助力系统控制器3连接的方向盘角度传感器1，所述转向轮固定座16上设有与转向助力系统控制器3连接的转向轮角度传感器5。所述方向盘角度传感器1包括设在手柄座11上的与转向助力系统控制器3连接的第一电路板模块9、设在方向盘传动轴6上的第一金属条10，所述第一电路板模块9由与第一金属条10对应的电感式感测芯片和线圈相连组成，所述第一金属条10采用弧状结构，固定在所述方向盘传动轴6上，并且所述第一金属条10的宽度或者厚度逐渐增大或者减小；所述转向轮角度传感器5包括设在转向轮固定座16上的与转向助力系统控制器3连接的第二电路板模块13、设在转向桥4上的第二金属条12，所述第二电路板模块13由与第二金属条12对应的电感式感测芯片和线圈相连组成，所述第二金属条12采用弧状结构，固定在所述转向桥4上，并且所述第二金属条12的宽度或者厚度逐渐增大或者减小。所述转向助力电机2的转子上设有小齿轮15，所述转向桥4上设有大齿轮14，所述小齿轮15与大齿轮14啮合传动。所述第一金属条10、第二金属条12和线圈的材料一致或者电阻温度系数一致。所述转向助力系统控制器3包括电源模块31、与方向盘角度传感器1以及转向轮角度传感器5连接的单片机信号处理模块32、与转向助力电机2连接的电机驱动模块33，所述电源模块31、电机驱动模块33均与单片机信号处理模块32连接。所述转向助力系统控制器3还包括与转向助力电机2连接的检测模块34，所述检测模块34连接在单片机信号处理模块32上，所述检测模块34采用温度检测模块或者电流检测模块或者两者均用。所述电源模块31采用多路隔离电源，每个MOSFET采用独立电源进行驱动，信号均通过电磁耦合的方式进行隔离传输。所述电机驱动模块33采用H桥电路实现，由两个半桥电路组成，每个半桥电路中高边的MOSFET与低边的MOSFET分别由半桥驱动芯片的两个通道进行驱动，通过控制H桥中4路MOSFET的导通顺序来实现转向助力电机2的正转、反转或者急停。所述检测模块34采用温度检测模块时温度传感器采用热敏电阻，所述检测模块34采用电流检测模块时电流传感器采用霍尔式线性电流传感器，当电流或温度超过限定值时，通过调整转向助力电机2的输出功率来实现过流、过温保护。
单片机信号处理模块32的核心采用32位高性能、低功耗的STM32F103系列单片机，它主要负责对方向盘角度传感器、转向轮角度传感器、温度传感器和电流传感器以及CAN协议通信信号进行采集和计算等处理，进而控制转向助力电机2的动作，实现精确的转向随动。检测模块34中温度检测采用负温度系数的NTC热敏电阻，其阻值随该器件温度变化而线性变化，转向助力系统控制器3的主要发热的功率器件是四个MOSFET，因此将NTC热敏电阻放置于贴近MOSFET的位置，单片机通过测量该电阻在串联电路中的分压来实现温度检测，当温度超过限定值时，通过调整转向助力电机2的输出功率来实现过温保护；检测模块34中电流检测则采用高集成度的霍尔式线性电流传感器ACS758，该传感器内置100ｕΩ的电流导体采集转向助力电机2运行时的电流，进行隔离式的I/V转换后将模拟信号传输给单片机，当电流大于限定值时，通过调整转向助力电机2的输出功率来实现过流保护。
实际工作时，所述方向盘角度传感器1检测第一金属条10不同位置时相对电感产生的不同阻抗值和电感值，所述转向轮角度传感器5检测第二金属条12不同位置时相对电感产生的不同阻抗值和电感值，并分别通过电感式感测芯片转换为方向盘和方向轮的角度值；所述转向助力系统控制器3通过方向盘和方向轮的角度值计算控制转向助力电机2的输出量，并控制转向助力电机2转动，通过转向桥4的传动，控制转向轮8转动，直到方向盘和转向轮的角度值一致。
方向盘角度传感器1和转向轮角度传感器5测量角度的原理是：涡流效应和互感效应，当线圈通交流电后会产生磁场，即主磁场；金属表面由于涡流效应会产生一定的涡电流，而涡电流也会产生一个与线圈磁场方向相反的磁场，即副磁场；线圈由于副磁场的存在会产生感应电动势，导致电感阻抗的产生和电感的变化，电涡流的大小和金属的形状有关，所以不同形状的金属会产生不同大小的阻抗和电感。根据这一原理可以通过测量阻抗和电感的大小变化来确定金属的形状变化。同时产生的交变磁场，在仅有一个电感的情况下会消耗大量的能量，所以可以在线圈两端并联一个电容减小能量损耗。
方向盘角度传感器1和转向轮角度传感器5角度的计算方法相同，举例方向盘角度传感器1的计算方法为：
设定方向盘零位置的数字输出为Z0，Z0属于{Xmin，Xmax}，通过检测方向盘输出逐渐增大或减小趋势下再次出现Z0的次数，出现的次数n即为方向盘转动的圈数n，n可以为零，即方向盘转动在一圈之内。
计算当前角度θ的公式为：θ＝((Z-Z0)/(Xmax-Xmin))*θ0+n*360°，式中：θ为当前角度，Z为当前芯片数字输出，Z0为初始数字输出，范围：{Xmin，Xmax}，Xmax为最大数字输出，Xmin为最小数字输出，θ0为金属条的度数，n为方向盘转动的圈数，范围{0，1，2…}，根据规定方向盘转动的正方向不同，θ可正可负。
为了减弱温度对传感器的影响：金属条和线圈材料一致或电阻温度系数一致，利用如下两公式减弱环境温度对测量结果的影响：
公式1：RS(T)＝RS0[1+α(T-T0)]，其中RS0是系统在T0时的阻抗，RS(T)是系统在T时的阻抗，T是现在的温度，α是电阻温度系数。
公式2：RP＝RPmeas/(1+α(T-Tcal))，其中RP是纠正后的阻抗，RPmeas是测量出来的阻抗值，α是电阻温度系数，Tcal是系统校准的温度，T是操作时的温度。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (9)
1.电动搬运车转向助力系统，其特征在于：包括转向轮固定座(16)、设在转向轮固定座(16)上的转向轮(8)、设在转向轮固定座(16)上带动转向轮(8)转动的牵引电机(7)、设在转向轮固定座(16)上的转向桥(4)、设在转向轮固定座(16)上的手柄座(11)、设在手柄座(11)上的方向盘传动轴(6)、设在转向轮固定座(16)上与转向桥(4)配合从而带动转向轮(8)转向的转向助力电机(2)、连接在转向助力电机(2)上的转向助力系统控制器(3)，所述手柄座(11)上设有与转向助力系统控制器(3)连接的方向盘角度传感器(1)，所述转向轮固定座(16)上设有与转向助力系统控制器(3)连接的转向轮角度传感器(5)。
2.根据权利要求1所述的电动搬运车转向助力系统，其特征在于：所述方向盘角度传感器(1)包括设在手柄座(11)上的与转向助力系统控制器(3)连接的第一电路板模块(9)、设在方向盘传动轴(6)上的第一金属条(10)，所述第一电路板模块(9)由与第一金属条(10)对应的电感式感测芯片和线圈相连组成，所述第一金属条(10)采用弧状结构，固定在所述方向盘传动轴(6)上，并且所述第一金属条(10)的宽度或者厚度逐渐增大或者减小；所述转向轮角度传感器(5)包括设在转向轮固定座(16)上的与转向助力系统控制器(3)连接的第二电路板模块(13)、设在转向桥(4)上的第二金属条(12)，所述第二电路板模块(13)由与第二金属条(12)对应的电感式感测芯片和线圈相连组成，所述第二金属条(12)采用弧状结构，固定在所述转向桥(4)上，并且所述第二金属条(12)的宽度或者厚度逐渐增大或者减小。
3.根据权利要求1所述的电动搬运车转向助力系统，其特征在于：所述转向助力电机(2)的转子上设有小齿轮(15)，所述转向桥(4)上设有大齿轮(14)，所述小齿轮(15)与大齿轮(14)啮合传动。
4.根据权利要求2所述的电动搬运车转向助力系统，其特征在于：所述第一金属条(10)、第二金属条(12)和线圈的材料一致或者电阻温度系数一致。
5.根据权利要求1所述的电动搬运车转向助力系统，其特征在于：所述转向助力系统控制器(3)包括电源模块(31)、与方向盘角度传感器(1)以及转向轮角度传感器(5)连接的单片机信号处理模块(32)、与转向助力电机(2)连接的电机驱动模块(33)，所述电源模块(31)、电机驱动模块(33)均与单片机信号处理模块(32)连接。
6.根据权利要求5所述的电动搬运车转向助力系统，其特征在于：所述转向助力系统控制器(3)还包括与转向助力电机(2)连接的检测模块(34)，所述检测模块(34)连接在单片机信号处理模块(32)上，所述检测模块(34)采用温度检测模块或者电流检测模块或者两者均用。
7.根据权利要求5所述的电动搬运车转向助力系统，其特征在于：所述电源模块(31)采用多路隔离电源，每个MOSFET采用独立电源进行驱动，信号均通过电磁耦合的方式进行隔离传输。
8.根据权利要求5所述的电动搬运车转向助力系统，其特征在于：所述电机驱动模块(33)采用H桥电路实现，通过控制H桥中4路MOSFET的导通顺序来实现转向助力电机(2)的正转、反转或者急停。
9.根据权利要求6所述的电动搬运车转向助力系统，其特征在于：所述检测模块(34)采用温度检测模块时温度传感器采用热敏电阻，所述检测模块(34)采用电流检测模块时电流传感器采用霍尔式线性电流传感器，当电流或温度超过限定值时，通过调整转向助力电机(2)的输出功率来实现过流、过温保护。
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