CN104228937B - 一种工业车辆用双模控制电子转向系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工业车辆用双模控制的电子转向系统，包括转向手柄、转向角度取样行星齿轮、行走电机、转向行星齿轮、驱动轮、角度传感器、转向系统电子控制单元、编码器、转向执行电机、零位传感器、车速传感器，使用时，所述转向系统电子控制单元检测安装在转向手柄上的角度传感器来得到转向角度和转向速度信息，转向执行电机根据转向系统电子控制单元中设定的控制律输出电磁转矩驱动转向行星齿轮，从而使驱动轮快速地跟随转向手柄转向；本发明在车辆正常行驶速度下或车辆接近于零速的慢速行驶的时，均能够提高工业车辆在仓储物流系统中的作业效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种工业车辆用双模控制电子转向系统，属于工业车辆助力转向控制技术领域。
背景技术
工业车辆的类型包括三支点、 四支点平衡重式电叉、 托盘堆垛车、 托盘搬运车、拣选车、 牵引车， 上述工业车辆在工业现场的应用越来越广泛，而且从节能环保的角度考虑，逐渐由以前的燃油动力驱动转变成电驱动的形式，这些工业车辆有轻型的也有作为大型工件翻转用的重型的，它们的共同特点是车速较慢，在比较固定室内场地运行，需要在重载下具备灵活、敏捷和精准的转向能力；传统的工业车辆没有助力转向系统，使得工作人员劳动强度偏大，而且身材矮小的的操作人员有时无法完成驾驶某些重载的工业车辆的工作，有些工业车辆采用液压助力转向系统，但这种系统常常出现漏油的问题，而且机械结构复杂，为了改变这种情况，工业车辆逐步采用了电子转向系统。
中国科学院合肥智能机械研究所的周平等人于2004年5月在《工程机械》上发表的文章将电动叉车的电动转向系统设计为一个三阶的角位置伺服系统，虽然通过零极点对消的方法可降阶为二阶系统进行控制，仍未能有效地抑制由于传动系统机械配合误差、地面摩擦力、蓄电池电压等干扰，导致无法实现高精确度的准确定位，实际上没有起到无静差的角位置控制效果。
浙江杭叉工程机械集团股份有限公司徐翔, 宋文斌发表于《机电工程》2010年第11期的《电动叉车的电动助力转向( EPS)应用》一文中介绍了三种电动转向系统（1）绝对位置控制方式(2) 位置差控制方式( 3) 速度控制方式，其中第一种的绝对位置式控制方式实质上就是周平等人所采用的角位置伺服控制的方式；第二种的位置差式的控制方式是将转向轮的速度作为主要的输入变量，通过一个固定的系数K与转向的速度相乘等到新的转向位置，可以看出这样的转向控制方式实质上是一个开环的控制方式，转向的精确度实质上由操作人员来控制，受到操作人员的经验、感觉的个体差异的影响比较大，优点是反馈器件少、成本低。第三种的速度控制方式，这种控制方式是将行车速度和转向传感器的角度信号共同作为EPS的输入，可以增强转向控制的精确性和安全性,特别对于高空作业车、人上位三向堆垛机、 人上位拣选车等安全性要求较高的电动车辆,尤其需要这种控制方式。
第三种方式和汽车的电动助力转向系统非常类似，所不同的是汽车用EPS的还包括转向盘力矩这个输入信号，而该工业车辆的电子转向系统和传统的汽车电动助力转向系统不同，从节省成本的角度在结构上取消了汽车电动助力转向系统必须的比较昂贵的扭杆和扭力传感器；另一方面，汽车用EPS控制输出的是转矩T，在采用直流电机的情况下正比于施加于电机绕组上的电流。
如果仔细研究工业车辆在工业现场的实际工况，会发现工业车辆，尤其是具有主要代表性的叉车，可以分成正常行驶工况和原地转向调整工况，而且这两种工况的对转向系统的要求实际上是不一样的，在正常行驶的过程中，叉车要迅速完成搬运工作，需要动态响应更快、更平稳的转向系统，也就是通常在汽车驾驶过程中所说的“指向性”；而在极低速或者原地转向调整的时候是作为一个机械手使用的，因此在X、Y轴的水平方向上需要能够快速、精准地实现角度定位，因此，必须设计成一个能抗各种扰动的角位置伺服系统，这样可以非常便捷地实现在有限的空间内实现精准的车身调整和货物的装卸，成为一个高效的物流输送线的一部分，而且有望成为实现AGV或者工业搬运机器人的一个平台。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明的目的是：提出了一种能够用于协调正常行驶和接近于零速的两种不同工况下使用的工业车辆用双模控制电子转向系统。
本发明的技术解决方案是这样实现的：一种工业车辆用双模控制的电子转向系统，包括转向手柄、转向角度取样行星齿轮、行走电机、转向行星齿轮、驱动轮、角度传感器、转向系统电子控制单元、编码器、转向执行电机、零位传感器、车速传感器，所述转向手柄底部设置在转向角度取样行星齿轮上；所述行走电机安装在转向行星齿轮上，且行走电机转轴连接驱动轮；所述转向角度取样行星齿轮上部设有角度传感器；所述转向行星齿轮一侧面设有转向执行电机，且转向行星齿轮上部设有零位传感器；所述转向执行电机上端设有编码器；所述驱动轮一侧设有车速传感器；所述角度传感器、零位传感器、编码器、车速传感器均通过数据线与转向系统电子控制单元连接；使用时，所述转向系统电子控制单元检测安装在转向手柄上的角度传感器来得到转向角度和转向速度信息，转向执行电机根据转向系统电子控制单元中设定的控制律输出电磁转矩驱动转向行星齿轮，从而使驱动轮快速地跟随转向手柄转向；编码器检测驱动轮的实际位置来考察转向角度是否达到要求，以便转向的角度得到精确快速地修正；零位传感器用于判断转向是否超出范围。
优选的，所述角度传感器为非接触式电位器。
优选的，所述转向执行电机为直流永磁电机。
优选的，所述零位传感器为非接触式的接近开关。
优选的，所述编码器为增量式编码器。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明的一种工业车辆用双模控制电子转向系统，通过转向系统电子控制单元检测安装在转向手柄上的角度传感器来得到转向角度和转向速度信息，转向执行电机根据转向系统电子控制单元中设定的控制律输出电磁转矩驱动转向行星齿轮，从而使驱动轮快速地跟随转向手柄转向，在车辆正常行驶速度下，电子转向系统被控制为一个转矩伺服系统，从而保证转向的快速性；在车辆接近于零速的慢速行驶的时，电子转向系统被控制为一个带有速度和加速度前馈的位置伺服系统，保证了低速下转向的精准性，提高工业车辆在仓储物流系统中的作业效率。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
附图1为本发明的一种工业车辆用双模控制电子转向系统的结构示意图；
附图2为本发明的一种工业车辆用双模控制电子转向系统在正常行驶工况下的控制原理图；
附图3为本发明的一种工业车辆用双模控制电子转向系统在接近于零速的慢速工况下的控制原理图；
其中：1、转向手柄；2、转向角度取样行星齿轮；3、行走电机；4、转向行星齿轮；5、驱动轮；6、角度传感器；7、转向系统电子控制单元；8、编码器；9、转向执行电机；10、零位传感器；11、车速传感器。
具体实施方式
下面结合附图来说明本发明。
如附图1-3所示为本发明所述的一种工业车辆用双模控制的电子转向系统，包括转向手柄1、转向角度取样行星齿轮2、行走电机3、转向行星齿轮4、驱动轮5、角度传感器6、转向系统电子控制单元7、编码器8、转向执行电机9、零位传感器10、车速传感器11，所述转向手柄1底部设置在转向角度取样行星齿轮2上；所述行走电机3安装在转向行星齿轮4上，且行走电机3转轴连接驱动轮5；所述转向角度取样行星齿轮2上部设有角度传感器5；所述转向行星齿轮4一侧面设有转向执行电机9，且转向行星齿轮4上部设有零位传感器10；所述转向执行电机9上端设有编码器8；所述驱动轮5一侧设有车速传感器11；所述角度传感器6、零位传感器10、编码器8、车速传感器11均通过数据线与转向系统电子控制单元7连接；使用时，所述转向系统电子控制单元7检测安装在转向手柄1上的角度传感器6来得到转向角度和转向速度信息，转向执行电机9根据转向系统电子控制单元7中设定的控制律输出电磁转矩驱动转向行星齿轮4，从而使驱动轮5快速地跟随转向手柄1转向；编码器8检测驱动轮5的实际位置来考察转向角度是否达到要求，以便转向的角度得到精确快速地修正；零位传感器10用于判断转向是否超出范围；所述角度传感器6为非接触式电位器；所述转向执行电机9为直流永磁电机；所述零位传感器10为非接触式的接近开关；所述编码器8为增量式编码器。
在正常的行驶速度工况下，操作人员对于电子转向更注重的是响应的快速性而不是准确性，由于操作人员主观观测感觉的不同，对同样的弯道，每个人给出的转向手柄1转动角度并不一致，有时操作人员会采用逐步修正的方法来完成弯道的转向，因此，在这种情况下，绝对地跟随转动角度并不能给操作人员带来好的驾驶感受；双模控制电子转向系统在这种工况下，通过角度传感器10检测转向角度给定值和车速，并根据这两个输入变量查找对应的目标电流值，由于转向过程中转向手柄1转动的角速度间接地反应的操作人员对于转向过程快慢程度的期望，因此，引入了转向手柄10的转向角速度作为一个前馈补偿信号来修正从助理特性表中得到的目标电流值，电流环的PI控制器对经过前馈补偿修正后的目标电流值进行无静差的跟踪，由于直流永磁电机的输出转矩和电枢电流成正比，因此对电流的精确跟踪等效为对转矩的精确跟踪。
另外一种模式是在接近于零速的慢速行驶，并需要精准转向的工况下，如叉车在放置货物到货架上的时候，本发明提出的工业车辆用双模控制电子转向系统是一个位置跟随系统，使得驱动轮5角度位置绝对跟随转向手柄1的位置；位置、速度、电流三环伺服系统可以保证系统的稳定性，当速度环或电流环内部参数发生变化或发生扰动时，都可受到速度反馈或电流反馈及时而有效的抑制，从而对位置环的工作影响很小，但是这种三环结构中位置环的截止频率将被限制在很低的频率范围内，为了满足快速性的要求，本发明系统采用速度前馈加速度前馈PID调节算法，通过引入前馈控制加快系统的跟踪速度，弥补系统的相角滞后，克服了传统的位置反馈PID单环控制结构无法同时满足伺服系统对于准确性和快速性的弊端。
本发明通过转向系统电子控制单元7检测安装在转向手柄1上的角度传感器6来得到转向角度和转向速度信息，转向执行电机9根据转向系统电子控制单元7中设定的控制律输出电磁转矩驱动转向行星齿轮4，从而使驱动轮快速地跟随转向手柄1转向，在车辆正常行驶速度下，电子转向系统被控制为一个转矩伺服系统，从而保证转向的快速性；在车辆接近于零速的慢速行驶的时，电子转向系统被控制为一个带有速度和加速度前馈的位置伺服系统，保证了低速下转向的精准性，提高工业车辆在仓储物流系统中的作业效率。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种工业车辆用双模控制电子转向系统，包括转向手柄、转向角度取样行星齿轮、行走电机、转向行星齿轮、驱动轮、角度传感器、转向系统电子控制单元、编码器、转向执行电机、零位传感器、车速传感器，其特征在于：所述转向手柄底部设置在转向角度取样行星齿轮上；所述行走电机安装在转向行星齿轮上，且行走电机转轴连接驱动轮；所述转向角度取样行星齿轮上部设有角度传感器；所述转向行星齿轮一侧面设有转向执行电机，且转向行星齿轮上部设有零位传感器；所述转向执行电机上端设有编码器；所述驱动轮一侧设有车速传感器；所述角度传感器、零位传感器、编码器、车速传感器均通过数据线与转向系统电子控制单元连接；使用时，所述转向系统电子控制单元检测安装在转向手柄上的角度传感器来得到转向角度和转向速度信息，转向执行电机根据转向系统电子控制单元中设定的控制律输出电磁转矩驱动转向行星齿轮，从而使驱动轮快速地跟随转向手柄转向；编码器检测驱动轮的实际位置来考察转向角度是否达到要求，以便转向的角度得到精确快速地修正；零位传感器用于判断转向是否超出范围。
2.如权利要求1所述的一种工业车辆用双模控制电子转向系统，其特征在于：所述角度传感器为非接触式电位器。
3.如权利要求1所述的一种工业车辆用双模控制电子转向系统，其特征在于：所述转向执行电机为直流永磁电机。
4.如权利要求1所述的一种工业车辆用双模控制电子转向系统，其特征在于：所述零位传感器为非接触式的接近开关。
5.如权利要求1所述的一种工业车辆用双模控制电子转向系统，其特征在于：所述编码器为增量式编码器。
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