电动叉车电动助力转向系统控制器的研究与设计

摘要

电动助力转向（Electric Power Steering，EPS）是随着电子技术和计算机技术的不断发展而发展起来的新型的助力转向系统。电动助力转向系统的主要优点是占用空间小、运行效率高、无污染并且易于控制，因此电动助力转向系统被越来越多地应用到各种类型的机动车辆当中。本文研究的主要内容是基于单片机的电动叉车电动助力转向系统的设计与开发，所完成的工作和研究成果简单概括如下:
　　1.给出了电动叉车EPS系统的基本结构组成和动力学模型，并在此基础上阐述了电动叉车EPS系统工作的基本原理;分析了电动叉车EPS系统和普通汽车EPS系统的不同之处并结合电动叉车的实际工作环境和工作特点确定了电动叉车EPS系统的主要工作模式;同时还简单讨论了影响电动叉车EPS系统性能的几点关键因素。
　　2.由于永磁无刷直流电机构造简单、运行可靠、并且具备较好的机械特性和动态特性，因此确定永磁无刷直流电机作为电动叉车EPS系统开发中的助力电机;在助力电机的控制策略方面，采用外层速度环和内层电流环的双闭环控制模式，分别应用模糊PID和电流滞环控制系统外层的速度环和内层的电流环;在MATLAB/Simulink环境下完成了永磁无刷直流电机仿真模型的搭建，并对仿真结果进行了比较和分析。
　　3.简单介绍了永磁无刷直流电机转矩脉动产生的原因，通过提出较为合理的方案来对转矩脉动进行抑制从而提高整个EPS系统的性能;为了提高电动叉车EPS系统的反应灵敏度和响应速度，采用了助力补偿的控制策略;为了获得较为理想的助力效果，确定了抛物线型的助力特性曲线;通过MATLAB/Simulink对整个电动叉车EPS系统进行建模和仿真，仿真结果与预期结果非常吻合，从而验证了控制策略的有效性。
　　4.采用C8051F340单片机作为电动叉车EPS系统的微控制器，完成了相关硬件电路和软件程序的设计工作，并对相关的硬件逻辑电路原理和软件程序流程作了简单的介绍。
　　5.先后在相关的实验平台上完成了电动叉车EPS系统的转向过程实验，助力特性验证实验以及助力补偿控制实验;通过对实验结果进行分析可知:本文所建立的电动叉车EPS系统具备良好的转向性能，从而进一步验证了整个控制系统的有效性。
　　综上所述，本文针对电动叉车EPS控制系统的开发和设计作为较为详细的介绍，从最开始的理论分析，到后来和建模仿真，再到最后的现场试验，思路较为清晰，整个过程基本完成了预定设计任务的要求，对实际的工程应用有一定的参考价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景与研究意义

1．2 EPS系统的工作原理

1．3 研究内容的发展综述

1．3．1 车辆转向系统的发展

1．3．2 EPS系统的优点

1．3．3 EPS系统的发展及研究现状

1．4 本章小结

第2章 电动叉车EPS系统数学模型及性能分析

2．1 电动叉车EPS系统的系统组成

2．2 电动叉车EPS系统的数学模型

2．3 电动叉车EPS系统的工作模式

2．4 电动叉车EPS系统的性能分析

2．4．1 电动叉车EPS系统的助力特性曲线的确定

2．4．2 电动叉车EPS系统的动态性能

2．5 本章小结

第3章 电动叉车EPS系统的控制策略研究及仿真分析

3．1 BLDCM的工作原理

3．2 BLDCM的数学模型

3．3 BLDCM的控制策略

3．3．1 PID控制策略

3．3．2 模糊控制

3．3．3 参数自整定模糊PID控制

3．4 BLDCM的仿真模型的搭建

3．5 电动叉车EPS系统的控制策略

3．5．1 BLDCM转矩脉动控制

3．5．2 助力补偿控制

3．6 电动叉车EPS系统仿真模型的建立及仿真结果分析

3．6．1 电动叉车EPS系统仿真模型的建立

3．6．2 仿真结果分析

3．7 本章小结

第4章 电动叉车EPS系统控制器软硬件设计

4．1 方案总体设计

4．2 控制器最小系统

4．2．1 微处理器的选型

4．2．2 C8051F340单片机概述

4．2．3 系统的时钟电路

4．2．4 系统的复位电路

4．3 控制器主要硬件电路设计

4．3．1 电源电压转换电路

4．3．2 电动机驱动控制电路

4．3．3 方向盘转矩信号处理电路

4．3．4 车速信号处理电路

4．3．5 霍尔信号处理电路

4．3．6 过电流保护电路

4．3．7 继电器保护电路

4．3．8 故障报警指示电路

4．4 电动叉车EPS系统控制器软件设计

4．4．1 软件开发工具介绍

4．4．2 电动叉车EPS控制系统的主程序设计

4．4．3 相关子程序模块设计

4．5 本章小结

第5章 系统实验及结果分析

5．1 试验目的及实验内容

5．2 实验平台及设备介绍

5．3 实验结果与分析

5．3．1 转向过程实验

5．3．2 助力特性实验

5．3．3 助力补偿控制实验

5．4 本章小结

第6章 结论和展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

附录

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果