基于单片机的叉车电动助力转向系统的设计与实现

（建东职业技术学院，江苏常州市，213000） 马鸿雁

电动助力转向系统（EPS）是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统，系统由电动助力机直接提供转向助力[1]。与传统的液压动力转向系统相比，EPS 系统具有调整简单、装配灵活以及在多种状况下都能提供转向助力的优点，既节省能量，又保护环境，是叉车及汽车等转向系统的发展方向。本文在分析叉车电动助力转向系统工作过程的基础上，采用了PD 控制策略，设计了一种基于STC 单片机的电动助力转向系统，实际使用表明该系统具有良好的助力转向性能。

1 叉车电动助力转向系统的工作过程

当电动叉车方向盘转向时，转向传感器输出方向盘对应转动角度的模拟信号量，此模拟信号量送给电子控制器（ECU），控制器再综合由车速传感器送来的车速信号，并根据相应的控制策略确定一个控制PWM 的目标占空比值，控制电动机的转动方向与转速[2]。电动机的输出转矩通过减速机构等施加给转向输出轴，并经过齿轮齿条等转向机构的作用使车轮偏转一定的角度，从而起到对转向系统的助力作用。

2 系统结构和工作原理

系统主要由STC 单片机、信号采集电路、H 桥电机控制电路和系统保护电路等组成，其结构如图1 所示。控制器采集转矩信号和车速信号并送给STC 单片机。根据已定的控制规则，由系统确定一个目标值和电机转动的方向，并以PWM 调制的方式通过H 桥电路控制电机的运行状态。同时，系统对电机的输出电流进行采样，一方面将采样结果与目标电流相比较，用以对电机进行控制；另一方面结合车速信号，用以对系统的过流保护[3]。当电机电流大于设定值或车速高于设定值时，为了保护电机和系统的安全，控制器将对继电器发出一个控制信号，断开电机电源，停止助力，待系统正常后，再恢复助力功能。

3 控制器的设计

控制器以STC12C5A60S2 为核心处理器，其集成了丰富的硬件资源，包括A/D 转换电路和PWM 使得电路设计大为简化，提高了系统的可靠性，同时也为系统将来的扩展和升级留有一定余地。方向控制信号和PWM 信号相结合，加载到H桥驱动电路，控制电机的运行状态。脉宽调制方式采用单极性PWM，使用HIP4082 芯片避免了MOS 管直通的可能性，不仅可靠，脉宽占空比PWM 也易于调整和控制。

3.1 电机控制电路

图1 电机控制电路图

电机的控制电路由方向控制电路和MOSFET H 桥电机驱动电路组成。图1 是电机控制电路图，单片机输出的PWM 信号与74HC00 与非门组成，生成占空比相同、极性相反的2 路信号至H 桥芯片HIP4082 的ALI 与BLI，DIS 为过流保护输入信号，平时为低电平，当DIS 为高电平时4 路输出信号AHO、BHO、ALO 和BLO 均为低电平，使得H桥功率输出管Q1～Q4 截至，起到过流保护作用。HIP4082 的DEL 脚接电阻到地，起上下管导通转换的延时作用，确保在任何时刻H 桥上下管输出驱动信号不会同时导通，极大地提高了驱动管的工作可靠性。

3.2 A/D 数据的采集

STC12C5A60S2 采用1012 位主次逼近式模数转换器，输入电压范围为0～5.0V，转换分辨率为3.0V/1024=2.9mV。对于转矩传感器，其输出电压范围为1～4V，所以只需对信号进行低通滤波处理和分压处理。对于电机的采样电流，由于有正负区别，还应通过电平转换使其成为正电压。其电路如图2 所示中的AD_I 信号。

3.3 控制过程分析

当PWM 输出占空比为50%时，Q1 与Q4、Q2与Q3 导通的时间是相同的，加到电机两端M1 和M2 的正反向时间是相同的，即电机的正反向驱动力是一样的，这时电机静止不动；当PWM 输出占空比大于50%时，Q1 与Q4 导通的时间大于Q2 与Q3 导通的时间，加到电机正方向的力大于反方向的力，使电机正方向转动；当PWM 输出的占空比小于50%时，Q2 与Q3 的导通时间大于Q1 与Q4的导通时间，加到电机反方向的力大于正方向的力，使电机向反方向转动。

当叉车的方向盘转动时，带动传感器转动，同时输出转动角度的模拟信号。当方向转动0～180 度时，对应传感器输出的电压为1～3.5V。这个电压值经分压后加到ARM 芯片的A/D 通道输入端，转换成相应的数字量，再转换成对应的转动角度ω1，控制PWM 的占空比大小，即控制电机的转动方向与转动速度。电机转动时，与其连接的编码传感器输出脉冲信号，这个脉冲信号反应了电机的转动速度与转过的角度，把编码传感器信号接入到LPC1752 对应的输入脚，通过程序就可以读出电机的转速与转过的角度ω2。把方向盘转动的角度ω1 与编码器读到的角度值ω2 相比较，如果ω1＝ω2 表示叉车转动的角度与方向和方向盘的角度与方向值一致，则电机停止转动；当ω1＞ω2 时，表示叉车转动的角度没有达到方向盘正方向转动的角度，控制电机继续向正方向转动，直到ω1＝ω2 为止；当ω1＜ω2 时，表示叉车转动的角度没有达到方向盘反向转动的角度，控制电机继续向反方向转动，直到ω1＝ω2 为止。

3.4 过流保护的电路设计

图2 为过流保护电路，在H 桥驱动中，MOS 管与地之间接入电流采样电R10，R10 大小为20mΩ，电机保护电流值取10A，则R10 两端的最大电压为0.2V。R24 与C24 组成滤波电路，把脉冲电压转换成直流电压，经运算放大器U7A 放大后，输入到U7B 的反向输入端，其正向输入端的基准电压为4V。正常工作情况为U7B 的反向输入电压小于正向输入电压，U7B 输出电压为高，经74HC00 反 向 后 为 低 电 平，即DIS=0，H 桥 芯 片HIP4082 正常工作，电机正常运行；当电机电流大于10A 时，UR10 经U7A 放大20 倍后大于4V，即大于比较电路的正向基准电压4V，U7B 输出低电压，经74HC00 反向后为高电平，DIS=1，使得H 桥芯片停止工作，切断电机的驱动信号，停止助力，从而起到过流保护的作用。

图2 过流保护电路

3.5 软件设计流程图

图3 软件控制流程图

图3 为软件控制流程图，T0 为0.1ms 定时器，作为时间基准，作用为确定当前电机的转动速度；外部中断0 为编码器的中断计数输入，对电机的编码器进行计数，确定当前叉车转动的角度；A/D将转动方向与电机电流的模拟值转换为对应的数字量，再转换成对应的转动角度与电机电流值；串口RS232 为信号输出口，把当前的运行状态输出，可以用PC 机接收并显示相关信息；PWM 信号作为电机的方向控制与速度控制信号，根据方向盘转动信号，电机当前的转动速度与电机电流值经PD 运算后，输出相应的PWM 值，控制电机的转动方向与转动速度，起到良好的跟踪作用。

4 系统控制策略与实现

国内外学者研究了不同的EPS 控制策略，如PID 控制[5-6]、H_∞鲁棒控制[7]、模糊控制[8]等。由于转矩信号和车速信号的输入特点非常适合采用模糊控制，而PD 控制则具有较好的控制性能，因而综合这两种方法的特点，本文采用了模糊PD 控制策略。其控制结构框图如图4 所示。

图4 系统控制策略图

系统输入为方向转动角度信号，Kp 为PD 控制的比例系数，Kd 为PD 的微分系数，模糊控制器通过对转矩传感器信号的采集，在线整定Kp、Kd参数，用于PD 控制，再由PD 控制来确定系统的目标电流。从实际的样机运行情况可以看出，采用该种控制策略，电动机输出角速度对方向盘输入信号有较好的跟踪性能，说明模糊PD 控制策略具有良好的助力效果。

5 结束语

本控制器是与杭州一企业合作开发的产品，目前样品已开发完成并投入使用，根据近一年的现场使用，运行稳定可靠、转向跟踪性能良好。证明其控制器性能指标达到用户要求。