与叉车方向盘转速正相关的转向油泵电机调速系统及方法

文/张再磊 程胜

叉车在驾驶过程中，有时候会出现转向沉重费力的现象，成为让叉车司机头疼的问题。叉车转向系统主要采用液压转向方式，当转向所需油量不足时，会导致方向盘操纵力大，操作者易疲劳。目前叉车转向系统的典型问题，存在于初始启动转向阶段、快速转向阶段和极限转角阶段，对叉车的转向系统，在初始启动、过程操作及原地转向时，均需要方向盘灵活轻便、响应快，从而降低驾驶难度，降低驾驶员疲劳度。

一、解决方案

为了克服现有技术存在的不足，本文提供一种适用于叉车的、与方向盘转速正相关的转向油泵电机调速系统及方法，能够有效提高车辆转向时的跟随性，同时达到节能的效果，且对硬件要求改动小，成本低，提高产品性价比。

具体技术方案如下：

一种适用于叉车的与方向盘转速正相关的转向油泵电机调速系统，包括：转向控制单元以及与转向控制单元连接的方向盘转速传感器和转向电机速度编码器；其中，方向盘转速传感器安装在叉车开关内，并与叉车方向盘同步旋转；转向电机速度编码器内置在叉车的转向电机中。

方向盘转速传感器用于实时采集方向盘转速信号，并将方向盘转速信号传送给转向控制单元。

转向控制单元用于根据方向盘转速信号进行处理和运算，获得方向盘转速值，并根据方向盘转速值计算出所需的电机转速值，再根据电机转速值向转向电机发送速度调节信号。

图1 施例1提供的转向油泵电机调速系统的结构框图

图2 转向控制单元与其他元器件的连接关系电路原理图

图3 实施例2提供的转向油泵电机调速方法的总流程图

图4 方向盘转速与油泵电机转速正相关调速逻辑图

图5 方向盘转速与油泵电机转速的关系坐标图

图6 转向桥角度与油泵电机转速定量调速逻辑图

转向电机速度编码器用于检测、反馈电机的实时速度信号，并发送给转向控制单元，形成速度闭环控制。

一种适用于叉车的与方向盘转速正相关的转向油泵电机调速方法，基于本文方案中提供的转向油泵电机调速系统，包括如下步骤：

步骤S101，利用方向盘转速传感器实时采集方向盘转速信号，并将方向盘转速信号传送给转向控制单元。

步骤S102，利用转向控制单元根据方向盘转速信号进行处理和运算，获得方向盘转速值S，并根据方向盘转速值S计算所需的电机转速值T，再根据电机转速值T向转向电机发送速度调节信号。

步骤S103，利用转向电机接收速度调节信号，并根据速度调节信号实时调节转向电机的实际转速。

步骤S104，利用转向电机速度编码器检测转向电机实时转速并反馈给转向控制单元，形成闭环精确控制。

二、方案实施

为了便于理解本方案，下面将结合具体的实施例对本技术方案进行更全面的描述。但是，该技术方案可以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。

针对叉车特有的转向结构和目前存在的问题，本方案从五个方面对叉车液压转向系统的设计进行了优化。

其一：提出在转向过程控制的基础上，引入转向启动补偿控制，在启动的起始阶段采用大转速模式以提供充足的转向油量。

从静止状态启动的瞬间，汽车转向轻，叉车转向重，这是因为叉车的前方是装货区，后轮是配重区，叉车不动的时候 车轮跟地面的接触面积大，摩擦力就很大，而且叉车不动，车身就比较稳定，方向就更难打。而叉车因为短途转运需要频繁启动和转向，因此在这种工况下，需解决叉车原地从静止状态启动时，叉车负载对车辆操纵轻便性的影响。

应用结果表明，引入初始转向启动补偿控制后，明显减小了方向盘操作力矩，加快了响应速度，改善了叉车的转向启动性能。

其二：结合叉车转向系统的传动比特性，设计了基于方向盘转速和转向电机转速控制，因为叉车的结构简单，只需要控制转向电机的转速即可达到控制转向油量的目的，单目标控制使得控制过程简单、相应快速。

叉车频繁转向，且要求车辆运载货物平稳，但是叉车的方向盘要比汽车的灵活，车辆转过同样的角度，方向盘所需转动的圈数要比汽车多，比如通常汽车需要打1.5圈，而叉车需要打4.5圈； 因此，叉车需要驾驶员对方向盘的操作更快。

图7 转向桥角度与油泵电机转速的关系坐标图

图8 方向盘转速传感器信号缺失的容错逻辑图

而且每次打方向，叉车方向盘的位置和轮子的位置都是不一样的，并不是和汽车一样有个固定的位置，因此在快速转动方向盘时，若因转向油量不足，出现方向盘转向沉重，不仅驾驶员易疲劳，同时还因为转向跟随性差，转向速度跟不上，还会发生因操作空间小而导致的碰撞事故。

应用结果表明，采用该方法控制时，叉车低速转向轻盈灵敏，高速转向稳健厚重。

其三：考虑叉车原地转向工况下，转向角度最大时所需克服的转向力矩最大，控制转向电机以设定的最大转速运行，提供足够的转向油量。

叉车工作的场所空间狭小，转弯半径小，当原地转向时，车轮转角在极限位置，此时转向系统的阻力最大，转向油路需要更多的油量才能克服转向阻力，若此时油量跟不上，也需要更大的方向盘操作力。

其四：分析了叉车使用工况的特殊性，引入误触发防范机制，防止叉车在重载、小空间范围内，因为驾驶员误触发方向盘，使叉车突然转向引起的安全事故，提高叉车的驾驶安全。测试结果表明该防触发控制满足叉车要求。

其五：考虑到叉车采用的交流异步感应电机在低速运行状态下的效率低、发热大的弊端，尽量减少转向电机的工作时间，一方面起到节能的效果，同时也降低部件的损耗，提高转向系统可靠性。所以叉车在直线行驶时，关闭转向电机运行，节约能源同时降低部件损耗。

图9 转向桥角度信号缺失的容错逻辑图

三、优势分析

与现有技术相比，本方案具有以下有益效果：

1.采用方向盘转速传感器与方向盘做同步旋转运动，并将方向盘的转速信息变量实时送入转向控制单元，从而转向控制单元能根据输入变量（S），来确定的转向控制变量（M）。

2.对方向盘启动瞬间、过程、终端的工况分别控制，对转向电机的控制过程达到了无极调速，使操作手感更加平滑、省力。

3.对传感器失效偶发事件也制定了备用措施，使车辆仍然保持正常工作，提供了失效状态下的备用安全措施；另外，结合车辆的转向轮角度信息，直线行驶时工况下，不需要转向时，自动开启转向电机停机模式以避免无用功消耗；而对于类似于原地转向的大转角工况时，自动开启高速模式，用于转向死点时的油量补偿，以改善操作手感，减轻操作者工作疲劳。甚至对于方向盘误触发的偶然情况也提供了应对方案，不触发电机运行，以减少能量损耗。

四、小结

本文所提供的方案考虑了工程机械的使用工况和实际需求，通过优化控制策略、增加选项设置参数 ，以极低的成本增加即可解决行业普遍存在的液压转向系统在急速转向工况下，因转向供油量不足所导致的转向沉重问题。此外，因工程车辆使用的环境恶劣，使用频度高、时间长、操作熟练程度不均、操作者流动性大等特点，增加了误触发判断、启动短时补偿的对应控制策略；为降低车辆的误工率，同时还准备了备选参数，当传感器部件无法正常工作或缺失时，仍能保证叉车安全模式下的正常运行，具有明显的实用效果。