军用车辆全轮转向电控液压系统研究.pdf

设 计研究 汽 车 实 用 技 术 A U TO MO BI【 E APP LI E D TE CH N0 【 J OG Y 2 0 l 5 年 第4 期 2 Ol 5 NO． 4 军用车辆全轮转向电控液压系统研究 徐培 ，杨大磊 ，杨 曦明，贺丹莉 陕西重型汽车有 限公 司，陕西 西安 7 1 0 2 0 0 摘 要本文首先对军用越野车辆全轮转向系统的功能要求进行了分析，在此基础上对全轮转向液压系统的组成和 工作原理进行了研究， 最后对全轮转向电控系统及电控系统软件进行了详细的设计。为验证全轮转向电控液压系统 的性能， 进行了装车试验， 试验结果表明该电控液压系统能够满足前期方案提出的全轮转向技术指标，具有良好的 控制效果。 关键词 军用重型车辆；全轮转向系统 ；电控液压 中图分类号U 4 6 3 ． 4 文献标识码 A文章编号1 6 7 1 7 9 8 8 2 0 1 5 0 4 4 2 0 4 El e c t r i c Hydr a ul i c Co n t r o l S ys t e m f o r mi l i t a r y ve hi c l e s wi t h a l l - whe e l s t e e r i n g Xu Pe i ， Ya n g Da l e i ， Ya n g Xi mi n g ， He Da n l i S h a a n xi He a v y - Du t y T r u c k Co ． ， Lt d ． ， S h a a n x i Xi ’ a n 7 1 0 2 0 0 Ab s t r a c t Th i s a r t i c l e fir s t mi l i t a r y o ff- r o a d v e h i c l e wi t h a l l - wh e e l s t e e r i n g s y s t e m f u n c t i o n a l r e q u i r e me n t s a r e a n a l y z e d o n t h e b a s i s o f t h e c o mp o s i t i o n o f the a l l - wh e e l s t e e r i ng a n d wo r k i n g p r i n c i p l e o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m we r e s t u d i e d ． F i n a l l y , e l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e d a l l wh e e l s t e e ri n g s y s t e m a n d e l e c t r i c c o n t r o l s y s t e m s o ftwa r e d e t a i l e d d e s i g n ．T o v e ri f y t h e e l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e d a l l - wh e e l s e ri n g h y dr a u l i c s y s t e m p e r f o r ma n c e ， we r e l o a d i n g t e s t ， t h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e e l e c t r o - h y dr a u l i c s y s t e m C an me e t the a l 1 一 wh e e l s t e e ri n g t e c h n o l o g y e a r l y i n d i c a t o r s p r o p o s e d s c h e m e h a s g o o d c o n tro l e ff e c t Ke y wo r ds H e a v y m i l i t a r y v e hi c l e s ； Al l - wh e e l s t e e r i n g s y s t e m ； El e c t r O - h y d r a u U c CL C NO． U4 6 3 ． 4 D o c u me n t C o d e A A r t i c l e I D 1 6 7 1 - 7 9 8 8 2 0 1 5 0 4 - 4 2 - 0 4 前 言 随着国产武器装备性能的不断提高，大型武器装备系统 的集成度也日益增加，为满足大型武器装备对地面运载工具 高机动性的要求， 对 1 0 X1 0等多轴军用重型车辆底盘的机动 性、通过性等要求也越来越高。多轴重型车辆由于车身较长， 导致转向半径相对较大，降低了车辆机动性。 对于军用车辆， 机动性的丧失，意味着作战效能的丧失，而采用全轮转向技 术是改善重型军用车辆机动性的重要手段。本文以陕汽五轴 超重型军用越野车辆为目标车型，设计了基于电控液压原理 的全轮转向电控系统，该系统具有前组转向、全轮转向、蟹 形转向三种转向模式。当车辆在有限空间转弯或倒车时，采 用全轮转向模式，可显著减少车辆转弯半径当车辆在狭小 作者简介徐培 ，助理工程师，就职于陕西重型汽车有限公司，从 事整 车电器系统设计工作 。 场地调整位置时，可采用蟹形转向模式进行平行移动、迅速 就位；当车辆在高速行驶时，车辆可自动转换为前组转向转 向模 式保 持行驶稳 定性 。 1 、 五轴超重型军用越野车辆全轮转向系统功能要求 1 ． 1转向控制功能 转向控制系统应能实现车辆转 向系统在前组转 向、全轮 转向、蟹形转 向三种转向模式之间的切换，电控液压系统应 性 能稳 定、响应迅速 、跟 随准确。前组转 向即 I、I I 桥转 向， I I I 、Ⅳ、V桥不转向。全轮转向、蟹形转向即根据车辆几何 关系及前桥转 向角度计算出I I I 、Ⅳ、V桥的目标转向角度， 通过电控系统控S t] I I I 、1 V、V桥达到目标转向角度。 1 ． 2信 息共享及显示能力 电控 系统可将 转 向模式 、各桥 目标角度 、实际角度 、转 向压力及系统故障信息发送至车身总线上，供车辆显控单元 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 汽车实用技术 2 0 1 5年第 4期 显示，并能从车身总线上读取控制所需信息。 当系统出现故障或转向对中时，应能点亮相应指示灯。 1 ． 3故障诊断及处理能力 电控系统应能识别传感器故障 、电控单元驱动开短路故 障，且当出现故障时，电控系统能进行故障处理。 1 ．4 强制对 中能力 当电控系统瘫痪时，应设计强制对中装置及相关电路使 I I I 、Ⅳ、V桥转向强制对中。 1 ．5 零位标定功能 由于需要知道各桥转向角度值， 所 以需安装角度传感器， 但当安装角度传感器或更换角度传感器时，系统的转向零位 与角度传感器的零位可能不同，因此电控系统需设计零位标 定程序快速标定系统的转向零位。 2 、全轮转向液压系统组成及工作原理 图 1 为全轮转向液压系统原理图。其中 I 、I I 桥转向机 构采用传统机械． 液压助力方式，由方向盘直接控制，作为前 组转向。I Ⅱ 桥转向机构作为一个独立单元，控制方式为电控 液压，Ⅳ、V桥转向机构之间通过连杆机构连接来协调两桥 之间的运动关系，作为一个整体单元进行控制，控制方式为 电控液压，I I I 、Ⅳ、V桥的转向机构统称为后组转向。 三桥对 中缸 四桥对 中缸五插对中 缸 苎 垴 自 碍 换 向 3 巴 [ 曲 图 1 电控液压全轮转 向系统液压原理图 为了防止电控系统失效及系统可靠性，在m、Ⅳ、V桥 转向机构中增加对中机构，在电控系统失效时，可使转向锁 定在前组转向模式下，不影响行车。图中对中缸、助力缸的 力作用在转向机构上，电磁换向阀 1 、2 、3状态为断电状态。 当需要前组转向时，电控单元控制比例电磁阀作用助力缸使 后组转向回中，然后电磁换向阀 1断电，电磁换向阀 2 、3 通电，此时I Ⅱ、Ⅳ、V桥对中缸作用使Ⅱ I 、Ⅳ、V桥锁定在 对 中状态，Ⅱ I 、Ⅳ、 V桥 助力缸随动不起作用 ， I、 I I 桥在 I、I I 桥助力缸的作用下控制前组转向； 当需要后组转向时， 电磁换向阀 l 通电，电磁换向阀 2 、3断电，此时Ⅱ I 、Ⅳ、V 桥助力缸起作用控制后组转向，I I I 、Ⅳ、V桥对中缸随动不 起作用，电控单元控制比例电磁阀实现后组转向转角和方向 的变化 。 3 、全轮转向电控系统设计与开发 电控液压全轮转 向系统通 过安装在整车上 的角度传感器 采集 I、I I I 、V桥轮胎转角信息，全轮转向控制器根据各桥 转角信息、转向模式切换开关状态、车辆状态及预先设定的 控制规律控制电磁换向阀通断及比例电磁阀的流量和方向， 实现I I I 、Ⅳ、V桥轮胎转角大小和方向的变化，进而实现转 向系统在前组转向模式、全轮转向模式、蟹形转向模式之间 的切换。考虑到系统的安全性当车速高于 3 0 k ／ h时，无 论转向模式切换开关处于何种状态，控制系统自动切换到前 组转向模式。当车速低于 3 0 1／ h时，控制器根据转向模式 切换开关的状态实现转向模式的切换；当电控系统出现故障 时，为保证行车安全 ，后组转 向必须处于对 中状态，此时 电 磁换向阀 1断电，电磁换向阀2 、3通电，I I I 、Ⅳ、V桥对中 缸将后组转向对中。 根据系统需求，全轮转向电控系统由全轮转向控制器、 转向模式切换开关、零位标定开关、强制对中开关、信号灯、 转 角传 感器 、压 力传感器 、电磁换 向阀、比例 电磁阀 、转换 式继电器及相关接 口线束组成。整个系统的控制信号流图见 图 2 。 图 2全轮转向电控系统控制信 号流 图 全轮转向控制器实现信号采集、控制功能及相关负载驱 动；转向模式切换开关实现前组转向 模式、全轮转向模式、 蟹形转向模式之间的切换；零位标定开关用于激活全轮转向 控制器中的零位标定程序来标定系统转向零位；强制对中开 关及转换式继 电器用来实现强制对 中控制逻辑；信号灯包括 故障指示灯及对 中指示灯 ，用于指示电控系统的故障及后 组 转向的状态；转角传感器用于采集 I、m、V桥轮胎转角信 号；压力传感器用于采集 I 、I I I 、V桥转向系统压力，可用 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 4期 徐培 等军用车辆全轮转向电控液压系统研究 4 4 于判断液压系统是否处于正常工作状态。 本方案中采用的全轮转向控制器为陕汽定制开发的军用 级高性能控制器，使用 C o De S y s 集成开发环境进行编程，该 控制器采用 3 2 位微控制器芯片 ，其输入端 口通过配置可复 用，输出驱动电路采用具有诊断功能的智能驱动器件，可对 控制器输出进行故障诊断，其中高端恒流驱动端口采用了专 用 的比例 阀驱动芯片 ，它是一款数字控制 芯片，具有很好 的 抗干扰 能力，其 内部采用低端常 电流控制 预驱动积分 电路 ， 可编程控制颤振信号。颤振信号在比例电磁阀的控制中是有 用且必需的信号，它有利于克服摩擦阻力，其作用还能有效 消除回程误差。 4 、全轮转向电控系统软件设计与开发 整个电控系统的核心为全轮转向控制器控制软件的开 发，本方案中软件开发是在 C o De S y s 开发环境下完成的。为 便于程序管理、优化修正、功能性升级，在软件结构设计决 策采用模块化设计，并使得各模块之间尽可能相互独立，降 低模块间耦合度，提高了主程序的灵活性。 控制时序上为满足系统控制精度的要求，需要严格控制 程序运行 的时间，考虑到车速 以及液压系 统的滞 后特性 ，程 序运行时间控制在 1 0 ms以内，由于通信时间相对较长，且 周期 固定 ，因此在 软件设计上采用如下策 略全轮 转 向控制 器硬件内置的实时运行系统支持 C o D e S y s 的任务调度机制， 由于在功 能上要 求定时发送和接收信息 以及处 理其 它工作 ， 因此在软件运行方式采用抢占式双任务调度， 其工作方式是 主任务 负责 实现 信号采集 、处理 、输 出、故障诊断处理等要 求，采用 自由循环模式，辅助任务负责 C A N 通信，采用定 时触发模式，定时时间为 l O O ms ，所有辅助工作状态以此时 间为基础，按指定时序触发。主辅任务关系如图 3所示。在 总线通讯上将 C AN 发送器设置为先入先出队列，队列深度 为 5 ，所有 C A N信息均发送至此队列， 这样做可以避免通信 阻塞导致程序运行周期增加。 图 3 主辅任务关 系图 全轮转 向电控系 统控 制软件主要包含 主程序模块 、输 入模块、输出模块、检测模块、通讯模块和算法模块组成。 主程序模块 是实现控 制系统功能 的核心 ， 调用输入模块 、 检测模块并根据模式选择及算法控制模块控制转向，主程序 运行在自由循环方式下，是完成对其它子程序或模块调用的 主要途径。主程序的工作流程如图 4 。 输入模块负责信号采集相关的工作，并根据需要对采集 信号进行处理，确保提供给其它模块的信号准确性。本软件 涉及到控制系统的输入主要包括 模拟量输入、 开关量输入。 模拟量输入信号为电压型的，电压型信号易受到外界干扰， 由于产生电压型信号的角度传感器属于系统关键器件，对控 制系统的精度有重大影响，因此在设计时，需要对其做降噪 处理。控制器为传感器提供了稳压电源，并以比例输入方式 读取模拟量值，以此来降低供电电源电压波动对信号精度的 干扰 。在此基础上 ，对采集到 的信 号做进 一步滤 波处理，本 软件采取 5值窗 口滤波以减少代码复杂程度 ，由此将使得系 统的动态响应约有 4 0 ms的延 时，考虑 到液 压系统的滞后性 例如电磁比例阀先导阀开启和关闭的时间约为 3 0 ms ，该 方案在试验初期具有一定的实用性，并可作为后期其他滤波 方案的对 比参照 。开关量输入信号主要包括 点火 开关和使能 开关，输入量采用控火方式。对于开关量输入信号，本软件 采用时间延迟处理的方式，即若开关量状态保持 1 S及以上 时，则认为该状态有效 。 输 出模块负责整个控制系统 的功率和信 号输 出，是系统 运行效果的体现 ，输 出主要包括 电磁 阀启闭、信 号灯开关 以 及比例电磁阀控制，考虑到控制器 的硬件特性 ，以及 系统 的 快速 响应要求，本软件并没有对各个输 出进行 函数或 功能块 式的封装，而是直接对这些全局变量赋值来完成输出。 检测模块负责对主程序运行前所有系统变量进行故障识 别，若发现故障则及时关闭恒流驱动端口输出，并通过 C AN 总线将故障代码发送至整车网络。 r I 【 堕 坚 堡 i 兰 堡 呕 q 塞 ， ， 1 桥角度是香、 是 ’ 根据车辆几何关 系计算I I ]／ V桥目 标角度转向值 调用算法模块计算电控比例阀的控制电流 j {模式选择结束 图 4主程序流程图 算法模块包含了后组电控液压全轮转向的控制算法，算 法的好坏将极大的影响全轮转向系统的稳定性和平顺性。控 制算法的选择和设计是整个控制系统关键核心之一，算法模 块是否满足控制要求应根据实际试验测试后评价，因此该模 块应具备改进的特性。算法模块为改进型P I D功能块，本文 鬻 一 、 ， 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 5 汽车实用技术 2 0 1 5年第 4期 采用增量式 P I D算法，其表达式如下 u k u k 一1 A u k A u k k p e k 一e k 一1 k i e k k d e k 一 2 十 e k 一1 e k 一 2 对于本系统，e k 为 k时刻采样的转角误差，u k 为k时 刻 P I D算法的控制量，增量式 P 1 D控制的控制增量仅与最近 一 次的采样有关， 误动作影响小且容易获得较好的控制效果； 为了避免控制作用过于频 繁， 消 除由于频繁动作引起的振荡 ， 采用带死区的 P I D控制算法，其算式如下 e k l P l Im lm a x 式中，c o n t r o l k 为 比例 电磁 阀的控制 电流。 通讯模块负责与整车控制器交互信息，接收并处理车速 信号，整理并发送控制系统转向信息及系统故障信息。由于 通讯模块被设置成 l O O ms 周期定时工作，因此通讯模块可为 其它时序功能提供时间基准。 全轮转向电控系统装车试验 图 5 全轮转 向模式下 ，控制 系统控制 曲线图 为 验 证 电控 系统 的正 确 性 ，进 行 了装 车试 验 。通 过 C o De S y s 开发环境中的可视化模块监测系统转向角度信息。 图5为从蟹形转向模式切换至全轮转向模式下，控制系统的 控制效果图；图6为蟹形转向模式下，控制系统的控制效果 图。图7为蟹形转向模式切换至前组转向模式后，控制系统 的控制效果图。图中横坐标为系统时间，精度为秒；纵坐标 为角度值，精度为 O ． 1 度，其中 表示前桥角度值，⋯ 表示I I I 桥角度值，⋯表示V桥角度值。 图 6 蟹形转 向模式下 。控制系统控制曲线圈 图 7 蟹形转 向模式切换至前组转向模式下 ． 控制系统控制曲线图 从图中可以看出，控制系统具有较好的响应及较好的控 制效果。 为进一步验证控制系统的性能， 还需进行相关试验。 6 、结论 本文在研究军用重型车辆电控液压全轮转向系统的组成 及工作原理 的基础上 ，对 电控系统的组成及软件系统开发进 行了设计，并完成电控系统开发。采用陕汽定制开发的军用 级高性 能控制器 作为全轮转 向系统 的控制 器硬件 ，用 C o De S y s 开发环境进行 电控系统软件开发 。为验证 电控系统 的正确性，最终进行了装车试验，试验结果表明该电控系统 能完成控制要求。为了进一步验证电控液压全轮转向系统的 可靠性 ，还需进行相关可靠性试验。 参考文献 【 1 ]刘金琨．先进 P I D 控 制及其 MA T L AB 仿真 ．电子工业出版社 2 0 0 2． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m