徐培，楊大磊，楊曦明，賀丹莉

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

軍用車輛全輪轉(zhuǎn)向電控液壓系統(tǒng)研究

徐培，楊大磊，楊曦明，賀丹莉

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

本文首先對(duì)軍用越野車輛全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能要求進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)全輪轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)的組成和工作原理進(jìn)行了研究，最后對(duì)全輪轉(zhuǎn)向電控系統(tǒng)及電控系統(tǒng)軟件進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。為驗(yàn)證全輪轉(zhuǎn)向電控液壓系統(tǒng)的性能，進(jìn)行了裝車試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該電控液壓系統(tǒng)能夠滿足前期方案提出的全輪轉(zhuǎn)向技術(shù)指標(biāo)，具有良好的控制效果。

軍用重型車輛；全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；電控液壓

CLC NO.: U463.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)04-42-04

前言

隨著國(guó)產(chǎn)武器裝備性能的不斷提高，大型武器裝備系統(tǒng)的集成度也日益增加，為滿足大型武器裝備對(duì)地面運(yùn)載工具高機(jī)動(dòng)性的要求，對(duì)10X10等多軸軍用重型車輛底盤(pán)的機(jī)動(dòng)性、通過(guò)性等要求也越來(lái)越高。多軸重型車輛由于車身較長(zhǎng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向半徑相對(duì)較大，降低了車輛機(jī)動(dòng)性。對(duì)于軍用車輛，機(jī)動(dòng)性的喪失，意味著作戰(zhàn)效能的喪失，而采用全輪轉(zhuǎn)向技術(shù)是改善重型軍用車輛機(jī)動(dòng)性的重要手段。本文以陜汽五軸超重型軍用越野車輛為目標(biāo)車型，設(shè)計(jì)了基于電控液壓原理的全輪轉(zhuǎn)向電控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有前組轉(zhuǎn)向、全輪轉(zhuǎn)向、蟹形轉(zhuǎn)向三種轉(zhuǎn)向模式。當(dāng)車輛在有限空間轉(zhuǎn)彎或倒車時(shí)，采用全輪轉(zhuǎn)向模式，可顯著減少車輛轉(zhuǎn)彎半徑；當(dāng)車輛在狹小場(chǎng)地調(diào)整位置時(shí)，可采用蟹形轉(zhuǎn)向模式進(jìn)行平行移動(dòng)、迅速就位；當(dāng)車輛在高速行駛時(shí)，車輛可自動(dòng)轉(zhuǎn)換為前組轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向模式保持行駛穩(wěn)定性。

1、五軸超重型軍用越野車輛全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)功能要求

1.1 轉(zhuǎn)向控制功能

轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在前組轉(zhuǎn)向、全輪轉(zhuǎn)向、蟹形轉(zhuǎn)向三種轉(zhuǎn)向模式之間的切換，電控液壓系統(tǒng)應(yīng)性能穩(wěn)定、響應(yīng)迅速、跟隨準(zhǔn)確。前組轉(zhuǎn)向即Ⅰ、Ⅱ橋轉(zhuǎn)向，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ橋不轉(zhuǎn)向。全輪轉(zhuǎn)向、蟹形轉(zhuǎn)向即根據(jù)車輛幾何關(guān)系及前橋轉(zhuǎn)向角度計(jì)算出Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ橋的目標(biāo)轉(zhuǎn)向角度，通過(guò)電控系統(tǒng)控制Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ橋達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)向角度。

1.2 信息共享及顯示能力

電控系統(tǒng)可將轉(zhuǎn)向模式、各橋目標(biāo)角度、實(shí)際角度、轉(zhuǎn)向壓力及系統(tǒng)故障信息發(fā)送至車身總線上，供車輛顯控單元顯示，并能從車身總線上讀取控制所需信息。

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或轉(zhuǎn)向?qū)χ袝r(shí)，應(yīng)能點(diǎn)亮相應(yīng)指示燈。

1.3 故障診斷及處理能力

電控系統(tǒng)應(yīng)能識(shí)別傳感器故障、電控單元驅(qū)動(dòng)開(kāi)短路故障，且當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，電控系統(tǒng)能進(jìn)行故障處理。

1.4 強(qiáng)制對(duì)中能力

當(dāng)電控系統(tǒng)癱瘓時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)強(qiáng)制對(duì)中裝置及相關(guān)電路使Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ橋轉(zhuǎn)向強(qiáng)制對(duì)中。

1.5 零位標(biāo)定功能

由于需要知道各橋轉(zhuǎn)向角度值，所以需安裝角度傳感器，但當(dāng)安裝角度傳感器或更換角度傳感器時(shí)，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向零位與角度傳感器的零位可能不同，因此電控系統(tǒng)需設(shè)計(jì)零位標(biāo)定程序快速標(biāo)定系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向零位。

2、全輪轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)組成及工作原理

圖1為全輪轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)原理圖。其中Ⅰ、Ⅱ橋轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用傳統(tǒng)機(jī)械-液壓助力方式，由方向盤(pán)直接控制，作為前組轉(zhuǎn)向。Ⅲ橋轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)作為一個(gè)獨(dú)立單元，控制方式為電控液壓，Ⅳ、Ⅴ橋轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)之間通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)連接來(lái)協(xié)調(diào)兩橋之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，作為一個(gè)整體單元進(jìn)行控制，控制方式為電控液壓，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ橋的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)統(tǒng)稱為后組轉(zhuǎn)向。

為了防止電控系統(tǒng)失效及系統(tǒng)可靠性，在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ橋轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中增加對(duì)中機(jī)構(gòu)，在電控系統(tǒng)失效時(shí)，可使轉(zhuǎn)向鎖定在前組轉(zhuǎn)向模式下，不影響行車。圖中對(duì)中缸、助力缸的力作用在轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上，電磁換向閥1、2、3狀態(tài)為斷電狀態(tài)。當(dāng)需要前組轉(zhuǎn)向時(shí)，電控單元控制比例電磁閥作用助力缸使后組轉(zhuǎn)向回中，然后電磁換向閥1斷電，電磁換向閥2、3通電，此時(shí)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ橋?qū)χ懈鬃饔檬耿?、Ⅳ、Ⅴ橋鎖定在對(duì)中狀態(tài)，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ橋助力缸隨動(dòng)不起作用，Ⅰ、Ⅱ橋在Ⅰ、Ⅱ橋助力缸的作用下控制前組轉(zhuǎn)向；當(dāng)需要后組轉(zhuǎn)向時(shí)，電磁換向閥1通電，電磁換向閥2、3斷電，此時(shí)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ橋助力缸起作用控制后組轉(zhuǎn)向，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ橋?qū)χ懈纂S動(dòng)不起作用，電控單元控制比例電磁閥實(shí)現(xiàn)后組轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)角和方向的變化。

3、全輪轉(zhuǎn)向電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

電控液壓全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過(guò)安裝在整車上的角度傳感器采集Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ橋輪胎轉(zhuǎn)角信息，全輪轉(zhuǎn)向控制器根據(jù)各橋轉(zhuǎn)角信息、轉(zhuǎn)向模式切換開(kāi)關(guān)狀態(tài)、車輛狀態(tài)及預(yù)先設(shè)定的控制規(guī)律控制電磁換向閥通斷及比例電磁閥的流量和方向，實(shí)現(xiàn)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ橋輪胎轉(zhuǎn)角大小和方向的變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在前組轉(zhuǎn)向模式、全輪轉(zhuǎn)向模式、蟹形轉(zhuǎn)向模式之間的切換?？紤]到系統(tǒng)的安全性：當(dāng)車速高于30km/h時(shí)，無(wú)論轉(zhuǎn)向模式切換開(kāi)關(guān)處于何種狀態(tài)，控制系統(tǒng)自動(dòng)切換到前組轉(zhuǎn)向模式。當(dāng)車速低于30km/h時(shí)，控制器根據(jù)轉(zhuǎn)向模式切換開(kāi)關(guān)的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向模式的切換；當(dāng)電控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，為保證行車安全，后組轉(zhuǎn)向必須處于對(duì)中狀態(tài)，此時(shí)電磁換向閥1斷電，電磁換向閥2、3通電，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ橋?qū)χ懈讓⒑蠼M轉(zhuǎn)向?qū)χ小?/p>

根據(jù)系統(tǒng)需求，全輪轉(zhuǎn)向電控系統(tǒng)由全輪轉(zhuǎn)向控制器、轉(zhuǎn)向模式切換開(kāi)關(guān)、零位標(biāo)定開(kāi)關(guān)、強(qiáng)制對(duì)中開(kāi)關(guān)、信號(hào)燈、轉(zhuǎn)角傳感器、壓力傳感器、電磁換向閥、比例電磁閥、轉(zhuǎn)換式繼電器及相關(guān)接口線束組成。整個(gè)系統(tǒng)的控制信號(hào)流圖見(jiàn)圖2。

全輪轉(zhuǎn)向控制器實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、控制功能及相關(guān)負(fù)載驅(qū)動(dòng)；轉(zhuǎn)向模式切換開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)前組轉(zhuǎn)向模式、全輪轉(zhuǎn)向模式、蟹形轉(zhuǎn)向模式之間的切換；零位標(biāo)定開(kāi)關(guān)用于激活全輪轉(zhuǎn)向控制器中的零位標(biāo)定程序來(lái)標(biāo)定系統(tǒng)轉(zhuǎn)向零位；強(qiáng)制對(duì)中開(kāi)關(guān)及轉(zhuǎn)換式繼電器用來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制對(duì)中控制邏輯；信號(hào)燈包括故障指示燈及對(duì)中指示燈，用于指示電控系統(tǒng)的故障及后組轉(zhuǎn)向的狀態(tài)；轉(zhuǎn)角傳感器用于采集Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ橋輪胎轉(zhuǎn)角信號(hào)；壓力傳感器用于采集Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力，可用于判斷液壓系統(tǒng)是否處于正常工作狀態(tài)。

本方案中采用的全輪轉(zhuǎn)向控制器為陜汽定制開(kāi)發(fā)的軍用級(jí)高性能控制器，使用CoDeSys集成開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行編程，該控制器采用32位微控制器芯片，其輸入端口通過(guò)配置可復(fù)用，輸出驅(qū)動(dòng)電路采用具有診斷功能的智能驅(qū)動(dòng)器件，可對(duì)控制器輸出進(jìn)行故障診斷，其中高端恒流驅(qū)動(dòng)端口采用了專用的比例閥驅(qū)動(dòng)芯片，它是一款數(shù)字控制芯片，具有很好的抗干擾能力，其內(nèi)部采用低端常電流控制預(yù)驅(qū)動(dòng)積分電路，可編程控制顫振信號(hào)。顫振信號(hào)在比例電磁閥的控制中是有用且必需的信號(hào)，它有利于克服摩擦阻力，其作用還能有效消除回程誤差。

4、全輪轉(zhuǎn)向電控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

整個(gè)電控系統(tǒng)的核心為全輪轉(zhuǎn)向控制器控制軟件的開(kāi)發(fā)，本方案中軟件開(kāi)發(fā)是在CoDeSys開(kāi)發(fā)環(huán)境下完成的。為便于程序管理、優(yōu)化修正、功能性升級(jí)，在軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決策采用模塊化設(shè)計(jì)，并使得各模塊之間盡可能相互獨(dú)立，降低模塊間耦合度，提高了主程序的靈活性。

控制時(shí)序上為滿足系統(tǒng)控制精度的要求，需要嚴(yán)格控制程序運(yùn)行的時(shí)間，考慮到車速以及液壓系統(tǒng)的滯后特性，程序運(yùn)行時(shí)間控制在10ms以內(nèi)，由于通信時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，且周期固定，因此在軟件設(shè)計(jì)上采用如下策略：全輪轉(zhuǎn)向控制器硬件內(nèi)置的實(shí)時(shí)運(yùn)行系統(tǒng)支持CoDeSys的任務(wù)調(diào)度機(jī)制，由于在功能上要求定時(shí)發(fā)送和接收信息以及處理其它工作，因此在軟件運(yùn)行方式采用搶占式雙任務(wù)調(diào)度，其工作方式是：主任務(wù)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、處理、輸出、故障診斷處理等要求，采用自由循環(huán)模式，輔助任務(wù)負(fù)責(zé)CAN通信，采用定時(shí)觸發(fā)模式，定時(shí)時(shí)間為100ms，所有輔助工作狀態(tài)以此時(shí)間為基礎(chǔ)，按指定時(shí)序觸發(fā)。主輔任務(wù)關(guān)系如圖3所示。在總線通訊上將CAN發(fā)送器設(shè)置為先入先出隊(duì)列，隊(duì)列深度為5，所有CAN信息均發(fā)送至此隊(duì)列，這樣做可以避免通信阻塞導(dǎo)致程序運(yùn)行周期增加。

全輪轉(zhuǎn)向電控系統(tǒng)控制軟件主要包含：主程序模塊、輸入模塊、輸出模塊、檢測(cè)模塊、通訊模塊和算法模塊組成。

主程序模塊是實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)功能的核心，調(diào)用輸入模塊、檢測(cè)模塊并根據(jù)模式選擇及算法控制模塊控制轉(zhuǎn)向，主程序運(yùn)行在自由循環(huán)方式下，是完成對(duì)其它子程序或模塊調(diào)用的主要途徑。主程序的工作流程如圖4。

輸入模塊負(fù)責(zé)信號(hào)采集相關(guān)的工作，并根據(jù)需要對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行處理，確保提供給其它模塊的信號(hào)準(zhǔn)確性。本軟件涉及到控制系統(tǒng)的輸入主要包括：模擬量輸入、開(kāi)關(guān)量輸入。模擬量輸入信號(hào)為電壓型的，電壓型信號(hào)易受到外界干擾，由于產(chǎn)生電壓型信號(hào)的角度傳感器屬于系統(tǒng)關(guān)鍵器件，對(duì)控制系統(tǒng)的精度有重大影響，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)其做降噪處理?？刂破鳛閭鞲衅魈峁┝朔€(wěn)壓電源，并以比例輸入方式讀取模擬量值，以此來(lái)降低供電電源電壓波動(dòng)對(duì)信號(hào)精度的干擾。在此基礎(chǔ)上，對(duì)采集到的信號(hào)做進(jìn)一步濾波處理，本軟件采取5值窗口濾波以減少代碼復(fù)雜程度，由此將使得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)約有40ms的延時(shí)，考慮到液壓系統(tǒng)的滯后性（例如電磁比例閥先導(dǎo)閥開(kāi)啟和關(guān)閉的時(shí)間約為30ms），該方案在試驗(yàn)初期具有一定的實(shí)用性，并可作為后期其他濾波方案的對(duì)比參照。開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)主要包括點(diǎn)火開(kāi)關(guān)和使能開(kāi)關(guān)，輸入量采用控火方式。對(duì)于開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)，本軟件采用時(shí)間延遲處理的方式，即若開(kāi)關(guān)量狀態(tài)保持1s及以上時(shí)，則認(rèn)為該狀態(tài)有效。

輸出模塊負(fù)責(zé)整個(gè)控制系統(tǒng)的功率和信號(hào)輸出，是系統(tǒng)運(yùn)行效果的體現(xiàn)，輸出主要包括電磁閥啟閉、信號(hào)燈開(kāi)關(guān)以及比例電磁閥控制，考慮到控制器的硬件特性，以及系統(tǒng)的快速響應(yīng)要求，本軟件并沒(méi)有對(duì)各個(gè)輸出進(jìn)行函數(shù)或功能塊式的封裝，而是直接對(duì)這些全局變量賦值來(lái)完成輸出。

檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)對(duì)主程序運(yùn)行前所有系統(tǒng)變量進(jìn)行故障識(shí)別，若發(fā)現(xiàn)故障則及時(shí)關(guān)閉恒流驅(qū)動(dòng)端口輸出，并通過(guò)CAN總線將故障代碼發(fā)送至整車網(wǎng)絡(luò)。

算法模塊包含了后組電控液壓全輪轉(zhuǎn)向的控制算法，算法的好壞將極大的影響全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的穩(wěn)定性和平順性。控制算法的選擇和設(shè)計(jì)是整個(gè)控制系統(tǒng)關(guān)鍵核心之一，算法模塊是否滿足控制要求應(yīng)根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)測(cè)試后評(píng)價(jià)，因此該模塊應(yīng)具備改進(jìn)的特性。算法模塊為改進(jìn)型PID功能塊，本文采用增量式PID算法，其表達(dá)式如下：

對(duì)于本系統(tǒng)，e(k)為k時(shí)刻采樣的轉(zhuǎn)角誤差，u(k)為 k時(shí)刻PID算法的控制量，增量式PID控制的控制增量?jī)H與最近一次的采樣有關(guān)，誤動(dòng)作影響小且容易獲得較好的控制效果；為了避免控制作用過(guò)于頻繁，消除由于頻繁動(dòng)作引起的振蕩，采用帶死區(qū)的PID控制算法，其算式如下：

對(duì)于本系統(tǒng)，e(k)為轉(zhuǎn)角誤差，e0是一個(gè)可調(diào)參數(shù)，具體數(shù)值由試驗(yàn)確定，若e0指太小，會(huì)使控制動(dòng)作過(guò)于頻繁，達(dá)不到穩(wěn)定控制系統(tǒng)的目的，若e0太大，則系統(tǒng)將產(chǎn)生較大的滯后；對(duì)于本系統(tǒng)，由于電磁比例閥自身特性，其具有開(kāi)啟電流Imin及最大開(kāi)口電流Imax兩個(gè)工作電流限值，對(duì)PID控制算法的控制量加入限值，其算式如下：

式中，為比例電磁閥的控制電流。

通訊模塊負(fù)責(zé)與整車控制器交互信息，接收并處理車速信號(hào)，整理并發(fā)送控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)向信息及系統(tǒng)故障信息。由于通訊模塊被設(shè)置成100ms周期定時(shí)工作，因此通訊模塊可為其它時(shí)序功能提供時(shí)間基準(zhǔn)。

5、全輪轉(zhuǎn)向電控系統(tǒng)裝車試驗(yàn)

為驗(yàn)證電控系統(tǒng)的正確性，進(jìn)行了裝車試驗(yàn)。通過(guò)CoDeSys開(kāi)發(fā)環(huán)境中的可視化模塊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)向角度信息。圖5為從蟹形轉(zhuǎn)向模式切換至全輪轉(zhuǎn)向模式下，控制系統(tǒng)的控制效果圖；圖6為蟹形轉(zhuǎn)向模式下，控制系統(tǒng)的控制效果圖。圖7為蟹形轉(zhuǎn)向模式切換至前組轉(zhuǎn)向模式后，控制系統(tǒng)的控制效果圖。圖中橫坐標(biāo)為系統(tǒng)時(shí)間，精度為秒；縱坐標(biāo)為角度值，精度為0.1度，其中 表示前橋角度值，表示Ⅲ橋角度值， 表示Ⅴ橋角度值。

從圖中可以看出，控制系統(tǒng)具有較好的響應(yīng)及較好的控制效果。為進(jìn)一步驗(yàn)證控制系統(tǒng)的性能，還需進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

6、結(jié)論

本文在研究軍用重型車輛電控液壓全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成及工作原理的基礎(chǔ)上，對(duì)電控系統(tǒng)的組成及軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并完成電控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。采用陜汽定制開(kāi)發(fā)的軍用級(jí)高性能控制器作為全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制器硬件，用CoDeSys開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行電控系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)。為驗(yàn)證電控系統(tǒng)的正確性，最終進(jìn)行了裝車試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該電控系統(tǒng)能完成控制要求。為了進(jìn)一步驗(yàn)證電控液壓全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性，還需進(jìn)行相關(guān)可靠性試驗(yàn)。

[1]劉金琨. 先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真. 電子工業(yè)出版社, 2002.

Electric Hydraulic Control System for military vehicles with all-wheel steering

Xu Pei, Yang Dalei, Yang Ximing, He Danli
（Shaanxi Heavy-Duty Truck Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200）

This article first military off-road vehicle with all-wheel steering system functional requirements are analyzed on the basis of the composition of the all-wheel steering and working principle of the hydraulic system were studied. Finally, electronically controlled all-wheel steering system and electric control system software detailed design. To verify the electronically controlled all-wheel steering hydraulic system performance, were loading test, the test results show that the electro-hydraulic system can meet the all-wheel steering technology early indicators proposed scheme has good control effect.

Heavy military vehicles; All-wheel steering system; Electro-hydraulic

U463.4

A

1671-7988(2015)04-42-04

徐培，助理工程師，就職于陜西重型汽車有限公司，從事整車電器系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。