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(1.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江　212013； 2. 鎮(zhèn)江液壓股份有限公司， 江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

引言

全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[1]是利用液壓動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制的一套裝置，因其安全、靈活、操縱輕便的優(yōu)越性而被廣泛應(yīng)用于中低速、重載、大型工程車輛中。系統(tǒng)工作原理如圖1所示，當(dāng)方向盤帶動(dòng)轉(zhuǎn)向器閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，打開對(duì)應(yīng)油路，壓力油經(jīng)轉(zhuǎn)向器打開的通道進(jìn)入轉(zhuǎn)向油缸，油缸活塞桿的伸縮傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)車輪偏轉(zhuǎn)。

全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在工作過(guò)程中，由于液壓油的壓縮、泄漏，其方向盤的位置和車輪的位置難以像機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)那樣精確對(duì)應(yīng)，在車輪的有效轉(zhuǎn)向角度區(qū)間內(nèi)，方向盤的位置是不確定的。另外，在全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，車輪已轉(zhuǎn)至極限轉(zhuǎn)角后，方向盤仍然可以向轉(zhuǎn)向一側(cè)滑移，當(dāng)車輪再次回到中位時(shí)，方向盤位置相對(duì)前一次車輪中位時(shí)的位置就發(fā)生了一定的偏移。由于上述現(xiàn)象的存在，當(dāng)車輪回正時(shí)，方向盤沒(méi)有一個(gè)確切的位置與之對(duì)應(yīng)，形成方向盤的“歸零”偏差，駕駛員無(wú)法根據(jù)方向盤來(lái)判斷車輪的方向，為駕駛帶來(lái)不便。為此，一種電比例主動(dòng)控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electro-proportional Active Control Steering，EPACS)[2]引起工程界的普遍關(guān)注，它可以有效地保證方向盤與車輪轉(zhuǎn)角的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1.油源　2.油箱　3.方向盤　4.全液壓轉(zhuǎn)向器5.轉(zhuǎn)向油缸　6.轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)　7.車輪圖1　全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理圖

1　EPACS系統(tǒng)工作原理

1.1　系統(tǒng)液壓原理

圖2為EPACS液壓系統(tǒng)原理圖?？梢钥闯觯撓到y(tǒng)在常規(guī)全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了方向盤轉(zhuǎn)角傳感器5、車輪轉(zhuǎn)角傳感器9，分別監(jiān)測(cè)方向盤轉(zhuǎn)角和車輪轉(zhuǎn)角，而系統(tǒng)的中樞是控制器11，用于處理方向盤、車輪轉(zhuǎn)角信號(hào)，并向電磁閥3發(fā)出控制信號(hào)，通過(guò)控制進(jìn)入轉(zhuǎn)向油缸7的流量，進(jìn)行轉(zhuǎn)角補(bǔ)償。

1.泵　2.油箱　3.電磁閥　4.方向盤　5.方向盤轉(zhuǎn)角傳感器6.全液壓轉(zhuǎn)向器　7.轉(zhuǎn)向油缸　8.轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)　9.車輪轉(zhuǎn)角傳感器10.車輪　11.控制器圖2　EPACS液壓系統(tǒng)原理框圖

當(dāng)系統(tǒng)忽略油液壓縮、泄漏及閥芯滑移、開口死區(qū)、飽和等非線性因素時(shí)，車輪轉(zhuǎn)角α與方向盤轉(zhuǎn)角θ之間有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,即α=f(θ)，實(shí)際上，上述因素在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的裝配、工作過(guò)程中是不可避免的，因此，其實(shí)際對(duì)應(yīng)關(guān)系為α=f(θ)+δ。δ即為上述非線性因素引起的車輪轉(zhuǎn)角偏差，具有不確定性。EPACS系統(tǒng)的作用就是通過(guò)油路的二次補(bǔ)償，減小并消除轉(zhuǎn)向偏差，保證了車輪在中位時(shí)方向盤位置與車輪朝向有精確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1.2　系統(tǒng)控制原理

EPACS控制系統(tǒng)原理如圖3所示，是以方向盤轉(zhuǎn)角為輸入、車輪轉(zhuǎn)角為輸出的復(fù)合控制系統(tǒng)，該復(fù)合控制由兩部分組成，一路是以方向盤轉(zhuǎn)角為輸入的順饋通道，另一路是以車輪轉(zhuǎn)角為輸入的反饋通道，控制器、補(bǔ)償電磁閥是順饋與反饋的公共通道。在工作過(guò)程中，前向通道中的全液壓轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向液壓缸、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)均為非線性環(huán)節(jié)[4]，包括機(jī)械系統(tǒng)非線性、液壓系統(tǒng)非線性。

圖3　EPACS系統(tǒng)控制原理圖

控制的基本目標(biāo)是：

(1) 當(dāng)車輪回到“零位”時(shí)，方向盤上的標(biāo)記位能回到對(duì)應(yīng)的“零位”；

(2) 當(dāng)由于人為因素(1)中約定的對(duì)應(yīng)關(guān)系被破壞，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)啟動(dòng)后可快速恢復(fù)到要求的狀態(tài)。

2　硬件構(gòu)成

從控制的角度看，除了原有的元件外，增加的硬件主要有轉(zhuǎn)角傳感器、控制器以及補(bǔ)償電磁閥。

2.1　轉(zhuǎn)角傳感器

車輪轉(zhuǎn)角傳感器選用光電編碼器，是集光機(jī)電技術(shù)于一體的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)速傳感器，具有分辨能力高、力矩小、耗能低、使用壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)。

方向盤轉(zhuǎn)角傳感器選用旋轉(zhuǎn)變壓器。旋轉(zhuǎn)變壓器尺寸較小，可直接與全液壓轉(zhuǎn)向器集成一體，集成度高，且具有耐高溫、耐潮濕、抗震動(dòng)的特性，保證了在液壓系統(tǒng)較為惡劣的工作環(huán)境下，方向盤轉(zhuǎn)角的精確測(cè)量。

2.2　控制器

控制器由CPU、供電與驅(qū)動(dòng)模塊、通訊模塊以及人機(jī)交互模塊四部分組成。

CPU選用STC 11F60XE單片機(jī)，高速、可靠、具備很強(qiáng)的抗干擾能力。供電與驅(qū)動(dòng)模塊完成電平轉(zhuǎn)換與電磁閥驅(qū)動(dòng)，由車輛自帶蓄電池直接為控制器供電，同時(shí)將單片機(jī)輸出的控制信號(hào)進(jìn)行功率放大，保證了電磁閥的正常工作與快速響應(yīng)；通訊模塊完成控制器與傳感器和PC的硬件接口，靈活實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸以及程序下載更新；人機(jī)交互模塊包括數(shù)據(jù)顯示與按鍵調(diào)整，將傳感器測(cè)量到的轉(zhuǎn)角信息以及相關(guān)控制參數(shù)通過(guò)LCD液晶屏實(shí)時(shí)顯示，通過(guò)按鍵對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，為系統(tǒng)調(diào)試提供便利。

圖4為EPACS系統(tǒng)的控制器實(shí)物圖。

圖4　EPACS系統(tǒng)控制器

2.3　補(bǔ)償電磁閥

補(bǔ)償電磁閥是EPACS系統(tǒng)的執(zhí)行器[5]，選用開關(guān)電磁閥，電磁閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制靈活，比起比例閥、伺服閥等其他種類執(zhí)行器，電磁閥成本低廉且易于安裝維護(hù)。另外，由于工程車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安裝空間比較有限，根據(jù)電磁閥尺寸較小的特點(diǎn)，直接與全液壓轉(zhuǎn)向器集成在一起，節(jié)省空間，便于更換。

3　算法設(shè)計(jì)

針對(duì)全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作過(guò)程中轉(zhuǎn)向偏差的兩個(gè)主要來(lái)源：油液泄漏與方向盤滑移，分別設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的控制策略[5]。

3.1　泄漏補(bǔ)償

由于執(zhí)行元件電磁閥只有開、關(guān)兩種狀態(tài)，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制，考慮到電磁鐵吸合與斷開需要一定的反應(yīng)時(shí)間，系統(tǒng)將不可避免存在一定的滯后與超調(diào)。為優(yōu)化控制效果，開發(fā)了一種新型控制算法，將PID控制與常規(guī)開關(guān)控制有效結(jié)合，利用PID的控制特性與參數(shù)整定，消除開關(guān)控制存在的盲區(qū)。

首先，根據(jù)車輛轉(zhuǎn)向精度要求，為車輪轉(zhuǎn)角偏差設(shè)定閾值E[6]。

設(shè)定車輪轉(zhuǎn)角α與方向盤轉(zhuǎn)角θ函數(shù)關(guān)系α=f(θ)，計(jì)算當(dāng)前車輪轉(zhuǎn)角偏差δ：

以δ為輸入，計(jì)算：

(1)

以經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算后的結(jié)果δ′與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)定閾值E進(jìn)行比較，若δ′>E，則打開電磁閥進(jìn)行補(bǔ)償，若δ′<-E，則關(guān)閉電磁閥停止補(bǔ)償。此時(shí)轉(zhuǎn)向偏差δ′已具備PID控制的微分與積分特性，通過(guò)整定微分系數(shù)PD與積分系數(shù)PI，可有效預(yù)測(cè)誤差的變化趨勢(shì)，避免滯后與超調(diào)，同時(shí)減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。

3.2　滑移補(bǔ)償

根據(jù)全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特性，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)到極限位置，油缸活塞桿伸至終點(diǎn)，方向盤阻力變大，有一定的“終點(diǎn)感”，但仍然可以通過(guò)人力強(qiáng)行轉(zhuǎn)動(dòng)使方向盤向轉(zhuǎn)向一側(cè)滑移，此時(shí)，轉(zhuǎn)向器排出的油液直接經(jīng)系統(tǒng)溢流閥返回油箱，不再進(jìn)入油缸。隨著轉(zhuǎn)向器的使用，內(nèi)部磨損加劇，方向盤的“終點(diǎn)感”將越來(lái)越弱，導(dǎo)致全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作過(guò)程中由方向盤過(guò)量滑移帶來(lái)的轉(zhuǎn)向偏差大量存在。

方向盤滑移發(fā)生時(shí)，車輪轉(zhuǎn)角α保持不變，若方向盤正轉(zhuǎn)，則方向盤轉(zhuǎn)角θ繼續(xù)增大，車輪轉(zhuǎn)角的偏差也將不斷增大；同理，若方向盤反轉(zhuǎn)，車輪轉(zhuǎn)角的偏差δ將不斷減小。理論上，方向盤的滑移角度沒(méi)有上限，即轉(zhuǎn)向偏差δ可能在很大范圍內(nèi)變化，遠(yuǎn)超出電磁閥的補(bǔ)償能力。

由于方向盤轉(zhuǎn)角的周期性特點(diǎn)，相差N個(gè)360°不會(huì)影響其方向盤絕對(duì)位置。通過(guò)將方向盤轉(zhuǎn)角θ靈活加減360°，以控制轉(zhuǎn)向偏差。

θ=θ±360,f(θ-α)>f(θ±360)-α

(2)

這樣，無(wú)論方向盤真正滑移量有多大，實(shí)際造成轉(zhuǎn)向偏差的滑移角度都限制在[-180°，180°]， 從而有效地將系統(tǒng)滑移偏差限制在一定范圍之內(nèi)，在車輪回正過(guò)程中快速完成補(bǔ)償。

除此之外，為延長(zhǎng)電磁閥的使用壽命(約開關(guān)50萬(wàn)次左右)，為系統(tǒng)設(shè)立一定的控制范圍[-α,α]，范圍之外電磁閥不動(dòng)作，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)角進(jìn)入控制范圍后，開啟補(bǔ)償，將全程累積的轉(zhuǎn)向偏差在控制范圍之內(nèi)補(bǔ)償完成，減少電磁閥開關(guān)次數(shù)，延長(zhǎng)了系統(tǒng)的更換周期。

綜上所述，EPACS系統(tǒng)算法流程如圖5所示。

4　EPACS系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

EPACS系統(tǒng)在收割機(jī)、叉車等后輪驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向輪不易觀測(cè)行走機(jī)械中具有典型的代表性，本研究以3T內(nèi)燃式平衡重式叉車CPCD30為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該叉車采用了BZZ-80型全液壓轉(zhuǎn)向器，排量80 mL/r；電磁閥為DHF08-224型二位二通電磁閥，工作電壓12 VDC。

圖5　EPACS系統(tǒng)控制算法流程圖

圖6為CPCD叉車實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖6　CPCD叉車實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖7為通用全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，即沒(méi)有帶CPACS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖7a是方向盤未滑移工況下系統(tǒng)的運(yùn)行情況，車輪從中位起步，先運(yùn)動(dòng)至負(fù)極限位置，然后返回到正極線位置。在去程與回程過(guò)程中，車輪方向盤轉(zhuǎn)角曲線難以重合，在車輪0°位置，方向盤轉(zhuǎn)角相對(duì)零點(diǎn)位置形成泄漏偏差。

圖7b是方向盤正向滑移工況下系統(tǒng)的運(yùn)行情況，車輪從中位起步，運(yùn)行至正極限位置A后，方向盤正向滑移，車輪轉(zhuǎn)角保持不變，方向盤轉(zhuǎn)角繼續(xù)增加至B，然后由B開始回程，當(dāng)車輪再次回到中位時(shí)，方向盤轉(zhuǎn)角相對(duì)零點(diǎn)位置產(chǎn)生滑移偏差。

圖7c是方向盤反向滑移工況下系統(tǒng)的運(yùn)行情況，車輪從中位起步，運(yùn)行至負(fù)極限位置C后，方向盤反向滑移，車輪轉(zhuǎn)角保持不變，方向盤轉(zhuǎn)角繼續(xù)減小至D，然后由D開始回程，當(dāng)車輪再次回到中位時(shí)，方向盤轉(zhuǎn)角相對(duì)零點(diǎn)位置產(chǎn)生滑移偏差。

由圖7可知，全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作過(guò)程中存在泄漏偏差與方向盤滑移偏差，其中，泄漏偏差一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期約為50°，且將隨時(shí)間進(jìn)行不斷累積，滑移偏差由方向盤滑移量直接決定，具有隨機(jī)性。

根據(jù)通用全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可以看出方向盤轉(zhuǎn)角與車輪轉(zhuǎn)角關(guān)系近似線性，且左右不對(duì)稱，分別設(shè)定k1、k2、為車輪轉(zhuǎn)角負(fù)半?yún)^(qū)和正半?yún)^(qū)比例系數(shù)，即：

(3)

另外，設(shè)定車輪轉(zhuǎn)角控制范圍 [-30°，30°]，車輪轉(zhuǎn)角偏差閾值E=0.5°。

圖7　通用全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

圖8　EPACS系統(tǒng)

啟動(dòng)EPACS系統(tǒng)后，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8a是系統(tǒng)對(duì)泄漏偏差的補(bǔ)償情況，對(duì)全程累積的泄漏偏差，系統(tǒng)在控制范圍之內(nèi)完成補(bǔ)償，車輪零位與方向盤零位準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)。

圖8b、圖8c是系統(tǒng)對(duì)滑移偏差的補(bǔ)償情況。從A至B、C至D，方向盤分別發(fā)生了正向和反向滑移。在控制范圍之外，系統(tǒng)不工作，轉(zhuǎn)向偏差明顯。車輪轉(zhuǎn)角進(jìn)入 [-30°，30°] 后，系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)向偏差快速反應(yīng)，車輪零位與方向盤零位準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)。

另外，由圖8c可以看出，當(dāng)方向盤滑移量過(guò)大時(shí)，根據(jù)控制算法，對(duì)方向盤轉(zhuǎn)角θ進(jìn)行加360°操作，將系統(tǒng)偏差控制在小范圍內(nèi)，快速完成補(bǔ)償。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，本系統(tǒng)能夠有效地消除全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作過(guò)程中存在的各種轉(zhuǎn)向偏差，保證車輪零位與方向盤零位準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)。

5　結(jié)論

(1) 電比例主動(dòng)控制轉(zhuǎn)向(EPACS)系統(tǒng)是在通用全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它有效地解決了車輪回正時(shí)方向盤的定位問(wèn)題；

(2) 針對(duì)油液泄漏、方向盤滑移問(wèn)題，從原理和硬件上構(gòu)建了EPACS系統(tǒng)，提出一種PID與開關(guān)控制相結(jié)合的軟件控制復(fù)合算法，為實(shí)驗(yàn)研究奠定了基礎(chǔ)；

(3) 以叉車為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)對(duì)采用EPACS系統(tǒng)前后的實(shí)驗(yàn)對(duì)比可以看出，所設(shè)計(jì)的EPACS系統(tǒng)具有良好的控制效果，通過(guò)補(bǔ)償作用，保證了車輪和方向盤的準(zhǔn)確歸零。

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