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(1.太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 山西太原 030024; 2. 江蘇歐盛液壓科技有限公司技術(shù)部， 江蘇啟東 226200; 3. 中國北方車輛研究所車輛傳動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100072)

引言

把無線技術(shù)應(yīng)用在車輛控制方面，充分體現(xiàn)無人化、遠(yuǎn)程化與信息化的控制特點(diǎn)。履帶車輛采用雙向變量柱塞泵驅(qū)動(dòng)定量馬達(dá)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能，其變量部分一直采用傳統(tǒng)手動(dòng)控制。為了適應(yīng)未來整車信息網(wǎng)絡(luò)化及無人駕駛的潛在應(yīng)用需求，擬針對現(xiàn)有產(chǎn)品以模塊化、結(jié)構(gòu)通用化原則設(shè)計(jì)電控伺服變量轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，為未來應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 無線遙控的方法

1.1 系統(tǒng)工作過程

在部分改變原機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合無線通信和電子控制技術(shù)形成一種新的變量控制系統(tǒng)，變量系統(tǒng)邏輯框圖如圖1所示。人員通過遙控ECU(Electronic Control Unit)設(shè)定預(yù)定軌跡經(jīng)無線模塊1以微波形式發(fā)送給變量ECU[1]，變量ECU判斷運(yùn)算并輸出電信號控制高頻比例伺服閥，高頻比例伺服閥控制液壓泵的變量活塞運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)變量。系統(tǒng)存在2個(gè)閉環(huán)，內(nèi)閉環(huán)是通過LVDT位移傳感器反饋?zhàn)兞炕钊灰菩盘柦o變量ECU,變量ECU把檢測信號與指令信號進(jìn)行比較并采用PID算法計(jì)算輸出控制高頻響比例伺服閥的電流，內(nèi)閉環(huán)的目的保證活塞位移對指令信號的跟隨性[2]。外閉環(huán)利用姿態(tài)傳感器檢測車輛的三軸角速度和三軸加速度，通過無線模塊2反饋車輛的俯仰角、橫滾角、導(dǎo)航角[3]等數(shù)據(jù)給遙控ECU，遙控ECU軌跡跟隨程序根據(jù)反饋信息對指令信號做出調(diào)整或從新規(guī)劃任務(wù)[4]。

1.2 電控硬件組成

圖1無線遙控變量系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)中變量ECU是以STM32單片機(jī)為微處理器結(jié)合信號處理電路、H橋驅(qū)動(dòng)電路、驅(qū)動(dòng)邏輯電路、保護(hù)電路等[5]構(gòu)成。

圖1 無線遙控變量系統(tǒng)框圖

遙控ECU與變量ECU一樣都是以STM32單片機(jī)作為微處理器，但兩者的驅(qū)動(dòng)電路不同。結(jié)合LCD屏幕形成操作平臺(tái)。遙控ECU作用是根據(jù)制定的預(yù)定軌跡計(jì)算出對應(yīng)的無線數(shù)據(jù)，根據(jù)姿態(tài)傳感器反饋回來的數(shù)據(jù)信息，顯示車輛行駛方向、車身狀態(tài)和行駛軌跡[6]，并利用軌跡跟蹤控制算法[7]使車輛行駛軌跡與預(yù)定軌跡盡量擬合。

無線模塊1與無線模塊2均采用一對收發(fā)一體無線轉(zhuǎn)串口模塊[8]，最大傳輸速率19200 Bit/s，每包最大230個(gè)字節(jié)。

姿態(tài)傳感器使用成熟可靠的MPU6050傳感器，其具有131 LSBs·ses/°敏感度和±2000 °/sec全格感測范圍。

1.3 無線信號的結(jié)構(gòu)

指令信號設(shè)計(jì)成6個(gè)字節(jié)并以HEX方式發(fā)送。由于實(shí)際工況下無線收發(fā)模塊會(huì)受到很多電子信號的干擾從而出現(xiàn)不可預(yù)知的錯(cuò)誤，故除了給數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)檢驗(yàn)位之外還在數(shù)據(jù)的開頭和結(jié)尾增添了判斷位[9]。

第一個(gè)字節(jié)是包頭，用于判斷信號是否為上位機(jī)發(fā)送指令信號，控制器依此來決定是否接受數(shù)據(jù)。

第二至第四字節(jié)用于表示車輛變量程度，由于比例伺服閥的閥芯動(dòng)作響應(yīng)比較快并且為了充分發(fā)揮液壓伺服系統(tǒng)控制精度高的特性，現(xiàn)把變量指令信號設(shè)計(jì)成三字節(jié)，提高了信號的分辨率，有利于角度的微量控制。

第五字節(jié)是包尾其功能與包頭配合對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。在無線通信過程中如果數(shù)據(jù)的包頭和包尾兩者中只要有一個(gè)與控制器中的協(xié)議不匹配，控制器就會(huì)把數(shù)據(jù)定為干擾信號，不會(huì)把數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算。

輸水建筑物震損檢查信息包括進(jìn)口段、啟閉設(shè)備、閘門、管道、出口段、電器以及啟閉機(jī)房等。壩體內(nèi)穿壩輸水建筑物與壩體接觸安全性是震后檢查的重要內(nèi)容，檢查其斷裂、滲漏、接觸沖刷及滲水渾濁程度等情況。安全泄洪洞震損檢查包括進(jìn)口段、閘門、洞室以及出口段等部位。

第六字節(jié)則為校驗(yàn)字節(jié)。

無線指令信號數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

車身狀態(tài)反饋信號結(jié)構(gòu)同樣有六字節(jié)組成，其第一、第五、第六字節(jié)分別是包頭、包尾和校驗(yàn)數(shù)據(jù)，第二字節(jié)是航向角數(shù)據(jù)，第三節(jié)為橫滾角數(shù)據(jù)，第四字節(jié)為俯仰角數(shù)據(jù)，這三個(gè)車身狀態(tài)數(shù)據(jù)十分重要，車輛轉(zhuǎn)向和車速控制都會(huì)使用，車身狀態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 車身狀態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

1.4 變量執(zhí)行機(jī)構(gòu)

針對變量系統(tǒng)負(fù)載波動(dòng)大、負(fù)載峰值高、要求響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，采用電控液壓伺服系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械式伺服系統(tǒng)作為變量系統(tǒng)執(zhí)行部分，其主要由高頻響比例伺服閥、變量活塞、壓力油源、位移傳感器組成。

保證無線通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和提高伺服液壓變量機(jī)構(gòu)的快速響應(yīng)能力是無線遙控變量系統(tǒng)的技術(shù)重點(diǎn)。通過在無線數(shù)據(jù)包的首尾加包頭、包尾和校驗(yàn)位，在數(shù)據(jù)接受后進(jìn)行判斷過濾數(shù)據(jù)[10]，該方法可以有效的解決數(shù)據(jù)誤碼、亂碼問題。為提高電控液壓伺服系統(tǒng)響應(yīng)速度，充分利用其快速響應(yīng)的特點(diǎn)，故有必要針對影響履帶車輛電控液壓伺服系統(tǒng)響應(yīng)速度的因素進(jìn)行分析。

2 仿真系統(tǒng)模型的建立

閥控缸伺服系統(tǒng)的速度增益和液壓缸-負(fù)載的固有頻率受活塞面積A、活塞質(zhì)量m、比例伺服閥的流量增益Kq3個(gè)可變因素影響[11]，故從以上3個(gè)因素出發(fā)分別分析其對系統(tǒng)的影響。引入校正裝置提高液壓伺服系統(tǒng)的響應(yīng)性能[12]，建立的仿真模型如圖4所示，設(shè)定的參數(shù)見表1。

參數(shù)數(shù)值閥芯凸臺(tái)直徑/mm10閥芯桿直徑/mm8遮蓋量/mm0閥芯最大位移/mm+1閥芯最小位移/mm-1油液密度/kg·m-3880動(dòng)力學(xué)黏度/Pa·s0.025彈性模量/MPa700輸入階躍信號±20

2.1 比例伺服閥模型

閥體油孔直徑對閥的流量增益影響很大。改變其他結(jié)構(gòu)參數(shù)必然使閥的生產(chǎn)過程變復(fù)雜，考慮實(shí)際條件，只對油孔直徑大小進(jìn)行研究。由于軟件中提供的現(xiàn)有模型考慮到的因素不夠全面。故使用超級元件庫搭建了比例伺服閥的模型。

2.2 變量活塞模型

該變量活塞與往常的液壓缸不同，活塞兩端沒有活塞桿，相當(dāng)于單獨(dú)一個(gè)活塞在殼體內(nèi)運(yùn)動(dòng)，而且為了輕量化活塞兩端掏空一部分。

2.3 負(fù)載模型

仿真系統(tǒng)中負(fù)載即是轉(zhuǎn)動(dòng)斜盤的控制力矩。斜盤在工作過程中受力情況是非常復(fù)雜的。忽略次要力，計(jì)算支撐斜盤軸瓦處摩擦力矩、柱塞液壓力對斜盤擺動(dòng)軸的力矩、斜盤及組件慣性力等主要力矩即可得到在給定工況下的負(fù)載。綜合以上幾種主要力矩，按照壓力25 MPa、工作排量180 mL能夠計(jì)算出改變斜盤傾角的控制力?？刂屏e是隨著斜盤傾角變化而變化的。

斜盤擺角減?。?/p>

式中，γ為斜盤轉(zhuǎn)角。

3 仿真結(jié)果及分析

仿真的重點(diǎn)是研究伺服液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，故采用階躍信號作為指令信號檢測系統(tǒng)快速響應(yīng)能力。

3.1 活塞直徑分析

根據(jù)最大負(fù)載和供油壓力計(jì)算出活塞直徑為40 mm，為了提高固有頻率增大活塞直徑，對40， 60， 80 mm 3種活塞直徑進(jìn)行分析。結(jié)果如圖5所示。圖6為圖5中a處的放大圖。從圖5中可以看出活塞直徑為80 mm，位移輸出存在滯后，滯后時(shí)間約為0.05 s。圖6中活塞直徑為40 mm，位移輸出響應(yīng)快，但位移輸出存在1 mm左右的超調(diào)。

3.2 活塞材質(zhì)分析

45號鋼和7071鋁合金是活塞加工常用材料，密度分別為7.85， 2.75 g/cm3。仿真結(jié)果如圖7所示，從圖中可以看出系統(tǒng)輸出的響應(yīng)速度和幅值受活塞質(zhì)量影響不明顯。

圖5 不同活塞直徑仿真結(jié)果

圖6 a處放大圖

圖7 不同材料仿真結(jié)果

3.3 比例伺服閥油孔直徑分析

仿真結(jié)果如圖8所示，通徑為4 mm時(shí)，系統(tǒng)輸出產(chǎn)生約0.25 s的滯后，通徑為6 mm時(shí)系統(tǒng)輸出要滯后于通徑為8 mm時(shí)的系統(tǒng)輸出，但滯后時(shí)間很短。

圖8 不同通油直徑仿真結(jié)果

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)照片如圖9所示。系統(tǒng)采用液壓缸回油加背壓的方式對變量機(jī)構(gòu)進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)。上位機(jī)中用LabVIEW軟件編程創(chuàng)建信號采集界面和變量信號發(fā)生面板。利用2個(gè)型號為LC125的收發(fā)一體無線模塊進(jìn)行無線通訊，其自帶冗余校驗(yàn)，傳輸速度19200 Bit/s、接收靈敏度-95 dBm。自主設(shè)計(jì)的ECU擁有32位運(yùn)算能力的高速處理器，可以輸出3路+-10 V模擬電壓信號，同時(shí)具有4路+-10 V模擬電壓信號采集通道。傳感器采用高精度LVDT式位移傳感器,信號采集使用研華USB4716高速信號采集卡，其具有16路模擬輸入，16位分辨率?？紤]到車輛連續(xù)變量的安全頻率，取頻率0.5 Hz、幅值20的正弦信號作為指令信號，測試系統(tǒng)頻率響應(yīng)，取幅值20階躍信號測試系統(tǒng)快速響應(yīng)能力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖9 測試系統(tǒng)照片

圖10 階躍信號實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

(1) 從系統(tǒng)穩(wěn)定性、 快速響應(yīng)特性和車內(nèi)的安裝空間考慮，活塞直徑40 mm時(shí)系統(tǒng)存在超調(diào)，活塞直徑80 mm時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)速度降低且增大了液壓伺服系統(tǒng)的外圍尺寸，所以活塞直徑定為60 mm；

圖11 正弦信號實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(2) 因?yàn)榛钊陨眢w積小、質(zhì)量輕，系統(tǒng)的壓力足夠，活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性力對系統(tǒng)響應(yīng)速度影響不大，故活塞材料選擇45號鋼；

(3) 閥體的通油直徑為4 mm時(shí)系統(tǒng)位移輸出出現(xiàn)明顯滯后，因?yàn)殚y的流量增益變小，導(dǎo)致系統(tǒng)速度增益變小，系統(tǒng)出現(xiàn)滯后?？紤]系統(tǒng)工作時(shí)的流量和系統(tǒng)的流量儲(chǔ)備，通油直徑定為8 mm；

(4) 圖10的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明無線遙控變量系統(tǒng)響應(yīng)速度快、響應(yīng)平穩(wěn)，沒有超調(diào)和衰減，從圖11的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出活塞位移曲線的幅值沒有衰減，相位存在約0.1 s的微小滯后，但滯后時(shí)間在合理范圍內(nèi)?；钊灰魄€在行程終點(diǎn)處有毛刺是傳感器質(zhì)量的原因，與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關(guān)系不大。