軍用車輛全輪轉向電控液壓系統研究

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）

軍用車輛全輪轉向電控液壓系統研究

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）

本文首先對軍用越野車輛全輪轉向系統的功能要求進行了分析，在此基礎上對全輪轉向液壓系統的組成和工作原理進行了研究，最后對全輪轉向電控系統及電控系統軟件進行了詳細的設計。為驗證全輪轉向電控液壓系統的性能，進行了裝車試驗，試驗結果表明該電控液壓系統能夠滿足前期方案提出的全輪轉向技術指標，具有良好的控制效果。

軍用重型車輛；全輪轉向系統；電控液壓

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

前言

隨著國產武器裝備性能的不斷提高，大型武器裝備系統的集成度也日益增加，為滿足大型武器裝備對地面運載工具高機動性的要求，對10X10等多軸軍用重型車輛底盤的機動性、通過性等要求也越來越高。多軸重型車輛由于車身較長，導致轉向半徑相對較大，降低了車輛機動性。對于軍用車輛，機動性的喪失，意味著作戰效能的喪失，而采用全輪轉向技術是改善重型軍用車輛機動性的重要手段。本文以陜汽五軸超重型軍用越野車輛為目標車型，設計了基于電控液壓原理的全輪轉向電控系統，該系統具有前組轉向、全輪轉向、蟹形轉向三種轉向模式。當車輛在有限空間轉彎或倒車時，采用全輪轉向模式，可顯著減少車輛轉彎半徑；當車輛在狹小場地調整位置時，可采用蟹形轉向模式進行平行移動、迅速就位；當車輛在高速行駛時，車輛可自動轉換為前組轉向轉向模式保持行駛穩定性。

1、五軸超重型軍用越野車輛全輪轉向系統功能要求

1.1 轉向控制功能

轉向控制系統應能實現車輛轉向系統在前組轉向、全輪轉向、蟹形轉向三種轉向模式之間的切換，電控液壓系統應性能穩定、響應迅速、跟隨準確。前組轉向即Ⅰ、Ⅱ橋轉向，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ橋不轉向。全輪轉向、蟹形轉向即根據車輛幾何關系及前橋轉向角度計算出Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ橋的目標轉向角度，通過電控系統控制Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ橋達到目標轉向角度。

1.2 信息共享及顯示能力

電控系統可將轉向模式、各橋目標角度、實際角度、轉向壓力及系統故障信息發送至車身總線上，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。

當系統出現故障或轉向對中時，應能點亮相應指示燈。

1.3 故障診斷及處理能力

電控系統應能識別傳感器故障、電控單元驅動開短路故障，且當出現故障時，電控系統能進行故障處理。

1.4 強制對中能力

當電控系統癱瘓時，應設計強制對中裝置及相關電路使Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ橋轉向強制對中。

1.5 零位標定功能

由于需要知道各橋轉向角度值，所以需安裝角度傳感器，但當安裝角度傳感器或更換角度傳感器時，系統的轉向零位與角度傳感器的零位可能不同，因此電控系統需設計零位標定程序快速標定系統的轉向零位。

2、全輪轉向液壓系統組成及工作原理

圖1為全輪轉向液壓系統原理圖。其中Ⅰ、Ⅱ橋轉向機構采用傳統機械-液壓助力方式，由方向盤直接控制，作為前組轉向。Ⅲ橋轉向機構作為一個獨立單元，控制方式為電控液壓，Ⅳ、Ⅴ橋轉向機構之間通過連桿機構連接來協調兩橋之間的運動關系，作為一個整體單元進行控制，控制方式為電控液壓，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ橋的轉向機構統稱為后組轉向。

為了防止電控系統失效及系統可靠性，在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ橋轉向機構中增加對中機構，在電控系統失效時，可使轉向鎖定在前組轉向模式下，不影響行車。圖中對中缸、助力缸的力作用在轉向機構上，電磁換向閥1、2、3狀態為斷電狀態。當需要前組轉向時，電控單元控制比例電磁閥作用助力缸使后組轉向回中，然后電磁換向閥1斷電，電磁換向閥2、3通電，此時Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ橋對中缸作用使Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ橋鎖定在對中狀態，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ橋助力缸隨動不起作用，Ⅰ、Ⅱ橋在Ⅰ、Ⅱ橋助力缸的作用下控制前組轉向；當需要后組轉向時，電磁換向閥1通電，電磁換向閥2、3斷電，此時Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ橋助力缸起作用控制后組轉向，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ橋對中缸隨動不起作用，電控單元控制比例電磁閥實現后組轉向轉角和方向的變化。

3、全輪轉向電控系統設計與開發

電控液壓全輪轉向系統通過安裝在整車上的角度傳感器采集Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ橋輪胎轉角信息，全輪轉向控制器根據各橋轉角信息、轉向模式切換開關狀態、車輛狀態及預先設定的控制規律控制電磁換向閥通斷及比例電磁閥的流量和方向，實現Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ橋輪胎轉角大小和方向的變化，進而實現轉向系統在前組轉向模式、全輪轉向模式、蟹形轉向模式之間的切換。考慮到系統的安全性：當車速高于30km/h時，無論轉向模式切換開關處于何種狀態，控制系統自動切換到前組轉向模式。當車速低于30km/h時，控制器根據轉向模式切換開關的狀態實現轉向模式的切換；當電控系統出現故障時，為保證行車安全，后組轉向必須處于對中狀態，此時電磁換向閥1斷電，電磁換向閥2、3通電，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ橋對中缸將后組轉向對中。

根據系統需求，全輪轉向電控系統由全輪轉向控制器、轉向模式切換開關、零位標定開關、強制對中開關、信號燈、轉角傳感器、壓力傳感器、電磁換向閥、比例電磁閥、轉換式繼電器及相關接口線束組成。整個系統的控制信號流圖見圖2。

全輪轉向控制器實現信號采集、控制功能及相關負載驅動；轉向模式切換開關實現前組轉向模式、全輪轉向模式、蟹形轉向模式之間的切換；零位標定開關用于激活全輪轉向控制器中的零位標定程序來標定系統轉向零位；強制對中開關及轉換式繼電器用來實現強制對中控制邏輯；信號燈包括故障指示燈及對中指示燈，用于指示電控系統的故障及后組轉向的狀態；轉角傳感器用于采集Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ橋輪胎轉角信號；壓力傳感器用于采集Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ橋轉向系統壓力，可用于判斷液壓系統是否處于正常工作狀態。

本方案中采用的全輪轉向控制器為陜汽定制開發的軍用級高性能控制器，使用CoDeSys集成開發環境進行編程，該控制器采用32位微控制器芯片，其輸入端口通過配置可復用，輸出驅動電路采用具有診斷功能的智能驅動器件，可對控制器輸出進行故障診斷，其中高端恒流驅動端口采用了專用的比例閥驅動芯片，它是一款數字控制芯片，具有很好的抗干擾能力，其內部采用低端常電流控制預驅動積分電路，可編程控制顫振信號。顫振信號在比例電磁閥的控制中是有用且必需的信號，它有利于克服摩擦阻力，其作用還能有效消除回程誤差。

4、全輪轉向電控系統軟件設計與開發

整個電控系統的核心為全輪轉向控制器控制軟件的開發，本方案中軟件開發是在CoDeSys開發環境下完成的。為便于程序管理、優化修正、功能性升級，在軟件結構設計決策采用模塊化設計，并使得各模塊之間盡可能相互獨立，降低模塊間耦合度，提高了主程序的靈活性。

控制時序上為滿足系統控制精度的要求，需要嚴格控制程序運行的時間，考慮到車速以及液壓系統的滯后特性，程序運行時間控制在10ms以內，由于通信時間相對較長，且周期固定，因此在軟件設計上采用如下策略：全輪轉向控制器硬件內置的實時運行系統支持CoDeSys的任務調度機制，由于在功能上要求定時發送和接收信息以及處理其它工作，因此在軟件運行方式采用搶占式雙任務調度，其工作方式是：主任務負責實現信號采集、處理、輸出、故障診斷處理等要求，采用自由循環模式，輔助任務負責CAN通信，采用定時觸發模式，定時時間為100ms，所有輔助工作狀態以此時間為基礎，按指定時序觸發。主輔任務關系如圖3所示。在總線通訊上將CAN發送器設置為先入先出隊列，隊列深度為5，所有CAN信息均發送至此隊列，這樣做可以避免通信阻塞導致程序運行周期增加。

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

主程序模塊是實現控制系統功能的核心，調用輸入模塊、檢測模塊并根據模式選擇及算法控制模塊控制轉向，主程序運行在自由循環方式下，是完成對其它子程序或模塊調用的主要途徑。主程序的工作流程如圖4。

輸入模塊負責信號采集相關的工作，并根據需要對采集信號進行處理，確保提供給其它模塊的信號準確性。本軟件涉及到控制系統的輸入主要包括：模擬量輸入、開關量輸入。模擬量輸入信號為電壓型的，電壓型信號易受到外界干擾，由于產生電壓型信號的角度傳感器屬于系統關鍵器件，對控制系統的精度有重大影響，因此在設計時，需要對其做降噪處理。控制器為傳感器提供了穩壓電源，并以比例輸入方式讀取模擬量值，以此來降低供電電源電壓波動對信號精度的干擾。在此基礎上，對采集到的信號做進一步濾波處理，本軟件采取5值窗口濾波以減少代碼復雜程度，由此將使得系統的動態響應約有40ms的延時，考慮到液壓系統的滯后性（例如電磁比例閥先導閥開啟和關閉的時間約為30ms），該方案在試驗初期具有一定的實用性，并可作為后期其他濾波方案的對比參照。開關量輸入信號主要包括點火開關和使能開關，輸入量采用控火方式。對于開關量輸入信號，本軟件采用時間延遲處理的方式，即若開關量狀態保持1s及以上時，則認為該狀態有效。

輸出模塊負責整個控制系統的功率和信號輸出，是系統運行效果的體現，輸出主要包括電磁閥啟閉、信號燈開關以及比例電磁閥控制，考慮到控制器的硬件特性，以及系統的快速響應要求，本軟件并沒有對各個輸出進行函數或功能塊式的封裝，而是直接對這些全局變量賦值來完成輸出。

檢測模塊負責對主程序運行前所有系統變量進行故障識別，若發現故障則及時關閉恒流驅動端口輸出，并通過CAN總線將故障代碼發送至整車網絡。

算法模塊包含了后組電控液壓全輪轉向的控制算法，算法的好壞將極大的影響全輪轉向系統的穩定性和平順性。控制算法的選擇和設計是整個控制系統關鍵核心之一，算法模塊是否滿足控制要求應根據實際試驗測試后評價，因此該模塊應具備改進的特性。算法模塊為改進型PID功能塊，本文采用增量式PID算法，其表達式如下：

對于本系統，e(k)為k時刻采樣的轉角誤差，u(k)為 k時刻PID算法的控制量，增量式PID控制的控制增量僅與最近一次的采樣有關，誤動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于頻繁，消除由于頻繁動作引起的振蕩，采用帶死區的PID控制算法，其算式如下：

對于本系統，e(k)為轉角誤差，e0是一個可調參數，具體數值由試驗確定，若e0指太小，會使控制動作過于頻繁，達不到穩定控制系統的目的，若e0太大，則系統將產生較大的滯后；對于本系統，由于電磁比例閥自身特性，其具有開啟電流Imin及最大開口電流Imax兩個工作電流限值，對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。

通訊模塊負責與整車控制器交互信息，接收并處理車速信號，整理并發送控制系統轉向信息及系統故障信息。由于通訊模塊被設置成100ms周期定時工作，因此通訊模塊可為其它時序功能提供時間基準。

5、全輪轉向電控系統裝車試驗

為驗證電控系統的正確性，進行了裝車試驗。通過CoDeSys開發環境中的可視化模塊監測系統轉向角度信息。圖5為從蟹形轉向模式切換至全輪轉向模式下，控制系統的控制效果圖；圖6為蟹形轉向模式下，控制系統的控制效果圖。圖7為蟹形轉向模式切換至前組轉向模式后，控制系統的控制效果圖。圖中橫坐標為系統時間，精度為秒；縱坐標為角度值，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，控制系統具有較好的響應及較好的控制效果。為進一步驗證控制系統的性能，還需進行相關試驗。

6、結論

本文在研究軍用重型車輛電控液壓全輪轉向系統的組成及工作原理的基礎上，對電控系統的組成及軟件系統開發進行了設計，并完成電控系統開發。采用陜汽定制開發的軍用級高性能控制器作為全輪轉向系統的控制器硬件，用CoDeSys開發環境進行電控系統軟件開發。為驗證電控系統的正確性，最終進行了裝車試驗，試驗結果表明該電控系統能完成控制要求。為了進一步驗證電控液壓全輪轉向系統的可靠性，還需進行相關可靠性試驗。

[1]劉金琨. 先進PID控制及其MATLAB仿真. 電子工業出版社, 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，從事整車電器系統設計工作。