自行式模塊車多車并車電控技術(shù)

余佳1 王力波1 王裕民2

1. 湖北三江航天萬(wàn)山特種車輛有限公司 湖北孝感 432000

2. 武昌船舶重工集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430000

自行式模塊車多車并車電控技術(shù)

余佳1 王力波1 王裕民2

1. 湖北三江航天萬(wàn)山特種車輛有限公司 湖北孝感 432000

2. 武昌船舶重工集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430000

介紹了一種基于CAN總線的自行式模塊車多車并車電控技術(shù)，對(duì)硬件搭建及各個(gè)功能模塊的控制策略進(jìn)行了介紹。該電控系統(tǒng)集成了多條總線，多個(gè)控制器及傳感器，可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)車輛并車。

CAN總線 并車 電控技術(shù)

1 前言

自行式模塊運(yùn)輸車是一種功能復(fù)雜的機(jī)電液一體化地面車輛，適用于大型貨物長(zhǎng)距離運(yùn)輸及工程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)[1]。某系列自行式模塊運(yùn)輸車是一款自主研發(fā)，配備無線遙控器、可編程液晶顯示器、液壓懸掛，液壓驅(qū)動(dòng)，獨(dú)立轉(zhuǎn)向功能的自行式模塊車。該車不受場(chǎng)地限制，移動(dòng)精度高，具有橫向、斜行、前轉(zhuǎn)、后轉(zhuǎn)、原地轉(zhuǎn)圈等多種轉(zhuǎn)向模式。一臺(tái)自行式模塊運(yùn)輸車由1個(gè)動(dòng)力模塊和N（N≥1）個(gè)模塊單元車組成。模塊單元車可以橫向和縱向拼接，每個(gè)模塊單元車可以配置不同懸掛數(shù)量，每排懸掛稱為一個(gè)軸線。模塊運(yùn)輸車的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

多車并車技術(shù)是自行式模塊車的核心技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)可以解決特大型貨物的運(yùn)輸問題，使運(yùn)輸靈活便捷。目前國(guó)外的多車并車技術(shù)發(fā)展較為成熟，最大噸位運(yùn)輸實(shí)例為德國(guó)某公司540軸線聯(lián)合并車運(yùn)輸15 000 t級(jí)海洋平臺(tái)。而國(guó)內(nèi)的多車并車技術(shù)處于起步階段，并車數(shù)量少，并車形式固定，主要原因是沒有解決通訊、多輪轉(zhuǎn)向控制、同步控制等技術(shù)難題，嚴(yán)重影響了國(guó)內(nèi)同類型重型運(yùn)輸裝備的發(fā)展。因此本文介紹的多車并車技術(shù)的研發(fā)及成功應(yīng)用具有重要意義。

2 并車方案

自行式模塊運(yùn)輸車可以實(shí)現(xiàn)任意位置多車并車功能，即多臺(tái)車輛協(xié)同運(yùn)作。并車時(shí)，首先選定一臺(tái)車為主車，其他車輛則為從車，用主車遙控器可以控制所有車輛協(xié)同運(yùn)行。

3 控制系統(tǒng)組成

控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network）最初是由德國(guó)某公司為汽車的監(jiān)測(cè)與控制設(shè)計(jì)的，具有通訊速率快，安全可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)[2]。該系列自行式模塊車裝配德國(guó)控制器、10″可編程顯示器，無線遙控器等先進(jìn)設(shè)備，應(yīng)用控制器對(duì)驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向、頂升等各車輛功能進(jìn)行控制。并車時(shí)，只需通過CAN總線把每臺(tái)車連接起來，就可以實(shí)現(xiàn)車輛間的通訊。由于系統(tǒng)復(fù)雜，在CAN總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用了多個(gè)控制器并搭建了多條獨(dú)立總線，具體如圖2所示。

“CAN1”為動(dòng)力模塊和模塊單元車的內(nèi)部總線，它將每個(gè)單元內(nèi)的控制器及CAN設(shè)備連接在一起，實(shí)現(xiàn)通訊；“CAN2”為自行式模塊運(yùn)輸車的內(nèi)部總線，它將動(dòng)力模塊和模塊單元車連接在一起，實(shí)現(xiàn)通訊；“CAN3”為并車總線，它將多臺(tái)車輛連接在一起，在并車時(shí)發(fā)揮作用。相對(duì)獨(dú)立的總線搭建符合模塊化設(shè)計(jì)思想，便于模塊間的任意組合。

4 控制原理

4.1 驅(qū)動(dòng)功能

模塊車采用變量泵、變量馬達(dá)的閉式液壓系統(tǒng)。控制器采集遙控器發(fā)送的油門控制信號(hào)，按照線性對(duì)應(yīng)關(guān)系控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，然后控制器調(diào)用驅(qū)動(dòng)功率匹配模塊計(jì)算變量泵和變量馬達(dá)的控制變量并輸出。

并車驅(qū)動(dòng)電控系統(tǒng)如圖3所示，主控車輛采集控制信號(hào)發(fā)送給從車，因?yàn)椴④囓囕v配備相同的動(dòng)力系統(tǒng)，所以相同的控制信號(hào)即可得到較好的驅(qū)動(dòng)同步性。但是這樣簡(jiǎn)單的控制策略遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際運(yùn)輸使用需求。

并車時(shí)，每臺(tái)模塊運(yùn)輸車可能配置了不同個(gè)數(shù)的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。如兩臺(tái)車并車，一臺(tái)車配置一個(gè)動(dòng)力模塊和一個(gè)四軸線模塊單元車，四軸線模塊單元車配置2個(gè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)；另一臺(tái)車配置一個(gè)動(dòng)力模塊和一個(gè)六軸線模塊單元車，六軸線模塊單元車配置4個(gè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。這樣兩臺(tái)車在相同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)和相同控制策略下，由于馬達(dá)排量差異，二驅(qū)車輛車速一定大于四驅(qū)車輛車速。所以多車并車時(shí)，車輛間需交換驅(qū)動(dòng)馬達(dá)數(shù)量信息，以配置最多驅(qū)動(dòng)馬達(dá)車輛為基準(zhǔn)，按驅(qū)動(dòng)數(shù)量比例降低其他車輛變量泵排量。

多車并車轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于轉(zhuǎn)彎半徑不同，每臺(tái)車的轉(zhuǎn)速也不一樣，要達(dá)到驅(qū)動(dòng)一致，需要以具有最大轉(zhuǎn)彎半徑的車輛為基準(zhǔn)，按照轉(zhuǎn)彎半徑比例降低其他車輛變量泵排量。

4.2 轉(zhuǎn)向功能

自行式模塊運(yùn)輸車采用全輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)多種模式的轉(zhuǎn)向功能。單車工作時(shí)，控制器采集轉(zhuǎn)向手柄的轉(zhuǎn)向角度信號(hào)，根據(jù)車輛輪組距離信息，計(jì)算出不同模式下每個(gè)輪組的目標(biāo)轉(zhuǎn)角，然后采集每個(gè)輪組的角度傳感器信號(hào)，比較后得出正向或反向的控制信號(hào)發(fā)送至比例閥，角度誤差控制在0.6°以內(nèi)。

多車并車時(shí)，每臺(tái)車輛的位置可以在有效通訊范圍內(nèi)隨意擺放，但必須建立并車系所有輪組的數(shù)學(xué)模型，才能計(jì)算每種模式各種控制轉(zhuǎn)角下全部輪組的目標(biāo)轉(zhuǎn)角。首先，將并車系內(nèi)每臺(tái)車編號(hào)，然后建立坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)的選擇以方便測(cè)量為原則，在主車人機(jī)界面上根據(jù)編號(hào)輸入每臺(tái)車的坐標(biāo)，坐標(biāo)信息包括 X坐標(biāo)、 Y坐標(biāo)和傾角；然后主車將相對(duì)坐標(biāo)系信息轉(zhuǎn)換為絕對(duì)坐標(biāo)系信息，發(fā)送給從車；以絕對(duì)坐標(biāo)系中絕對(duì)值最大的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)，在四個(gè)象限內(nèi)分別定義一個(gè)點(diǎn)為虛擬輪組，將手柄的控制轉(zhuǎn)角根據(jù)方向等同于虛擬轉(zhuǎn)角的目標(biāo)轉(zhuǎn)角。這樣，即可保證所有實(shí)際輪組的目標(biāo)轉(zhuǎn)角均小于控制轉(zhuǎn)角，從而避免輪組轉(zhuǎn)角超限。最后車輛控制器可根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算輪組的目標(biāo)轉(zhuǎn)角。

以普通轉(zhuǎn)向模式為例，建立轉(zhuǎn)向角度數(shù)學(xué)模型，如圖4所示。設(shè)控制轉(zhuǎn)角為α，對(duì)應(yīng)的虛擬輪組坐標(biāo)為(X0,Y0)，1號(hào)車的左前輪目標(biāo)轉(zhuǎn)角為β1，坐標(biāo)為(X1, Y1)，同理2號(hào)、3號(hào)車的左前輪目標(biāo)轉(zhuǎn)角依次為β2、β3， 坐標(biāo)為(X2,Y2) 、(X3,Y3)，3號(hào)車傾角為θ。

在并車轉(zhuǎn)向過程控制中，控制器以轉(zhuǎn)向系中具有最小轉(zhuǎn)向誤差的輪組為目標(biāo)，采用分段PID控制算法調(diào)節(jié)比例閥控制電流大小[3]，確保整車的轉(zhuǎn)向同步性。

4.3 頂升功能

自行式模塊車采用負(fù)載敏感恒功率開式液壓系統(tǒng)。多車并車時(shí)，將所有車輛的懸掛總成分為3組或4組，如圖5所示。同一組懸掛內(nèi)的液壓缸油路相通，壓力相等。由于每臺(tái)車的4個(gè)角都有壓力傳感器、高度傳感器和頂升控制電磁閥，多車分組后，每組可能有多個(gè)傳感器和電磁閥。選取每組內(nèi)的一個(gè)傳感器和一個(gè)電磁閥有效，即可采用與單車相同的頂升控制策略控制并車頂升。與坐標(biāo)采集一樣，在主車的人機(jī)界面配置每臺(tái)車的高度、壓力傳感器和電磁閥是否有效。

5 應(yīng)用實(shí)例

2014年，該系列模塊車10臺(tái)車共154軸線在武漢并車，完成5 200 t整船運(yùn)輸工作，刷新了國(guó)內(nèi)模塊車并車紀(jì)錄和國(guó)內(nèi)模塊車最大噸位運(yùn)輸紀(jì)錄。自行式模塊車的多車并車技術(shù)對(duì)特大型貨物的運(yùn)輸具有重要意義，應(yīng)用實(shí)例如圖6所示。

6 結(jié)語(yǔ)

a. 采用模塊化設(shè)計(jì)思想搭建多條系統(tǒng)總線，便于模塊車組合、并車，能夠提高電控系統(tǒng)安全性。

b. 考慮多種工況下的驅(qū)動(dòng)功率匹配，改進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制算法保證并車驅(qū)動(dòng)同步性。

c. 應(yīng)用坐標(biāo)系建模方法，實(shí)現(xiàn)任意位置并車轉(zhuǎn)向角度計(jì)算功能，打破了傳統(tǒng)重型工程裝備并車數(shù)量少、位置固定等局限。

[1] 何適,徐代友.自行式模塊車電控系統(tǒng)故障診斷技術(shù)研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用, 2011(8)∶77-78.

[2] 羅峰,孫澤昌.汽車CAN總線系統(tǒng)原理、設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京∶電子工業(yè)出版社,2010.

[3] 汪星剛,盛步云,鄭紹春.重型平板運(yùn)輸車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)協(xié)同控制技術(shù)的研究[J].機(jī)床與液壓,2006(1)∶120-121.

Electronic Control Technology of Paralleling Vehicles for Self-propelled Modular Transporter

YU Jia et al

The electronic control technology of paralleling vehicles for self-propelled modular transporter base on CAN bus was introduced, build of hardware and controllingstrategy of function modules were discussed. The electronic control system is a complex system, contains some CAN buses，some controllers and sensors. For Paralleling vehicles coordinating move, communication must be guaranteed and different arithmetic must be applied.

CAN bus; paralleling vehicles; electronic control technology

余佳，女，1986年生，工程師，現(xiàn)從事重型工程裝備電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

U469.6.02

A

1004-0226(2015)06-0105-03

2015-04-01