多軸軍用越野汽車電控液壓多輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

陳利東

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

傳統(tǒng)軍用越野汽車大都采用雙前橋液壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)向，模式單一，車輛的后幾橋輪胎不參與轉(zhuǎn)向，這就造成了整車的轉(zhuǎn)彎半徑過大，通過性和環(huán)境適應(yīng)性變差，極大地限制了車輛的使用范圍，特別是在多軸車上 （以5軸車為例）。同時(shí)，現(xiàn)有的多輪/全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)或采用全液壓系統(tǒng)，液壓管路復(fù)雜；或因?yàn)閭鞲衅鳌㈦姶砰y等電子元器件硬件問題，導(dǎo)致電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制精度差，系統(tǒng)響應(yīng)速度滯后，轉(zhuǎn)向效果不佳；同時(shí)，系統(tǒng)本身缺乏有效的故障診斷機(jī)制和人機(jī)交互功能，給駕駛員的操控和人機(jī)交互帶來困難。

為解決上述問題，本文在5軸車的基礎(chǔ)上，提出一種基于PLC控制的電控液壓多輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備前組和多組兩種工作模式，同時(shí)兼具故障診斷與處理、人機(jī)交互、零位標(biāo)定等功能。該系統(tǒng)可以提高車輛的通過性、最大程度提升系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度、改善人機(jī)交互體驗(yàn)，滿足多軸軍用越野車輛在不同場(chǎng)地內(nèi)的使用需求。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

以5軸軍用越野汽車為例，本系統(tǒng)采用獨(dú)立的電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，主要包括：基于PLC的轉(zhuǎn)向控制器、4/5橋比例流量控制閥、4/5橋助力缸電磁換向閥、4/5橋?qū)χ懈纂姶艙Q向閥、集成于液壓缸體內(nèi)的位移傳感器 （1/4/5橋均有）、轉(zhuǎn)向模式開關(guān)、強(qiáng)制對(duì)中開關(guān)、故障報(bào)警指示燈、轉(zhuǎn)向?qū)χ兄甘緹簦约凹闪宿D(zhuǎn)向信息和故障診斷信息的組合儀表，見圖1。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

其中，轉(zhuǎn)向控制器屬于汽車級(jí)成熟產(chǎn)品，主要負(fù)責(zé)I/O的控制以及CAN通信；比例流量閥通過PWM信號(hào)來控制閥開口大小，實(shí)現(xiàn)液壓缸流量調(diào)節(jié)；助力缸/對(duì)中缸電磁換向閥用來控制液壓缸建立壓力或者卸載；位移傳感器用來采集液壓缸位移；轉(zhuǎn)向模式開關(guān)用來控制系統(tǒng)工作模式 （默認(rèn)為前組模式）；強(qiáng)制對(duì)中開關(guān)在系統(tǒng)故障時(shí)使用，不受控制器控制；故障報(bào)警指示燈用來指示系統(tǒng)故障 （當(dāng)傳感器或比例流量控制閥故障時(shí)點(diǎn)亮）；轉(zhuǎn)向?qū)χ兄甘緹粲脕碇甘緦?duì)中狀態(tài)（4/5橋?qū)χ袝r(shí)點(diǎn)亮）；組合儀表可以實(shí)時(shí)顯示各橋轉(zhuǎn)角信息、工作模式以及系統(tǒng)故障報(bào)文 （基于J1939的DM1格式）。

1.2 工作原理

該系統(tǒng)具備前組和多組兩種工作模式：前組模式下，由轉(zhuǎn)向盤將動(dòng)力傳遞至轉(zhuǎn)向器，并借助1/2橋液壓助力缸推動(dòng)轉(zhuǎn)向拉桿實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，后三橋始終保持對(duì)中，見圖2。

圖2 前組模式

在多組模式下，根據(jù)阿克曼幾何原理，4/5橋可根據(jù)1/2橋的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)角大小實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟隨轉(zhuǎn)向。該過程采用了增量式PID控制算法，通過采集內(nèi)置于缸體內(nèi)部的位移傳感器信號(hào)，通過數(shù)據(jù)擬合得到4/5橋與1/2橋液壓缸位移和方向關(guān)系，再通過增量式PID算法，控制比例流量閥和電磁換向閥，進(jìn)而由液壓系統(tǒng)控制4/5橋助力缸和對(duì)中缸，最終實(shí)現(xiàn)4/5橋跟隨1/2橋?qū)崟r(shí)轉(zhuǎn)向。多組模式下，3橋保持對(duì)中，不參與轉(zhuǎn)向，這是根據(jù)整車轉(zhuǎn)向方案決定的，見圖3。

圖3 多組模式

2 控制策略

在系統(tǒng)具備前組和多組模式的基礎(chǔ)上，本設(shè)計(jì)又增加了無動(dòng)作模式和故障模式，據(jù)此構(gòu)成了本系統(tǒng)的控制策略，見圖4。具體控制策略如下。

圖4 控制策略框圖

首先根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)判斷車輛是否工作 （轉(zhuǎn)向液壓泵工作的前提是發(fā)動(dòng)機(jī)工作），如果不工作，則進(jìn)入無動(dòng)作模式，即強(qiáng)制對(duì)中，此時(shí)所有助力缸/對(duì)中缸電磁換向閥和比例閥均斷電，確保安全；否則再判斷系統(tǒng)是否存在故障，如果存在故障，則進(jìn)入故障模式，即強(qiáng)制對(duì)中，4/5橋始終保持對(duì)中，故障模式處于最高優(yōu)先級(jí)。如果無故障，再判斷轉(zhuǎn)向模式開關(guān)是否按下，若開關(guān)處于默認(rèn)狀態(tài)，則保持前組工作模式，即4/5橋保持對(duì)中；若開關(guān)打開，需要先判斷車速是否超過30km/h（考慮到行車安全），若超過該限制，則強(qiáng)制進(jìn)入前組模式，即4/5橋強(qiáng)制對(duì)中，否則進(jìn)入多組模式，此時(shí)在轉(zhuǎn)向盤作為輸入的情況下，轉(zhuǎn)向控制器控制助力缸/對(duì)中缸電磁換向閥均通電，根據(jù)4/5橋與1/2橋 （1橋的助力缸伸縮位移由轉(zhuǎn)向盤控制而來）液壓缸位移和方向關(guān)系，再通過增量式PID算法控制4/5橋比例閥開度大小，進(jìn)而控制4/5橋助力缸伸縮，實(shí)現(xiàn)4/5橋跟隨1/2橋?qū)崟r(shí)轉(zhuǎn)向。

3 強(qiáng)制對(duì)中功能

該系統(tǒng)具備強(qiáng)制對(duì)中功能，該功能包括軟件強(qiáng)制對(duì)中和非軟件強(qiáng)制對(duì)中。軟件強(qiáng)制對(duì)中在控制策略中介紹過了，這里著重講一下非軟件強(qiáng)制對(duì)中功能。系統(tǒng)包括一個(gè)獨(dú)立于控制器的強(qiáng)制對(duì)中開關(guān)，該開關(guān)不受控制器控制，在系統(tǒng)故障（如轉(zhuǎn)向模式開關(guān)故障或控制器本身故障等）時(shí)，按下該開關(guān)，4/5橋?qū)χ懈纂姶艙Q向閥和助力缸電磁換向閥均會(huì)斷電，此時(shí)對(duì)中缸建立壓力，助力缸卸載隨動(dòng)，4/5橋被強(qiáng)制對(duì)中。該功能在遇到緊急情況時(shí)使用，可以確保基本的行車需求和車輛安全。

4 故障處理機(jī)制

考慮到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全性和可靠性，本系統(tǒng)加入了故障處理機(jī)制，并且將故障模式定為最高優(yōu)先級(jí)，任何情況下，只要出現(xiàn)故障，系統(tǒng)都將進(jìn)入前組模式，即4/5橋強(qiáng)制對(duì)中。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的故障主要涉及各橋傳感器故障和比例閥故障。根據(jù)CAN總線通信協(xié)議J1939中DM1的規(guī)定，本系統(tǒng)將故障類型分為短路和開路兩種，故障信息以DM1故障碼的形式由CAN總線發(fā)送至車輛組合儀表，供駕駛員查看。表1為故障碼列表。

5 車速限制功能

考慮到行車安全和系統(tǒng)可靠性，車輛在多組模式下進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作時(shí)，車速不能高于30km/h。轉(zhuǎn)向控制器通過CAN總線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車速，當(dāng)車速超過30km/h時(shí)，系統(tǒng)會(huì)強(qiáng)制進(jìn)入前組模式，即4/5橋強(qiáng)制對(duì)中，且該過程不可逆，即車速恢復(fù)到30km/h以內(nèi)時(shí)，不能恢復(fù)到多組模式，必須將轉(zhuǎn)向模式開關(guān)復(fù)位后再次切換一次方可進(jìn)入到多組模式。

6 零位標(biāo)定功能

本系統(tǒng)具備零位標(biāo)定功能，在車輛出廠或者轉(zhuǎn)向系統(tǒng)因?yàn)闄C(jī)械故障等原因?qū)е聦?shí)際轉(zhuǎn)向零位與理論零位發(fā)生偏差時(shí)，需要對(duì)轉(zhuǎn)向零位進(jìn)行重新標(biāo)定，以確保轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安全可靠。零位標(biāo)定功能通過軟件實(shí)現(xiàn)，在重新起動(dòng)車輛的前提下，確保轉(zhuǎn)向模式開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，然后在10s內(nèi)快速撥動(dòng)轉(zhuǎn)向模式開關(guān)來回6次，即可完成零位標(biāo)定功能。

表1 DM1故障碼列表

7 人機(jī)交互系統(tǒng)

為了便于駕駛員觀察和實(shí)時(shí)掌握轉(zhuǎn)向系統(tǒng)信息，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了較為合理的人機(jī)交互界面，可以將轉(zhuǎn)向模式狀態(tài)、各橋輪胎轉(zhuǎn)角大小、故障信息以及總線節(jié)點(diǎn)狀態(tài)等通過CAN總線發(fā)送到車輛組合儀表，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

8 結(jié)論

1）該系統(tǒng)通過電控液壓技術(shù)，運(yùn)用增量式PID控制算法實(shí)現(xiàn)了多軸車輛在不同轉(zhuǎn)向模式下的實(shí)時(shí)、精確控制，提高了車輛的通過性，最小轉(zhuǎn)彎半徑低至23m，能適應(yīng)不同地形和工況要求。

2）該系統(tǒng)具備故障診斷功能，在電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)生故障或失效時(shí)，都能夠保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在前組模式下正常工作。另外，該系統(tǒng)只允許在30km/h以下使用，當(dāng)車速過高時(shí)，車輛會(huì)自動(dòng)回到前組模式，確保行車安全。

3）該系統(tǒng)具備零位標(biāo)定和人機(jī)交互功能，零位標(biāo)定由軟件實(shí)現(xiàn)，操作簡(jiǎn)單安全；人機(jī)交互界面有助于駕駛員實(shí)時(shí)掌握轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)角大小、工作模式和故障代碼等信息，改善車輛的操縱體驗(yàn)。