军用车辆全轮转向电控液压系统研究

徐培，杨大磊，杨曦明，贺丹莉

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

军用车辆全轮转向电控液压系统研究

徐培，杨大磊，杨曦明，贺丹莉

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

本文首先对军用越野车辆全轮转向系统的功能要求进行了分析，在此基础上对全轮转向液压系统的组成和工作原理进行了研究，最后对全轮转向电控系统及电控系统软件进行了详细的设计。为验证全轮转向电控液压系统的性能，进行了装车试验，试验结果表明该电控液压系统能够满足前期方案提出的全轮转向技术指标，具有良好的控制效果。

军用重型车辆；全轮转向系统；电控液压

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

前言

随着国产武器装备性能的不断提高，大型武器装备系统的集成度也日益增加，为满足大型武器装备对地面运载工具高机动性的要求，对10X10等多轴军用重型车辆底盘的机动性、通过性等要求也越来越高。多轴重型车辆由于车身较长，导致转向半径相对较大，降低了车辆机动性。对于军用车辆，机动性的丧失，意味着作战效能的丧失，而采用全轮转向技术是改善重型军用车辆机动性的重要手段。本文以陕汽五轴超重型军用越野车辆为目标车型，设计了基于电控液压原理的全轮转向电控系统，该系统具有前组转向、全轮转向、蟹形转向三种转向模式。当车辆在有限空间转弯或倒车时，采用全轮转向模式，可显著减少车辆转弯半径；当车辆在狭小场地调整位置时，可采用蟹形转向模式进行平行移动、迅速就位；当车辆在高速行驶时，车辆可自动转换为前组转向转向模式保持行驶稳定性。

1、五轴超重型军用越野车辆全轮转向系统功能要求

1.1 转向控制功能

转向控制系统应能实现车辆转向系统在前组转向、全轮转向、蟹形转向三种转向模式之间的切换，电控液压系统应性能稳定、响应迅速、跟随准确。前组转向即Ⅰ、Ⅱ桥转向，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ桥不转向。全轮转向、蟹形转向即根据车辆几何关系及前桥转向角度计算出Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ桥的目标转向角度，通过电控系统控制Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ桥达到目标转向角度。

1.2 信息共享及显示能力

电控系统可将转向模式、各桥目标角度、实际角度、转向压力及系统故障信息发送至车身总线上，供车辆显控单元显示，并能从车身总线上读取控制所需信息。

当系统出现故障或转向对中时，应能点亮相应指示灯。

1.3 故障诊断及处理能力

电控系统应能识别传感器故障、电控单元驱动开短路故障，且当出现故障时，电控系统能进行故障处理。

1.4 强制对中能力

当电控系统瘫痪时，应设计强制对中装置及相关电路使Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ桥转向强制对中。

1.5 零位标定功能

由于需要知道各桥转向角度值，所以需安装角度传感器，但当安装角度传感器或更换角度传感器时，系统的转向零位与角度传感器的零位可能不同，因此电控系统需设计零位标定程序快速标定系统的转向零位。

2、全轮转向液压系统组成及工作原理

图1为全轮转向液压系统原理图。其中Ⅰ、Ⅱ桥转向机构采用传统机械-液压助力方式，由方向盘直接控制，作为前组转向。Ⅲ桥转向机构作为一个独立单元，控制方式为电控液压，Ⅳ、Ⅴ桥转向机构之间通过连杆机构连接来协调两桥之间的运动关系，作为一个整体单元进行控制，控制方式为电控液压，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ桥的转向机构统称为后组转向。

为了防止电控系统失效及系统可靠性，在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ桥转向机构中增加对中机构，在电控系统失效时，可使转向锁定在前组转向模式下，不影响行车。图中对中缸、助力缸的力作用在转向机构上，电磁换向阀1、2、3状态为断电状态。当需要前组转向时，电控单元控制比例电磁阀作用助力缸使后组转向回中，然后电磁换向阀1断电，电磁换向阀2、3通电，此时Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ桥对中缸作用使Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ桥锁定在对中状态，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ桥助力缸随动不起作用，Ⅰ、Ⅱ桥在Ⅰ、Ⅱ桥助力缸的作用下控制前组转向；当需要后组转向时，电磁换向阀1通电，电磁换向阀2、3断电，此时Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ桥助力缸起作用控制后组转向，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ桥对中缸随动不起作用，电控单元控制比例电磁阀实现后组转向转角和方向的变化。

3、全轮转向电控系统设计与开发

电控液压全轮转向系统通过安装在整车上的角度传感器采集Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ桥轮胎转角信息，全轮转向控制器根据各桥转角信息、转向模式切换开关状态、车辆状态及预先设定的控制规律控制电磁换向阀通断及比例电磁阀的流量和方向，实现Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ桥轮胎转角大小和方向的变化，进而实现转向系统在前组转向模式、全轮转向模式、蟹形转向模式之间的切换。考虑到系统的安全性：当车速高于30km/h时，无论转向模式切换开关处于何种状态，控制系统自动切换到前组转向模式。当车速低于30km/h时，控制器根据转向模式切换开关的状态实现转向模式的切换；当电控系统出现故障时，为保证行车安全，后组转向必须处于对中状态，此时电磁换向阀1断电，电磁换向阀2、3通电，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ桥对中缸将后组转向对中。

根据系统需求，全轮转向电控系统由全轮转向控制器、转向模式切换开关、零位标定开关、强制对中开关、信号灯、转角传感器、压力传感器、电磁换向阀、比例电磁阀、转换式继电器及相关接口线束组成。整个系统的控制信号流图见图2。

全轮转向控制器实现信号采集、控制功能及相关负载驱动；转向模式切换开关实现前组转向模式、全轮转向模式、蟹形转向模式之间的切换；零位标定开关用于激活全轮转向控制器中的零位标定程序来标定系统转向零位；强制对中开关及转换式继电器用来实现强制对中控制逻辑；信号灯包括故障指示灯及对中指示灯，用于指示电控系统的故障及后组转向的状态；转角传感器用于采集Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ桥轮胎转角信号；压力传感器用于采集Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ桥转向系统压力，可用于判断液压系统是否处于正常工作状态。

本方案中采用的全轮转向控制器为陕汽定制开发的军用级高性能控制器，使用CoDeSys集成开发环境进行编程，该控制器采用32位微控制器芯片，其输入端口通过配置可复用，输出驱动电路采用具有诊断功能的智能驱动器件，可对控制器输出进行故障诊断，其中高端恒流驱动端口采用了专用的比例阀驱动芯片，它是一款数字控制芯片，具有很好的抗干扰能力，其内部采用低端常电流控制预驱动积分电路，可编程控制颤振信号。颤振信号在比例电磁阀的控制中是有用且必需的信号，它有利于克服摩擦阻力，其作用还能有效消除回程误差。

4、全轮转向电控系统软件设计与开发

整个电控系统的核心为全轮转向控制器控制软件的开发，本方案中软件开发是在CoDeSys开发环境下完成的。为便于程序管理、优化修正、功能性升级，在软件结构设计决策采用模块化设计，并使得各模块之间尽可能相互独立，降低模块间耦合度，提高了主程序的灵活性。

控制时序上为满足系统控制精度的要求，需要严格控制程序运行的时间，考虑到车速以及液压系统的滞后特性，程序运行时间控制在10ms以内，由于通信时间相对较长，且周期固定，因此在软件设计上采用如下策略：全轮转向控制器硬件内置的实时运行系统支持CoDeSys的任务调度机制，由于在功能上要求定时发送和接收信息以及处理其它工作，因此在软件运行方式采用抢占式双任务调度，其工作方式是：主任务负责实现信号采集、处理、输出、故障诊断处理等要求，采用自由循环模式，辅助任务负责CAN通信，采用定时触发模式，定时时间为100ms，所有辅助工作状态以此时间为基础，按指定时序触发。主辅任务关系如图3所示。在总线通讯上将CAN发送器设置为先入先出队列，队列深度为5，所有CAN信息均发送至此队列，这样做可以避免通信阻塞导致程序运行周期增加。

全轮转向电控系统控制软件主要包含：主程序模块、输入模块、输出模块、检测模块、通讯模块和算法模块组成。

主程序模块是实现控制系统功能的核心，调用输入模块、检测模块并根据模式选择及算法控制模块控制转向，主程序运行在自由循环方式下，是完成对其它子程序或模块调用的主要途径。主程序的工作流程如图4。

输入模块负责信号采集相关的工作，并根据需要对采集信号进行处理，确保提供给其它模块的信号准确性。本软件涉及到控制系统的输入主要包括：模拟量输入、开关量输入。模拟量输入信号为电压型的，电压型信号易受到外界干扰，由于产生电压型信号的角度传感器属于系统关键器件，对控制系统的精度有重大影响，因此在设计时，需要对其做降噪处理。控制器为传感器提供了稳压电源，并以比例输入方式读取模拟量值，以此来降低供电电源电压波动对信号精度的干扰。在此基础上，对采集到的信号做进一步滤波处理，本软件采取5值窗口滤波以减少代码复杂程度，由此将使得系统的动态响应约有40ms的延时，考虑到液压系统的滞后性（例如电磁比例阀先导阀开启和关闭的时间约为30ms），该方案在试验初期具有一定的实用性，并可作为后期其他滤波方案的对比参照。开关量输入信号主要包括点火开关和使能开关，输入量采用控火方式。对于开关量输入信号，本软件采用时间延迟处理的方式，即若开关量状态保持1s及以上时，则认为该状态有效。

输出模块负责整个控制系统的功率和信号输出，是系统运行效果的体现，输出主要包括电磁阀启闭、信号灯开关以及比例电磁阀控制，考虑到控制器的硬件特性，以及系统的快速响应要求，本软件并没有对各个输出进行函数或功能块式的封装，而是直接对这些全局变量赋值来完成输出。

检测模块负责对主程序运行前所有系统变量进行故障识别，若发现故障则及时关闭恒流驱动端口输出，并通过CAN总线将故障代码发送至整车网络。

算法模块包含了后组电控液压全轮转向的控制算法，算法的好坏将极大的影响全轮转向系统的稳定性和平顺性。控制算法的选择和设计是整个控制系统关键核心之一，算法模块是否满足控制要求应根据实际试验测试后评价，因此该模块应具备改进的特性。算法模块为改进型PID功能块，本文采用增量式PID算法，其表达式如下：

对于本系统，e(k)为k时刻采样的转角误差，u(k)为 k时刻PID算法的控制量，增量式PID控制的控制增量仅与最近一次的采样有关，误动作影响小且容易获得较好的控制效果；为了避免控制作用过于频繁，消除由于频繁动作引起的振荡，采用带死区的PID控制算法，其算式如下：

对于本系统，e(k)为转角误差，e0是一个可调参数，具体数值由试验确定，若e0指太小，会使控制动作过于频繁，达不到稳定控制系统的目的，若e0太大，则系统将产生较大的滞后；对于本系统，由于电磁比例阀自身特性，其具有开启电流Imin及最大开口电流Imax两个工作电流限值，对PID控制算法的控制量加入限值，其算式如下：

式中，为比例电磁阀的控制电流。

通讯模块负责与整车控制器交互信息，接收并处理车速信号，整理并发送控制系统转向信息及系统故障信息。由于通讯模块被设置成100ms周期定时工作，因此通讯模块可为其它时序功能提供时间基准。

5、全轮转向电控系统装车试验

为验证电控系统的正确性，进行了装车试验。通过CoDeSys开发环境中的可视化模块监测系统转向角度信息。图5为从蟹形转向模式切换至全轮转向模式下，控制系统的控制效果图；图6为蟹形转向模式下，控制系统的控制效果图。图7为蟹形转向模式切换至前组转向模式后，控制系统的控制效果图。图中横坐标为系统时间，精度为秒；纵坐标为角度值，精度为0.1度，其中 表示前桥角度值，表示Ⅲ桥角度值， 表示Ⅴ桥角度值。

从图中可以看出，控制系统具有较好的响应及较好的控制效果。为进一步验证控制系统的性能，还需进行相关试验。

6、结论

本文在研究军用重型车辆电控液压全轮转向系统的组成及工作原理的基础上，对电控系统的组成及软件系统开发进行了设计，并完成电控系统开发。采用陕汽定制开发的军用级高性能控制器作为全轮转向系统的控制器硬件，用CoDeSys开发环境进行电控系统软件开发。为验证电控系统的正确性，最终进行了装车试验，试验结果表明该电控系统能完成控制要求。为了进一步验证电控液压全轮转向系统的可靠性，还需进行相关可靠性试验。

[1]刘金琨. 先进PID控制及其MATLAB仿真. 电子工业出版社, 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，助理工程师，就职于陕西重型汽车有限公司，从事整车电器系统设计工作。