多轴军用越野汽车电控液压多轮转向系统

陈利东

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

传统军用越野汽车大都采用双前桥液压系统转向，模式单一，车辆的后几桥轮胎不参与转向，这就造成了整车的转弯半径过大，通过性和环境适应性变差，极大地限制了车辆的使用范围，特别是在多轴车上 （以5轴车为例）。同时，现有的多轮/全轮转向系统或采用全液压系统，液压管路复杂；或因为传感器、电磁阀等电子元器件硬件问题，导致电控转向系统控制精度差，系统响应速度滞后，转向效果不佳；同时，系统本身缺乏有效的故障诊断机制和人机交互功能，给驾驶员的操控和人机交互带来困难。

为解决上述问题，本文在5轴车的基础上，提出一种基于PLC控制的电控液压多轮转向系统。该系统具备前组和多组两种工作模式，同时兼具故障诊断与处理、人机交互、零位标定等功能。该系统可以提高车辆的通过性、最大程度提升系统的控制精度和响应速度、改善人机交互体验，满足多轴军用越野车辆在不同场地内的使用需求。

1 系统组成及工作原理

1.1 系统组成

以5轴军用越野汽车为例，本系统采用独立的电控液压转向系统，主要包括：基于PLC的转向控制器、4/5桥比例流量控制阀、4/5桥助力缸电磁换向阀、4/5桥对中缸电磁换向阀、集成于液压缸体内的位移传感器 （1/4/5桥均有）、转向模式开关、强制对中开关、故障报警指示灯、转向对中指示灯，以及集成了转向信息和故障诊断信息的组合仪表，见图1。

图1 系统组成框图

其中，转向控制器属于汽车级成熟产品，主要负责I/O的控制以及CAN通信；比例流量阀通过PWM信号来控制阀开口大小，实现液压缸流量调节；助力缸/对中缸电磁换向阀用来控制液压缸建立压力或者卸载；位移传感器用来采集液压缸位移；转向模式开关用来控制系统工作模式 （默认为前组模式）；强制对中开关在系统故障时使用，不受控制器控制；故障报警指示灯用来指示系统故障 （当传感器或比例流量控制阀故障时点亮）；转向对中指示灯用来指示对中状态（4/5桥对中时点亮）；组合仪表可以实时显示各桥转角信息、工作模式以及系统故障报文 （基于J1939的DM1格式）。

1.2 工作原理

该系统具备前组和多组两种工作模式：前组模式下，由转向盘将动力传递至转向器，并借助1/2桥液压助力缸推动转向拉杆实现转向，后三桥始终保持对中，见图2。

图2 前组模式

在多组模式下，根据阿克曼几何原理，4/5桥可根据1/2桥的转动方向和转角大小实现实时跟随转向。该过程采用了增量式PID控制算法，通过采集内置于缸体内部的位移传感器信号，通过数据拟合得到4/5桥与1/2桥液压缸位移和方向关系，再通过增量式PID算法，控制比例流量阀和电磁换向阀，进而由液压系统控制4/5桥助力缸和对中缸，最终实现4/5桥跟随1/2桥实时转向。多组模式下，3桥保持对中，不参与转向，这是根据整车转向方案决定的，见图3。

图3 多组模式

2 控制策略

在系统具备前组和多组模式的基础上，本设计又增加了无动作模式和故障模式，据此构成了本系统的控制策略，见图4。具体控制策略如下。

图4 控制策略框图

首先根据发动机状态判断车辆是否工作 （转向液压泵工作的前提是发动机工作），如果不工作，则进入无动作模式，即强制对中，此时所有助力缸/对中缸电磁换向阀和比例阀均断电，确保安全；否则再判断系统是否存在故障，如果存在故障，则进入故障模式，即强制对中，4/5桥始终保持对中，故障模式处于最高优先级。如果无故障，再判断转向模式开关是否按下，若开关处于默认状态，则保持前组工作模式，即4/5桥保持对中；若开关打开，需要先判断车速是否超过30km/h（考虑到行车安全），若超过该限制，则强制进入前组模式，即4/5桥强制对中，否则进入多组模式，此时在转向盘作为输入的情况下，转向控制器控制助力缸/对中缸电磁换向阀均通电，根据4/5桥与1/2桥 （1桥的助力缸伸缩位移由转向盘控制而来）液压缸位移和方向关系，再通过增量式PID算法控制4/5桥比例阀开度大小，进而控制4/5桥助力缸伸缩，实现4/5桥跟随1/2桥实时转向。

3 强制对中功能

该系统具备强制对中功能，该功能包括软件强制对中和非软件强制对中。软件强制对中在控制策略中介绍过了，这里着重讲一下非软件强制对中功能。系统包括一个独立于控制器的强制对中开关，该开关不受控制器控制，在系统故障（如转向模式开关故障或控制器本身故障等）时，按下该开关，4/5桥对中缸电磁换向阀和助力缸电磁换向阀均会断电，此时对中缸建立压力，助力缸卸载随动，4/5桥被强制对中。该功能在遇到紧急情况时使用，可以确保基本的行车需求和车辆安全。

4 故障处理机制

考虑到转向系统的安全性和可靠性，本系统加入了故障处理机制，并且将故障模式定为最高优先级，任何情况下，只要出现故障，系统都将进入前组模式，即4/5桥强制对中。转向系统的故障主要涉及各桥传感器故障和比例阀故障。根据CAN总线通信协议J1939中DM1的规定，本系统将故障类型分为短路和开路两种，故障信息以DM1故障码的形式由CAN总线发送至车辆组合仪表，供驾驶员查看。表1为故障码列表。

5 车速限制功能

考虑到行车安全和系统可靠性，车辆在多组模式下进行转向操作时，车速不能高于30km/h。转向控制器通过CAN总线实时监测车速，当车速超过30km/h时，系统会强制进入前组模式，即4/5桥强制对中，且该过程不可逆，即车速恢复到30km/h以内时，不能恢复到多组模式，必须将转向模式开关复位后再次切换一次方可进入到多组模式。

6 零位标定功能

本系统具备零位标定功能，在车辆出厂或者转向系统因为机械故障等原因导致实际转向零位与理论零位发生偏差时，需要对转向零位进行重新标定，以确保转向系统安全可靠。零位标定功能通过软件实现，在重新起动车辆的前提下，确保转向模式开关处于关闭状态，然后在10s内快速拨动转向模式开关来回6次，即可完成零位标定功能。

表1 DM1故障码列表

7 人机交互系统

为了便于驾驶员观察和实时掌握转向系统信息，本系统设计了较为合理的人机交互界面，可以将转向模式状态、各桥轮胎转角大小、故障信息以及总线节点状态等通过CAN总线发送到车辆组合仪表，实现对系统的实时监控。

8 结论

1）该系统通过电控液压技术，运用增量式PID控制算法实现了多轴车辆在不同转向模式下的实时、精确控制，提高了车辆的通过性，最小转弯半径低至23m，能适应不同地形和工况要求。

2）该系统具备故障诊断功能，在电控液压转向系统发生故障或失效时，都能够保证转向系统在前组模式下正常工作。另外，该系统只允许在30km/h以下使用，当车速过高时，车辆会自动回到前组模式，确保行车安全。

3）该系统具备零位标定和人机交互功能，零位标定由软件实现，操作简单安全；人机交互界面有助于驾驶员实时掌握转向系统的转角大小、工作模式和故障代码等信息，改善车辆的操纵体验。