電比例主動控制液壓轉向系統(tǒng)設計與實驗研究

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(1.江蘇大學 機械工程學院， 江蘇 鎮(zhèn)江　212013； 2. 鎮(zhèn)江液壓股份有限公司， 江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

引言

全液壓轉向系統(tǒng)[1]是利用液壓動力來實現(xiàn)轉向控制的一套裝置，因其安全、靈活、操縱輕便的優(yōu)越性而被廣泛應用于中低速、重載、大型工程車輛中。系統(tǒng)工作原理如圖1所示，當方向盤帶動轉向器閥芯轉動時，打開對應油路，壓力油經(jīng)轉向器打開的通道進入轉向油缸，油缸活塞桿的伸縮傳遞到轉向機構，帶動車輪偏轉。

全液壓轉向系統(tǒng)在工作過程中，由于液壓油的壓縮、泄漏，其方向盤的位置和車輪的位置難以像機械轉向系統(tǒng)那樣精確對應，在車輪的有效轉向角度區(qū)間內(nèi)，方向盤的位置是不確定的。另外，在全液壓轉向系統(tǒng)中，車輪已轉至極限轉角后，方向盤仍然可以向轉向一側滑移，當車輪再次回到中位時，方向盤位置相對前一次車輪中位時的位置就發(fā)生了一定的偏移。由于上述現(xiàn)象的存在，當車輪回正時，方向盤沒有一個確切的位置與之對應，形成方向盤的“歸零”偏差，駕駛員無法根據(jù)方向盤來判斷車輪的方向，為駕駛帶來不便。為此，一種電比例主動控制轉向系統(tǒng)(Electro-proportional Active Control Steering，EPACS)[2]引起工程界的普遍關注，它可以有效地保證方向盤與車輪轉角的對應關系。

1.油源　2.油箱　3.方向盤　4.全液壓轉向器5.轉向油缸　6.轉向機構　7.車輪圖1　全液壓轉向系統(tǒng)工作原理圖

1　EPACS系統(tǒng)工作原理

1.1　系統(tǒng)液壓原理

圖2為EPACS液壓系統(tǒng)原理圖?？梢钥闯?，該系統(tǒng)在常規(guī)全液壓轉向系統(tǒng)的基礎上增加了方向盤轉角傳感器5、車輪轉角傳感器9，分別監(jiān)測方向盤轉角和車輪轉角，而系統(tǒng)的中樞是控制器11，用于處理方向盤、車輪轉角信號，并向電磁閥3發(fā)出控制信號，通過控制進入轉向油缸7的流量，進行轉角補償。

1.泵　2.油箱　3.電磁閥　4.方向盤　5.方向盤轉角傳感器6.全液壓轉向器　7.轉向油缸　8.轉向機構　9.車輪轉角傳感器10.車輪　11.控制器圖2　EPACS液壓系統(tǒng)原理框圖

當系統(tǒng)忽略油液壓縮、泄漏及閥芯滑移、開口死區(qū)、飽和等非線性因素時，車輪轉角α與方向盤轉角θ之間有確定的對應關系,即α=f(θ)，實際上，上述因素在轉向系統(tǒng)的裝配、工作過程中是不可避免的，因此，其實際對應關系為α=f(θ)+δ。δ即為上述非線性因素引起的車輪轉角偏差，具有不確定性。EPACS系統(tǒng)的作用就是通過油路的二次補償，減小并消除轉向偏差，保證了車輪在中位時方向盤位置與車輪朝向有精確的對應關系。

1.2　系統(tǒng)控制原理

EPACS控制系統(tǒng)原理如圖3所示，是以方向盤轉角為輸入、車輪轉角為輸出的復合控制系統(tǒng)，該復合控制由兩部分組成，一路是以方向盤轉角為輸入的順饋通道，另一路是以車輪轉角為輸入的反饋通道，控制器、補償電磁閥是順饋與反饋的公共通道。在工作過程中，前向通道中的全液壓轉向器、轉向液壓缸、轉向機構均為非線性環(huán)節(jié)[4]，包括機械系統(tǒng)非線性、液壓系統(tǒng)非線性。

圖3　EPACS系統(tǒng)控制原理圖

控制的基本目標是：

(1) 當車輪回到“零位”時，方向盤上的標記位能回到對應的“零位”；

(2) 當由于人為因素(1)中約定的對應關系被破壞，轉向系統(tǒng)啟動后可快速恢復到要求的狀態(tài)。

2　硬件構成

從控制的角度看，除了原有的元件外，增加的硬件主要有轉角傳感器、控制器以及補償電磁閥。

2.1　轉角傳感器

車輪轉角傳感器選用光電編碼器，是集光機電技術于一體的轉角轉速傳感器，具有分辨能力高、力矩小、耗能低、使用壽命長等一系列優(yōu)點。

方向盤轉角傳感器選用旋轉變壓器。旋轉變壓器尺寸較小，可直接與全液壓轉向器集成一體，集成度高，且具有耐高溫、耐潮濕、抗震動的特性，保證了在液壓系統(tǒng)較為惡劣的工作環(huán)境下，方向盤轉角的精確測量。

2.2　控制器

控制器由CPU、供電與驅(qū)動模塊、通訊模塊以及人機交互模塊四部分組成。

CPU選用STC 11F60XE單片機，高速、可靠、具備很強的抗干擾能力。供電與驅(qū)動模塊完成電平轉換與電磁閥驅(qū)動，由車輛自帶蓄電池直接為控制器供電，同時將單片機輸出的控制信號進行功率放大，保證了電磁閥的正常工作與快速響應；通訊模塊完成控制器與傳感器和PC的硬件接口，靈活實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸以及程序下載更新；人機交互模塊包括數(shù)據(jù)顯示與按鍵調(diào)整，將傳感器測量到的轉角信息以及相關控制參數(shù)通過LCD液晶屏實時顯示，通過按鍵對控制參數(shù)進行在線調(diào)整，為系統(tǒng)調(diào)試提供便利。

圖4為EPACS系統(tǒng)的控制器實物圖。

圖4　EPACS系統(tǒng)控制器

2.3　補償電磁閥

補償電磁閥是EPACS系統(tǒng)的執(zhí)行器[5]，選用開關電磁閥，電磁閥結構簡單，控制靈活，比起比例閥、伺服閥等其他種類執(zhí)行器，電磁閥成本低廉且易于安裝維護。另外，由于工程車輛轉向系統(tǒng)的安裝空間比較有限，根據(jù)電磁閥尺寸較小的特點，直接與全液壓轉向器集成在一起，節(jié)省空間，便于更換。

3　算法設計

針對全液壓轉向系統(tǒng)工作過程中轉向偏差的兩個主要來源：油液泄漏與方向盤滑移，分別設計了對應的控制策略[5]。

3.1　泄漏補償

由于執(zhí)行元件電磁閥只有開、關兩種狀態(tài)，不能實現(xiàn)連續(xù)控制，考慮到電磁鐵吸合與斷開需要一定的反應時間，系統(tǒng)將不可避免存在一定的滯后與超調(diào)。為優(yōu)化控制效果，開發(fā)了一種新型控制算法，將PID控制與常規(guī)開關控制有效結合，利用PID的控制特性與參數(shù)整定，消除開關控制存在的盲區(qū)。

首先，根據(jù)車輛轉向精度要求，為車輪轉角偏差設定閾值E[6]。

設定車輪轉角α與方向盤轉角θ函數(shù)關系α=f(θ)，計算當前車輪轉角偏差δ：

以δ為輸入，計算：

(1)

以經(jīng)過PID運算后的結果δ′與轉向系統(tǒng)的設定閾值E進行比較，若δ′>E，則打開電磁閥進行補償，若δ′<-E，則關閉電磁閥停止補償。此時轉向偏差δ′已具備PID控制的微分與積分特性，通過整定微分系數(shù)PD與積分系數(shù)PI，可有效預測誤差的變化趨勢，避免滯后與超調(diào)，同時減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。

3.2　滑移補償

根據(jù)全液壓轉向系統(tǒng)的特性，當車輪轉到極限位置，油缸活塞桿伸至終點，方向盤阻力變大，有一定的“終點感”，但仍然可以通過人力強行轉動使方向盤向轉向一側滑移，此時，轉向器排出的油液直接經(jīng)系統(tǒng)溢流閥返回油箱，不再進入油缸。隨著轉向器的使用，內(nèi)部磨損加劇，方向盤的“終點感”將越來越弱，導致全液壓轉向系統(tǒng)工作過程中由方向盤過量滑移帶來的轉向偏差大量存在。

方向盤滑移發(fā)生時，車輪轉角α保持不變，若方向盤正轉，則方向盤轉角θ繼續(xù)增大，車輪轉角的偏差也將不斷增大；同理，若方向盤反轉，車輪轉角的偏差δ將不斷減小。理論上，方向盤的滑移角度沒有上限，即轉向偏差δ可能在很大范圍內(nèi)變化，遠超出電磁閥的補償能力。

由于方向盤轉角的周期性特點，相差N個360°不會影響其方向盤絕對位置。通過將方向盤轉角θ靈活加減360°，以控制轉向偏差。

θ=θ±360,f(θ-α)>f(θ±360)-α

(2)

這樣，無論方向盤真正滑移量有多大，實際造成轉向偏差的滑移角度都限制在[-180°，180°]， 從而有效地將系統(tǒng)滑移偏差限制在一定范圍之內(nèi)，在車輪回正過程中快速完成補償。

除此之外，為延長電磁閥的使用壽命(約開關50萬次左右)，為系統(tǒng)設立一定的控制范圍[-α,α]，范圍之外電磁閥不動作，當車輪轉角進入控制范圍后，開啟補償，將全程累積的轉向偏差在控制范圍之內(nèi)補償完成，減少電磁閥開關次數(shù)，延長了系統(tǒng)的更換周期。

綜上所述，EPACS系統(tǒng)算法流程如圖5所示。

4　EPACS系統(tǒng)實驗研究

EPACS系統(tǒng)在收割機、叉車等后輪驅(qū)動、轉向輪不易觀測行走機械中具有典型的代表性，本研究以3T內(nèi)燃式平衡重式叉車CPCD30為實驗平臺，該叉車采用了BZZ-80型全液壓轉向器，排量80 mL/r；電磁閥為DHF08-224型二位二通電磁閥，工作電壓12 VDC。

圖5　EPACS系統(tǒng)控制算法流程圖

圖6為CPCD叉車實驗平臺。

圖6　CPCD叉車實驗平臺

圖7為通用全液壓轉向系統(tǒng)，即沒有帶CPACS轉向系統(tǒng)的實驗結果。

圖7a是方向盤未滑移工況下系統(tǒng)的運行情況，車輪從中位起步，先運動至負極限位置，然后返回到正極線位置。在去程與回程過程中，車輪方向盤轉角曲線難以重合，在車輪0°位置，方向盤轉角相對零點位置形成泄漏偏差。

圖7b是方向盤正向滑移工況下系統(tǒng)的運行情況，車輪從中位起步，運行至正極限位置A后，方向盤正向滑移，車輪轉角保持不變，方向盤轉角繼續(xù)增加至B，然后由B開始回程，當車輪再次回到中位時，方向盤轉角相對零點位置產(chǎn)生滑移偏差。

圖7c是方向盤反向滑移工況下系統(tǒng)的運行情況，車輪從中位起步，運行至負極限位置C后，方向盤反向滑移，車輪轉角保持不變，方向盤轉角繼續(xù)減小至D，然后由D開始回程，當車輪再次回到中位時，方向盤轉角相對零點位置產(chǎn)生滑移偏差。

由圖7可知，全液壓轉向系統(tǒng)工作過程中存在泄漏偏差與方向盤滑移偏差，其中，泄漏偏差一個運動周期約為50°，且將隨時間進行不斷累積，滑移偏差由方向盤滑移量直接決定，具有隨機性。

根據(jù)通用全液壓轉向系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)分析，可以看出方向盤轉角與車輪轉角關系近似線性，且左右不對稱，分別設定k1、k2、為車輪轉角負半?yún)^(qū)和正半?yún)^(qū)比例系數(shù)，即：

(3)

另外，設定車輪轉角控制范圍 [-30°，30°]，車輪轉角偏差閾值E=0.5°。

圖7　通用全液壓轉向系統(tǒng)

圖8　EPACS系統(tǒng)

啟動EPACS系統(tǒng)后，轉向系統(tǒng)運行實驗結果如圖8所示。

圖8a是系統(tǒng)對泄漏偏差的補償情況，對全程累積的泄漏偏差，系統(tǒng)在控制范圍之內(nèi)完成補償，車輪零位與方向盤零位準確對應。

圖8b、圖8c是系統(tǒng)對滑移偏差的補償情況。從A至B、C至D，方向盤分別發(fā)生了正向和反向滑移。在控制范圍之外，系統(tǒng)不工作，轉向偏差明顯。車輪轉角進入 [-30°，30°] 后，系統(tǒng)對轉向偏差快速反應，車輪零位與方向盤零位準確對應。

另外，由圖8c可以看出，當方向盤滑移量過大時，根據(jù)控制算法，對方向盤轉角θ進行加360°操作，將系統(tǒng)偏差控制在小范圍內(nèi)，快速完成補償。

通過實驗驗證可知，本系統(tǒng)能夠有效地消除全液壓轉向系統(tǒng)工作過程中存在的各種轉向偏差，保證車輪零位與方向盤零位準確對應。

5　結論

(1) 電比例主動控制轉向(EPACS)系統(tǒng)是在通用全液壓轉向系統(tǒng)基礎上發(fā)展起來的，它有效地解決了車輪回正時方向盤的定位問題；

(2) 針對油液泄漏、方向盤滑移問題，從原理和硬件上構建了EPACS系統(tǒng)，提出一種PID與開關控制相結合的軟件控制復合算法，為實驗研究奠定了基礎；

(3) 以叉車為實驗平臺，通過對采用EPACS系統(tǒng)前后的實驗對比可以看出，所設計的EPACS系統(tǒng)具有良好的控制效果，通過補償作用，保證了車輪和方向盤的準確歸零。

參考文獻：

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