（机械电子工程专业论文）数字式电液转向系统的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 计算机技术、控制技术和微电子技术的发展，为车辆技术注入了新的活力， 车辆的转向系统是车辆的一个重要的子系统，其性能的优劣和水平对整车具有重 要的影响。本研究围绕车辆数字式电液转向系统进行了以下研究工作。 1 ) 在回顾了工程车辆转向技术的发展历程基础上，分析了车辆转向技术发 展的趋势。阐明了开展车辆数字式电液转向技术的研究的意义。 2 ) 首先分析了全液压转向系统的工作原理和液压转向器的结构，建立 了液压转向器的流体动力模型、数学模型，对液压转向器的静、动态性能进行了 分析给出了影响静动态性能的因素。 3 ) 接着，建立了数字式电液转向系统的物理模型和数学模型，运用m a t l a b 仿真软件对系统的性能进行了仿真分析，揭示了系统的控制性能。 4 ) 为了实现数字式电液转向系统，对组成数字式电液转向系统的硬件的性 能进行了详尽的分析，根据系统硬件的配置，设计了相应的软件设计流程，确保 了数字式电液转向系统在软、硬件上的可行性。 5 ) 搭建了数字式电液实验系统，初步进行了数字式电液转向器的性能实验 和控制实验，验证了实施方案的可行性。 研究结果表明，所设计的数字式电液转向器在实际中是切实可行的；组成系 统的硬件的性能及控制策略对系统的性能具有重要的影响，在具体设计中必须给 予关注；研究只是初步揭示了数字式电液转向器的内在本质，尚有许多后续工作 要做。 关键词：数字式电液转向系统，电液转向器，p i d 算法，电子控制单元 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa d v a n c e dc o m p u t e r c o n t r o la n dm i c r o - e l e c t r o n i c s t e c h n o l o g y , t h ev e h i c l et e c h n o l o g yh a se a r n e dn e we n e r g yf o ri t sg r o w i n g t h e s t e e r i n gs y s t e mi sa l li m p o r t a n tp a r to f t h ev e h i c l e ，t h ep e r f o r m a n c eo fs t e e r i n gs y s t e m h a sas i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h ew h o l ev e h i c l e t h i sp a p e rf o c u s e so nt h es t u d yo f d i g i t a le l e c t r o - h y d r a u l i es t e e r i n gs y s t e mf o rt h ev e h i c l e ，i n c l u d i n gt h ef o l l o w i n gp a r t s ： 1 ) b a s e do nt h ed e v e l o p i n gp r o c e s so fs t e e r i n gs y s t e mo fc o n s t r u c t i o nv e h i c l e ， t h ed e v e l o p i n gt r e n do fv e h i c l es t e e r i n gt e c h n o l o g yh a sb e e na n a l y z e d t h ep u r p o s e o fr e s e a r c ho nd i g i t a le l e c t r o - h y d r a u l i cs t e e r i n gs y s t e mf o rv e h i c l eh a sb e e n c l a r i f i e d 2 ) f i r s t l y , t h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h eh y d r a u l i cs t e e r i n gs y s t e ma n dt h e s t r u c t u r eo fh y d r a u l i cr e d i r e c t o rh a v eb e e ni n t r o d u c e df o rt h ee s t a b l i s h m e n to ft h e f l u e n td y n a m i c a lm o d e la n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fh y d r a u l i cr e d i r e c t o r , t h es m i l e a n dd y n a m i c a lp e r f o r m a n c eo nw h i c hf a c t o r si n f l u e n c eh a v eb e e na n a l y z e d 3 ) s e c o n d l y , t h ep h y s i c a l a n dm a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h e 0 i # t a l e l e c t r o - h y d r a u l i cs t e e r i n gs y s t e mh a v eb e e ne s t a b l i s h e d w i t h t h es o f t w a r e0 f m a t l a b s i m u l i n k , t h ec o n t r o lp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mi sa n a l y z e d 4 ) o nt h ep u r p o s eo fd e s i g no ft h ed i g i t a le l e c t r o h y d r a u l i cs t e e r i n gs y s t e m ，t h e d e t a i la n a l y s i so nt h ep e r f o r m a n c eo fh a r d w a r ec o n s t i t u t e st h es y s t e mh a sb e e nd o n e a c c o r d i n gt ot h eh a r d w a r es e t t i n go ft h es y s t e m ，t h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r eh a sb e e n d e s i g n e df o rt h ef e a s i b i l i t yo fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e0 f t h ed i g i t a le l e c t r o h y d r a u l i c s t e e r i n gs y s t e m 5 ) t h ed i g i t a le l e c t r o h y d r a u l i ce x p e r i m e n ts y s t e mh a sb e e nb u i l t ；e x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho nt h ec o n t r o lp e r f o r m a n c eh a sv a l i d a t e dt h ef e a s i b i l i t yo fi m p l e m e n t s c h e m e t h es t u d yr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g n e dd i g i t a le l e c t r o - h y d r a u l i ce x p e r i m e n t s y s t e mi st r u et ob eu s e f u li np r a c t i c e ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h eh a r d w a r eo ft h es y s t e m a n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yh a sa ni m p o r t a n ti n f l u e n c e0 1 1p e r f o r m a n c eo ft h ew h o l e 江苏大学硕士学位论文 s y s t e m ，t h ed e s i g ni np r a c t i c es h o u l dp a ya t t e n t i o nt ot h i sp o i n t ；t h es t u d yh a ss h o w n t h ee s s e n c eo ft h ed i g i t a le l e c t r o h y d r a u l i cr e d i r e c t o ri nf i r s t l y , s t i l ll o t so fw o r kn e e d t o b ed o n e k e y w o r d s ：d i 【g i t a le l e c t r o h y d r a u l i cs y s t e m ，h y d r a u l i cr c d i r e c t o r , p i da r i t h m e t i c , e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t i v 江苏大学硕士学位论文 符号对照表 分别为节流口a 、b 、c 、d 、e 、f 的开口面积( m 2 ) ； 节流口的流量系统； 经恒流阀后的恒流量( m 3 s ) ； 经节流口a 回油箱的流量( 肌3 s ) ； 经节流口b 、c 、d 、e 并进入油缸的流量( m 3 s ) ； 由油缸流出的并经节流口f 回油箱的流量( m 3 s ) ； 分别为相应节流口及油缸的进回油口的压力( p o ) ； 转向油缸有杆腔、无杆腔的面积( m 2 ) ： 时间( s ) ： 活塞的位移( m ) ： 单个油缸的行程( m ) ； 粘性阻尼系数( m n s ) ； 马达的理论弧度排量( c m 3 t a d ) ； 转向器中阀芯、阀套回位弹簧扭转刚度( n m t a d ) ： 马达转子、连接轴及轴套的转动惯量( n m s 2 ) ； 马达常值阻力矩( n m ) ； 马达进出口压差( m p a ) ： 阀芯、阀套相对转角( t a d ) ； 马达转子转角( t a d ) ； 油液密度( 培m 3 ) 油液的弹性模量( m p a ) ； 活塞及活塞杆当量质量( k g ) ； v 南 风 a ： _ 、 r _ m 口 鲐 阶 鼢 纷 川 小 n ” n m 小 蚧 良 n 江苏大学硕士学位论文 巧： f ： 阻尼系数( n s m ) ； 转向阻力( n ) 。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名：指导教师签名： 年月日年 月 日 独创性声明 本人郑重声明：所皇交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：年 月日 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着现代车辆技术的迅猛发展，人们对车辆转向操纵性能的要求也日益提 高。为了保证车辆在任何工况下都有较理想的转向操纵性能，车辆转向系统经历 了从简单的纯机械式转向系统、机械液压动力转向系统( h y d r a u l i cp o w e r s t e e r i n g ，简称h p s ) 、到电控液压动力转向系统( e l e c t r i ch y d r a u l i cp o w e r s t e e r i n g ，简称e h p s ) 的发展历程，而更为节能、操纵性能更优的电子控制式 电动助力转向系统( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，简称e p s ) 的研究也取得了长足 的进展n m 2 儿3 l 。 动力转向系统由于转向操纵灵活、轻便，能吸收路面对前轮产生的冲击等优 点，已在汽车制造业中普遍采用。电子控制技术在汽车动力转向系统的应用，使 汽车的驾驶性能达到了更高的水平。电动式动力转向系统在低速时可使转向轻 便、灵活，而汽车在中、高速区域转向时，又能保证提供最优的动力放大倍率和 稳定的转向手感，从而提高了高速行驶的操纵稳定性。 微电子技术的飞速发展及其向机械工业的渗透使得车辆的机电一体化成为 可能，使机械工业的技术结构、产品结构、功能与构成、生产方式管理体系均发 生了巨大的变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了以“机电一体化 为特征 的发展阶段。在工程机械领域内，电液控制技术兼备了电子和液压技术的双重优 势，形成了具有强大竞争力的自身技术特点，为各种工程机械自动控制提供了一 种新手段。机电液一体化技术的发展使传统的液压系统和元件发生了实质性的变 化，是工程机械发展的必然趋势畸m 1 。 随着工程机械的发展，转向技术已进入轻型、中小型、重型或特大型工程机 械；降低转向系统操作的劳动强度，提高了转向操作的舒适性，也就提高了生产 效率；从控制方式上看，由现场手动操作向遥控化、信息化、网络化发展；由满 足基本的转向功能向提高转向的控制系统精度发展，控制精度的提高满足了公路 建设、土方作业、建筑施工等工程应用提出的要求。 目前，电子控制技术已经成为工程机械技术创新的主流。相应的电液转向控 江苏大学硕士学位论文 制系统由于其响应快，输出功率大、转向精度高等优点越来越多的应用于工程机 械中n 1 。 1 2 国内、外工程机械行走控制系统的发展趋势 工程机械行走系统最为重要的两个控制参数是控制速度的换档系统和控制 方向的转向系统。工程机械行走控制系统主要包含转向系统和车辆起、停及用于 速度控制的换档系统，经历了从机械式、液压式、电一液组合式到基于计算机的 数字式控制的发展历程，目前正向数字化、网络化、远程控制的方向发展。国内 外的研究机构和使用、生产厂商做了大量的工作，现对具有前瞻性的主要工作简 述如下川9 m 肿1 。 美国卡特彼勒公司在g 系列装载机上配置了s t i c ( s t e e r i n g t r a n s m i s s i o n i n t e g r a t e dc o n t r 0 1 ) 转向换档集成控制系统，取消了常规的方向盘，转向、换 档合用一个操纵杆，轻松实现控制，其变速换档离合器采用电子压力控制( e c p c ) 技术，行驶和换档更加平稳，预定的速比调定功能可使变速器档位在设定范围内 自动切换，更加平稳。 日本川崎公司在9 7 z i i i - - 1 1 5 z i 装载机上采用电子控制自动换档技术，可直 接将车辆的重要性能监控参量输入到微处理器，通过换档电磁阀自动选择合理档 位并切换；通过电子调压阀实现换档的平稳控制；同时还可通过自动制动电磁阀、 中间继电器、倒车警报继电器和监控显示报警器分别实现旨在减轻制动结合负荷 的自动制动控制、限制调速器高速运转的超速控制、防止停车制动器滑磨损坏的 停车制动控制、确保发动机启动时变速器处于空档的中位制动控制以及倒车自动 报警等多项功能。 萨澳一丹佛斯( s a u e r - d a n f o s s ) 与卡特皮勒( c a t e r p i l l a r ) 共同开发的o s p l 1 2 0 0 系统，并自行研发了新一代电、液动力转向系统e h p s ( e l e c t r o n i ch y d r a u l i c p o w e rs t e e r i n g ) 。这种新一代的大排量转向器及电液转向系统，与传统的现用 的转向系统相比，加大了转向器的最大排量，提高了驾驶者的舒适性，使操纵室 呈现了现代技术的综合性。不仅内涵先进，外观也极具吸引力；与此同时减少了 驾驶室内的噪音，使铰接式转向的车辆侧加速最小，消除了转向盘的偏差，并实 现了可变的转向比；同样重要的是系统可以通过卫星利用现代g p s 技术，实现了 2 江苏大学硕士学位论文 现代转向技术的信息化功能n 引。 美国丹纳赫传动( d a n a h e rm o t i o n ) 公司推出一款低噪声、低维护、高稳定 性的无刷a p s 高级动力转向系统n 羽。a p s 系统由一个带有减速器的永磁交流电机和 一个带有i o 接口的交流驱动器构成，其c a no p e n 接口可实现无缝的整合及信息 交换。该系统广泛用于一类、二类及三类车辆和叉车转向系统。a p s 系统有四种 不同的功率范围，可提供三种传动比，最大化地实现了应用的灵活性。a p s 的i o 接口能够与大多数转向传感器直接连接，而在单机操作模式下，还可以直接与大 多数的转向编码器实现直接连接。a p s 所拥有的一系列安全性能可支持符合e n 9 5 4 1 安全标准三类和四类车辆的可靠运行。a p s 完整的安全系统可以通过c a n 总 线直接激活紧急刹车，以确保车辆的安全制动。此外，a p s 还可以不问断地将其 系统状态报告发送到车辆控制系统。a p s 系统的软件可通过应用编程和一个广泛 的参数集实现定制。通过定制，系统用户可以获得更多的性能，如自动中心定位、 速度转向平衡、转向敏感度调节、高度的机动性和广泛的诊断支持等。 在国内，全液压动力转向技术率先用于装载机和挖掘机的转向系统。我国第 一代z l 5 0 型装载机在早期全都采用螺杆螺母循环球式直接驱动的机械式转向系 统，并设有带随动杆的机械反馈。该系统与全液压转向系统相比，转向力及功率 损失都较大，且可靠性也相对较差n 妣娜n 叼。 柳州工程机械厂的z l 5 0 型轮式装载机是国内较早采用全液压流量放大转向 系统的工程机械。通过操纵方向盘打开全液压转向器，通过全液压转向器的先导、 小流量去操纵流量放大器的阀杆左右移动，使转向泵的大流量通过流量放大器进 入左右转向缸，使装载机完成左右转向。驾驶员操纵一个排量只有1 2 5 m l 的全液 压转向器，因此操纵力很小，转向十分轻便灵活，且安全可靠。进入转向器的先 导油来自流量放大器进油通道，通过减压阀减压后进入转向器，这样省掉了一个 先导油泵。使结构简化，且降低了成本。该系统还增设了液压油散热器，使系统 油温有所下降，对系统元件及密封件大有好处。目前我国轮式装载机已普遍采用 全液压转向系统。 柳州工程机械厂z l 6 0 f 装载机所应用的e s t 一2 5 t 电液换档集成控制系统，在国 内首次实现动臂铲斗变速换档三杆合一的控制模式。采用d s s 开关( d o w ns h i f t s w i t c h ) 或者k d 换档开关，车辆便可根据作业时的负荷状况自动实现换档控制。 3 江苏大学硕士学位论文 但在转向系统还没有引进电液或电子控制技术。 近年来挖掘机的发展非常迅速，新技术的不断得到应用，形成了挖掘机制造 的新特点。采用电子控制系统，自动监测发动机和液压系统的全部功能，安全可 靠；采用液压负荷传感系统，可以控制一个或多个执行元件，微调性能好，而且 节能；计算机控制的发动机一泵( e - p ) 系统，使用功率模式选择器，发动机转速 传感系统和自动变速系统，可以根据现场作业情况提供最佳作业模式；优化液压 系统。利用两台变量泵，使执行元件具有高度的作业独立性，又可使挖掘机进行 平稳的复合操作，因而缩短工作循环周期。最新型的挖掘机采用了电子控制的负 荷传感挖掘系统，即把液压系统、电子系统和其它机械系统合并成一个集成控制 模块，形成了机电一体化系统。挖掘机配备了先进的机敏的智能技术，司机根据 作业工况选择合适的功能模式，便可自动进行合适的挖掘作业，获得极高的工作 可靠性和生产率，减轻了司机的劳动强度n 羽。 纵观工程机械行走控制系统的发展，在技术上大致经历了三次革命。第一次 是柴油机的出现，使工程机械有了较理想的动力装置。第二次是液压技术的广泛 应用，使工程机械的传动装置、工作装置更趋合理。第三次是电子技术，尤其是 计算机技术的广泛应用，使工程机械有了较为完善的控制系统。要使工程机械高 效节能，就要对发动机和传动系统进行控制，合理分配功率，使其处于最佳工况； 为了减轻驾驶员劳动强度和改善操纵性能，需要采用自动控制，实现工程机械自 动化；要完成高技能的作业，就需要智能化；为了提高安全性，需要安全控制， 进行运行状态监视，故障自动报警；随着工程机械使用领域的扩展，为了完成人 员无法及不易接近的场所和作业环境十分恶劣的地方的作业任务，需要采用远距 离操纵和无人驾驶技术。这一切都说明了工程机械当前的主要问题是操纵和控 制。工程机械不能停留在人工操纵阶段，靠人的感觉、经验和技术来操纵将大大 影响工程机械技术的发展，不能使人从繁重、复杂的劳动中解放出来。因此，近 年来工程机械的发展主要是操纵和控制机构的改进。例如，动力装置方面：柴油 机已采用微机控制电子喷射和电子调速器；挖掘机、推土机和装载机都采用了发 动机工况控制，根据作业工况通过电子控制，使发动机输出不同功率。传动装置 方面：如装载机变速器采用了电操纵、微机控制自动换档和换档品质控制等。工 作装置方面：推土机、平地机刀板自动调节，铣刨机和摊铺机自动找平，挖掘机 4 江苏大学硕士学位论文 轨迹控制、自动掘削等。液压系统方面：节能控制，全功率控制，泵、阀和马达 联合控制等。操纵系统方面：从先导操纵到先导比例操纵，最近正在向电操纵杆 方向发展；推土机、装载机等操纵杆数正在减少，操纵功率大大下降，操纵越来 越方便；有的装载机转向操纵已从方向盘改为操纵杆式转向 t 7 o 当前工程机械的先进技术大部分集中在操纵与控制上。要解决控制问题，只 从机械和液压角度来考虑很难使产品有质的飞跃，必须引入良好控制性能和信息 处理能力的电子技术、传感器技术和电液转换技术等。由上面工程机械第三次技 术革命也很容易看出，电子控制和信息处理技术已成为现代工程机械不可缺少的 一部分。 转向系统事关工程机械安全性和作业效率。如何设计工程机械的转向特性， 使其具有良好的操作性能和较高的作业效率，始终是个生产厂家和科研机构的重 要课题。 1 3 国内、外工程机械转向系统的发展历程 如前所述，工程机械最为重要的两个控制参数是控制速度的的换档系统和控 制方向的转向系统。从工程机械的换档系统的发展看，其控制系统经历了下述变 革：人工机械操纵一一液压动力操纵一一p o c ( p i l o tc o n t r o l 先导操纵) 一一p p c ( p i l o tp r o p o r t i o n a lc o n t r o l 先导比例控制) 一一电操纵一一e p c ( e l e c t r o n i c p r o p o r t i o n a lc o n t r o l 电比控制) 一一自动控制。与之类似，工程机械的转向系 统也经历了以下几个阶段： 1 3 1 机械式转向系统 工程车辆在行走过程中，转向系统的可靠性及性能指标是必须要保证的， 转向操作力的要求也比较大，为此，在操作系统中往往采用力放大机构，如采用 杠杆机构、齿轮一齿条机构、蜗轮一蜗杆机构等，与所有的机械系统类似，安全可 靠、定位精度高、刚性好是机械式转向系统的主要优点，但结构笨重、空间安装 位置上的限制则是其主要的不足之处。所以机械式转向系统在工程车辆中已很少 应用，只用于普通的行走机械中。 5 江苏大学硕士学位论文 1 3 2 全液压转向系统 大部分工程车辆由于自身结构复杂，加上施工场地及施工工艺要求，通常采 用全液压转向系统。全液压转向系统具有转向灵活轻便、性能稳定、故障率低、 布置方便等优点，广泛应用于装载机、压路机、挖掘机等各种轮式工程机械的转 向系统中n 钔位川。 转向系统完全是靠液压力驱动。也就是说，在方向盘和转向轮之间的机械连 接，被液压管路、液压阀、液压执行器所取代。当转向轮转动时，方向盘控制阀 输出与转向轮摆动速度成比例的油流体积，油流再流入到转向液压缸工作腔内， 由液压缸推动车辆的转向系统。图卜1 为无反馈全液压转向系统，转向器需要独 立液压动力源，通常利用定量泵直接供油。图卜2 是负荷反馈转向系统，油泵既 可用来给转向系统供油，也可用于驱动其它工作装置。但系统中的优先阀保证了 转向系统的动作优先执行。 出油 出油口 进油口 图卜1 无反馈全液压转向系统图1 - 2 负荷反馈全液压转向系统 口 出油口 进油 图卜3 流量放大型转向系统图卜4 扭矩放大型转向系统 图卜3 为流量放大型转向系统：在大型的或超大型行走机械中，转向液压缸 6 江苏犬学硕士学住论文 的尺度比较太，转向工作过程中需要的流量也比较大，转向系统用流量放大器来 实现流量的瞬间放大。此系统中有一先导阀保证转向系统的动作优先执行。当转 向轮动作时，泵的输出油液按比例分配，以保证转向轮有足够的油液驱动转向液 压缸，剩余油用于其它工作装置。 图14 为扭矩放大型转向系统：此类型转向系统是一种机液系统。方向盘和 转向轮2 间用一动力传输轴连接，转向比为l ：1 。方向盘输入小的转向力矩通过 液压功率放大系统来驱动转向轴。再通过杠杆机构间接驱动转向轮。 33 电液动力转向系统 图15 给出了电液动力转向系统( e b p s ) 的原理图。比例电控阀与转向器的流 量放大器相结合，形成了电控液压动力转向阀。此时液压放大器可以同时接受二 个信号( 或输入) ，一个来自液压转向器( 作为前置先导级) ，另一个可以来自 电信号，诸如遥控手柄、远程电信号等等，这二个信号所起的功能与作用是并联 的，即不论哪一个信号进入流量放大器，都会产生相应所要求的转向功能，不过 为了安全起见，从最大安全级别考虑，液压的输入优先于比例电控阎的输入。 电液动力转向系统从本质上讲是在转向系统中增加了e h p s 阀，而对e h p s 阀的 操作则叮通过全液压转向器进行先导操作，也可以通过电液比例先导阀进行操 作从而提高了系统操作的安全性和舒适性，并为近距离有线遥控或操作室外遥 控提供了重要手段“”o “。 图15 电液动力转向系统( e h p s ) 近年来，在工程机械领域出现的的比例多路阀也解决了电控与手控共存的问 江苏大学硕士学位论文 题，那就是比例多路阀的一端使用传统的手控手柄，而另一端对被控制的多路阀 阀芯进行双向电控，这就是基于比例多路阀的比例电控驱动器，即 p v e ( p r o p o r t i o n a lv a l v ee l e c t r i ca c t u a t o r ) ，它也可以用于电液动力转向系 统( e h p s ) 。 在装载机、重型卡车以及联合收割机等行走机械上，经常需要电子助力转向。 基本的转向系统由先导阀和电液转向组合阀块组成，在先导控制机构的作用下， 组合阀块控制输入到转向液压缸的油液，使得先导机构的输入成正例，先导机构 则主要包括方向盘和电子控制手柄。电子信号的输入为微控制器控制奠定了基 础。图1 - 6 a 为无电液比例先导阀的转向系统原理图，图卜6 b 为有电液比例先导阀 的电液转向系统原理图，图1 - 6 c 为带反馈以及c a n 总线的电液转向系统原理图。 从图可以看出，在i 型转向系统的基础上增加方向盘的传感及转向车辆传感器， 通过微处理器与相应软件形成的控制器控s t j p v e ，这就是电控液压动力转向系统 i i 型，或i i 型电液转向系统。i i 型系统就完全具备了自动转向的功能，包括采用 全球定位系统( g p s ) 来进行转向控制。 i 瓣s 转向朔 a 基 王型 图1 6 a 无电液比例先导阀的转向系统图卜6 b 有电液比例先导阀的电液转向系统 驳h 转l 喜l 盘传落嚣 0 8 p l q 嘲。瓣o fp8 位置俺痨嚣_ 一 垒自动转囱 轮子转建 c a n b u 嚣 图1 - 6 c 带反馈以及c a n 总线的电液转向系统 电液转向系统的优点是：转向系统压力较高，转向液压缸的尺寸较小：辅助 8 江苏大学硕士学位论文 阀的低压可以降低系统的噪声；当泵失效时可以实现手动紧急制动，降低车辆的 侧偏加速度；微控制器可以实现无转向漂流，可变转向比，自动转向，以及c a n 总线控制功能。电液转向系统是未来工程机械的转向系统发展的重要趋势之一。 1 3 4 数字式电液伺服转向系统 数字式电液转向液压系统由数字元件作为先导控制元件，通过控制器、数字 先导驱动元件、液压动力元件来控制转向执行机构，实现车辆的转向乜3 儿2 4 1 。如图 卜7 所示转向系统由计算机控制四轮的转向，对于每个转向轮，分别有一套电液 比例阀控制转向液压缸，去驱动转向立轴，从而驱动车轮转向，并由反馈角位移 传感器进行精确定位。理论上内外侧车轮转向应由同一个相应程序计算给出。至 于电液伺服阀电信号电流大小取决于转向机构所输入的转动角度的大小。 图1 - 7 计算机控制的数字转向系统 常用于大功率中置式稳定土拌和机。主要机型有m i r s 5 0 0 ，c m i - r s 4 2 5 。这类 控制系统要求定位精度高，调节时间短，过程无振荡，无超调，抗干扰能力强， 并能实现自适应控制与最优控制乜副。 1 3 5 线控电动转向系统 时代的发展对转向系提出更高的要求，现在国际上又出现开发下一代电动转 向系统的热潮，这就是线控转向系统( s t e e “n g b y w ir e ) 啪m 7 m 8 m 9 瑚m 引。 9 江苏大学硕士学位论文 电- g - 方 向盘梗块 幽18 线控转向系统 如图1 8 所示，线控转向系统主要包括电子方向盘模块，它包括方向盘、方 向盘转角及扭矩传感器和力反馈模拟执行器等；控制器模块，包括主控制单元和 故障处理单元等；转向执行模块。含转向轮转角传感器、转向执行器和转向轮组 件等三个部分。它取消了车辆上原有的方向盘到转向轮之间的机械或液压连接 代之以电气信号的形式对车辆转向进行控制。用传感器记录驾驶者的转向数据， 然后通过数据线将信号传递给车上的微机，微机综合这些信号做出判断后再控 制转向轮的转向角度。紧急情况下，为避免驾驶者的错误判断，这个系统还会忽 略驾驶者的转向输入，平稳地将车保持在最安全的状态。 在工程机械领域，瑞典的卡尔马工业公司率先在集装箱货物转运车上成功地 应用该技术，美国的伊利诺斯州立大学( u n i v e r s i t y o f m i n o i s ) 在卡特彼勒 ( c a k 删砷公司的资助下正在着手s t e c p b y w n 方面的研究上作，s a u e r - d a n f o s s 公司己经开发出套应用t - s t e e r - b y - w t r e 系统的e l e c t r o - h y d r a u l i c p o w e r s t e e 血g 装置“。目前，在国内中科院合肥智能机械研究所在国家8 6 3 计划的资助下j 下在 丌发智能转向控制器，并应用1 4 叉车上。 1 4 数字式转向系统研究的意义 随着我国的现代化建设事q k 迅速的发展，工程机械作为一个年轻的行业在技 术水平、品种数量、产品质量、专业化生产程度、生产规模、用户服务、施工技 术等方面均以高速度向前发展。但是我国的工程机械制造业起步较晚、起点低、 江苏大学硕士学位论文 有些产品的数量、质量、性能尚不及国外同类产品。尽管自“七五 、“八五” 以来，通过引进技术、消化吸收和开发创新，有了自己系列化的工程机械产品， 并较以前有了一个长足的进步，但仍不能完全满足国内建设的需要，也不足以同 国外同类产品相抗衡。目前国外一些高质量、高效率的工程机械，尤其是机电液 一体化的工程机械纷纷挤入国内市场，推进我国民族工业发展的同时也对国内同 类行业提出了严峻的挑战。 为适应我国现代化建设的需要，工程机械产品正向着高质量、高性能、高精 度的方向发展。当今电子技术高速发展，微型计算机的实时控制技术己涉及各个 工业控制的领域，工程机械行业同样也不例外。可编程控制器、工业控制机、工 业级单片机等微型控制器在工程机械上的应用充分显示了它们的作用口3 3 4 1 。目前 国外工程机械产品的控制系统大都采用先进的微型计算机控制器，并且一些大的 公司有了其定型产品，例如萨奥公司和力士乐公司等瞄引。而在国内，尽管一些 大的工程机械厂家为了提高其产品的性能、增加其市场竞争力，在许多工程机械 产品上也采用了微机控制技术，但其控制器件主要依靠进口，没有自己成型的产 品。此种情况在推土机控制系统的应用上体现得尤为突出。因此，为了发展民族 工业，缓解和扭转这种在关键技术上受制于人、国内生产厂家完全依赖进口的局 面，开展转向系统的数字控制器的研究具有特别重要的现实意义。 目前，我国数字式电液转向系统仍然处于研发之中，主要工作尚处于理论探 索阶段，在工程应用上更是处于空白，而且许多工作是处于对国外技术的跟踪， 在理论和工程实践上有许多问题需要探讨，主要集中在以下几个方面。对电液转 向系统精确建模型的建立和性能参数方面的探索不够；电液转换、耦合的驱动与 控制性能没有得到充分的揭示；基于微电子技术的网络控制和远程控制技术的应 用和研究明显落后；由于性能良好的数字式电液单元的产品滞后，使得数字式转 向系统工业化水平不足，也导致了应用研究中存在许多技术问题。 1 5 本论文的主要内容 基于上述原因，本研究主要侧重于对数字式转向系统中核心单元一数字式转 向器的驱动与控制性能的研究。论文主要按以下几个部分展开： 1 ) 通过分析全液压转向系统的工作原理和液压转向器的结构，建立了液压 转向器的流体动力模型、数学模型，对液压转向器的静、动态性能进行了分析， 1 1 江苏大学硕士学位论文 给出了影响静动态性能的因素。 2 ) 其次，建立了数字式电液转向系统的物理模型，并对每个物理模型进行 了数学建模，运用m a t l a b 软件对系统的性能进行了仿真分析，揭示了系统的 控制性能。 3 ) 接着，为了实现数字式电液转向系统，对组成数字式电液转向系统的硬 件的性能进行了详尽的分析，根据系统硬件的配置，设计出相应的软件设计流程， 确保了数字式电液转向系统在软、硬件上的可行性。 4 ) 最后，搭建了数字式电液实验系统，初步进行了数字式电液转向器的性 能实验和控制实验，验证了实施方案的可行性。 1 6 本章小结 本章在介绍车辆技术的基础上，重点介绍了工程车辆中转向技术的发展趋 势，回顾了工程车辆技术的发展历程。指出了开展车辆数字式电液转向技术的研 究的必要性，为后续研究工作提供了依据。 江苏大学硕士学位论文 第二章全液压转向器的数学模型及性能分析 随着大型工程机械的发展，工程机械的功率、重量、作业速度、轮胎尺寸也 相应增加，使得工程机械的转向阻力也相应增加，所以，工程机械广泛采用了液 压动力转向，简称液压转向。目前工程机械上常用的液压转向系统有：机械反馈 随动转向液压系统、全液压转向系统和全液压流量放大转向系统。其中全液压转 向系统具有结构紧凑、转向力大、可靠性高、操作平稳轻便等优点，且加装流量 放大阀后即可组成全液压流量放大转向系统，因此本课题选用全液压转向系统作 为数字式电液转向系统的子系统。 本章在简要介绍全液压转向系统的工作原理的基础上，建立了全液压转向器 的数学模型，分析了其主要性能，为构建数字式电液转向系统及其模型、分析其 动、静态特性奠定基础。 2 1 全液压转向系统的组成及工作原理 图二1 全液压转向系统液压原理图 1 液压泵2 稳流阀3 全液压转向器4 组合阀块5 转向油缸 图2 - 1 为全液压转向系统液压原理图。该系统主要由液压泵1 、稳流阀2 、 江苏大学硕士学位论文 全液压转向器3 、组合阀块4 和转向液压缸5 组成。液压泵提供压力油，单路稳 流阀保证供给转向器的流量相对稳定，即在发动机转速有较大变化时，保证供给 转向器的流量没有大的波动。组合阀块由双向缓冲阀一单向阀组组成，缓冲阀用 于设定油缸的最高安全保护压力，避免转向液压缸受到外部冲击载荷产生过载， 单向阀防止转向液压缸瞬间高速造成的负压吸空。 图2 - 2 液压转向系统的工作原理图 1 液压泵2 油箱3 滤油器4 阀套5 阀芯6 回位弹簧7 计量马达8 转向油缸 9 方向盘 图2 2 为开心无反应型全液压转向系统工作原理图。转阀阀芯5 通过转向轴 直接与方向盘9 相连，而阀体则和计量马达7 的轴相连。系统在中位时，液压泵 1 从油箱2 经滤油器3 将油输送到转阀阀套4 的进油口p ，经阀芯5 中的通道由 转阀出口o 回油箱。此时，阀套4 与阀芯5 之间的回位弹簧6 使两者处于相对 的中位状态。同时，计量马达7 的进出口m 1 和m 2 均被阀芯封闭，故马达停止 不动。转向油缸8 的两组腔室的进出口c 1 及c 2 亦均被阀芯封闭，车轮留在现 有的偏转角位置上。 现以右转向为例：方向盘9 沿实线箭头方向转动q 角，阀被接通，进入阀 体p 口的油流经阀芯中的通道由m 1 口进入计量马达，并经m 2 及阀芯内通道进 入转向油缸迸油口c 2 而到达转向油缸的一组腔室，推动活塞，偏转车轮；转向 油缸的另一组腔室排油经c 1 口进阀芯出口o 回油箱。在油流经过计量马达的同 时，由于马达轴与阀套4 相连，故阀套4 亦沿实线箭头方向作转动，当阀套转角 1 4 江苏大学硕士学位论文 达到q ，即计量马达产生的反馈信号消除了阀芯相对阀套的输入信号q 时， 阀套与阀芯的阀口重新处于相对的中位。油流不再流入计量马达，车轮停止偏转。 左转向时，方向盘沿虚线所示的箭头方向转动。工作原理与向右转相同。 2 2 全液压转向器的结构及工作原理 全液压转向系统的核心元件是全液压转向器，按转向器中随动转阀型式的不 同，转向器可以分为开心无反应型、开心有反应型和闭心无反应型三种基本型式。 目前国内用的全液压转向器一般为摆线转阀式，它是由随动转阀和一对摆线针轮 啮合副( 计量马达) 组合而成的液压控制元件，其工作原理如图2 3 所示。全液压 转向器在工作原理上类似于机械反馈的手动伺服阀，当方向盘转动、向转向器发 出指令时，转阀的阀芯相对于阀套产生运动，压力油从p 口流过计量马达经a ( b ) 口到转向液压缸的工作腔，液压缸回油腔的油液经b ( a ) 流过t 口回油 箱，转向液压缸驱动转向系统进行工作。油液流经计量马达时通过机械反馈作用 带动转阀阀套跟踪转阀阀芯的运动，形成机械负反馈，使得刚刚打开的阀口趋于 关闭。因此，可以通过方向盘的左、右旋转控制转向液压缸做伺服运动，达到转 向的目的。 图2 3 摆线转阀式全液压转向器原理图 全液压转向器的结构如图2 - 4 所示，主要由以下几部分组成： 转阀：阀芯、阀套和阀体组成旋转随动阀，控制油液的方向，阀芯是直接与 方向盘的轮轴机构连接的。 计量马达：计量马达主要由转子和定子组成的一对内啮合齿轮，即摆线针轮 啮合副构成，在动力转向时起流体机械转换的作用，保证流进转向液压缸的油 江苏大学硕士学位论文 量与方向盘的转角成正比。它由定子5 和转子6 等主要零件组成。定子1 固定不 动，安装在阀体下端，有七个圆柱齿；转于在定子内旋转，有 个齿，通过中心 花键槽与联动轴相连。计量马达的齿形是等距圆弧外摆线出，出廓形状能保证转 子曲线上每一点均为啮合点，这样的齿形能保证转子曲线和定子曲线在任何时候 都形成七个相互隔开的腔室。这一对齿轮组成了一齿差行星机构。 机械反馈系统：连接转子和阀套的鞋动轴及拨销，在动力转向时保证阀套与 转予同步，在人力转向时起传递扭矩的作用。弹簧片的作用是确保不转向时随动 阀回中。 图2 _ 4 全液压转向器的结构图 1 阀体2 阀套3 闷芯4 弹簧片5 定子6 转子7 拨销8 联动轴 进、回油之问的单向阀，在人力转向时，把转向油缸一腔的油经回油【i 吸 入进油口，然后通过摆线针轮啮合副再压入油缸的另一腔。而在动力转向时确保 油液小从进油口直接流向回油口。 江苏大学硕士学位论文 2 3 全液压转向器的数学模型 2 3 1 建模假设 为尽可能准确建立转向系统数学模型，在不影响转向系统性能的基础上做如 下假设： 1 ) 油液的密度、粘度、弹性模量、阻尼孔的流量系数为定值； 2 ) 不计泄漏流量； 3 ) 忽略系统中换向阀和单向阀的局部损失； 4 ) 不计回油阻力；不计沿程阻力； 5 ) 两转向油缸几何尺寸完全相同，具有相同的位移和速度。 2 3 2 左转向系统数学模型 在理论上，由于全液压转向系统左转向模式与右转向模式的对称性，工作原 理完全相同，只是油路流向和工作油缸不同，其数学模型、结构参数完全相同， 因此，在建立转向模型时，以左转向为例分析转向系统特性，右转向时转向系统 特性可参照左转向时转向系统特性进行分析啪儿3 刀啪儿矧呻。 图2 - 5 左转向时的简化油路 1 7 江苏大学硕士学位论文 图2 - 5 所不为饭馁左转i 司时简化的油路图，a 表不孔p 1 与扎h 所彤成的节流 1 3 ，即从转向器的p1 3 直接到01 3 流回油箱；b 表示孔短槽i 与双号h 孔所形 成的节流1 3 ；c 表示双号h 孔与阀体上a 孔所形成的节流1 3 ；d 表示阀体上a 孔与单号h 孔所形成的节流口；e 表示单号h 孔与阀芯上槽j 所形成的节流口