（机械设计及理论专业论文）工程机械4ws系统及数字控制器研究.pdf

摘要 车辆的转向性能是车轮性能的重要方面，而四轮转向是提高车辆主动安全的 重要手段之一，对车辆4 w s 研究具有极其重要的意义。 本文在收集整理国内外4 w s 液压转向技术的基础上，一方面研究了四轮转 向系统的组成、特点与工作原理，自主研究开发了4 w s 综合试验平台。该试验 平台具有机电液体化高新技术特征，既可以完成液压系统的动静态性能研究， 还可以完成转向控制系统控制策略、控制模式、控制方式研究。 通过对4 w s 综合试验平台动力学、运动学理论分析研究，建立了该试验平 台的理论数学模型，利用m a a b 语言建立了仿真模型，完成了试验平台的动 态特性仿真； 另一方面对4 w s 转向系统的控制策略和控制方法以及p i d 算法进行了全面 的分析和研究，完成了基于d s p 的转向控制器设计，完成了控制器的硬件设计， 并利用c c 2 0 0 0 软件完成了控制器的软件设计： 通过4 w s 试验平台及数字控制器的实验研究，表明4 w s 试验平台具有很好 的动、静态特性，推导出了实验传递函数。通过对实验结果与仿真结果的比较分 析，表明建立的数学模型是正确的：同时通过对数字转向控制器室内模拟试验表 明，该数字控制器可以完成四轮转向系统的前轮转向、全轮转向以及蟹行转向工 况工作以及系统自检、显示、通讯和故障诊断等基本功能，而且转向操作既满足 转向角度和转向时间的关系，又满足了转角和p w m 占空比的对应关系，表明设 计的基于d p s 的数学式转向控制器方案可行。 论文的研究为工程机械4 w s 工程化应用以及数字控制器的开发提供了理论 依据，尤其对中置式中低速大扭矩轮式工程机械的4 w s 开发、制造具有实际意 义。 关键词：四轮转向系统转向控制器动态特性p i d 算法d s pm a t l a b 仿真 a b s t r a c t t h es t e e r i n gc h a l a c t e r i s t i t so fv e h i c l e sa l ei m p o r t a n ta s p e c t st h a tc a ni r e p r o v e t h ea c t i v es a f e r e s e a r c ho nt h e4 - w h e e ls t e e r i n gh w s ) s y s t e mh a si m p o r t a n t s i g n i f i c a n c e 1 1 1 es t r u c t u r ea n dw o r k i n g p r i n c i p l eo f4 w s a r e r e s e a r c h e d ；4 w sc o m p r e b e n s i v e t c s tb e n c hi sd e v e l o p e di n d e p e n d e n t l y ；t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h et e s tb e n c hi s s e t u p ，s i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e du s i n g l 1 l a b ，a n dt h ed y n a m i cs i m u l a t i o n s a l ec o m p l e t e d t h ec o n t r o ls t r a t e g ya n dc o n t r o l l i n gm e a n so f4 w ss y s t e ma t e a n a l y z e da n ds t u d i e di nd e t a i l ，t h es t e e r i n gc o n t r o l l e rb a s e do nd s pi sd e s i g n e d ， s o r w a r ea r ep r o g r a m m e du s i n gc c 2 0 0 0 t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ft e s t b e n c ha n dd i g i t a lc o n t r o l l e r , t h er e s u l t si n d i e a t et h a t4 w st e s tb e n c hh a sb e t t e r d y n a m i ca n ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h ee x p e r i m e n t a lt r a n s f e rf u n c t i o ni sd e r i v e d n 塘m a t h e m a t i c a lm o d e le s t a b l i s h e di sc o r r e c ta c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fe x p e r i m e n t s a n ds i m u l a t i o n 1 1 l ei n d o o rt e s tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed i g i t a lc o n t r o l l e rc a nc o m p l e t e s u c hf u n c t i o n sa sf r o n tw h e e ls t e e r i n g , 觚1w h c e ls t e e r i n ga n dc r a b - c r a w ls t e e r i n g s y s t e ms e l f c h e c ka n df a u l t sd i a g n o s i s t h es t e e r i n gs y s t e mc a nm e e tt h er e l a t i o n s h i p o fs t e e r i n ga n g l ea n ds t e e m gt i m e , a l s ot h er e l a t i o n s h i po fs t e e r i n ga n g l ea n dp 、m d u t yr a t i o t h ec o n t r o ls c h e m eo fd i 【西t a is t e e r i n gc o n t r o l l e rb a s e d0 1 1d s pi sf e a s i b l e 1 1 1 er e s e a r c hp r o v i d e st h e o r e t i c a l 咒f e r e n c c sf o ra d p l i c a t i o no f4 w si nc o n s t r u c t i o n m a c h i n e r i e sa n dd e v e l o p m e n to f d i g i t a lc o n t r o l l e r k e yw o r d s ：4 - w h e e ls t e e r i n gs y s t e m ；s t e e r i n gc o n t r o l l e r ；, d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s p i da l g o r i t h m ；d s p ；m a t l a bs i m u l a t i o n 第一章绪论 车辆的转向性能是车辆性能的重要方面，因此车辆的转向性能对车辆而言至 关重要。本章简要论述了四轮转向车辆技术的现状、发展和趋势，提出了研究的 主要问题。 1 1工程机械全液压4 w s 的研究背景及意义“州 传统的四轮车辆行驶一般采用由方向盘控制前轮进行转向，前轮之间的转向 同步是靠机械的刚性连接方法来实现。前轮转向车辆存在的一个问题是转弯半径 较大，无法在狭窄的空间内实现转向要求，其使用受到一定的限制。并且在低速时 转向响应慢，转向不灵活；在高速时转向稳定性差等缺点。为了改善车辆方向操纵 性，提高车辆行驶稳定性，进而增加其舒适性和安全性，国外开始研究开发四轮转 向系统( 4 w s ) ，如日本先后推出的4 w s 样车：丰田、马自达等。日产车辆公司所开 发的高性能主动调整式悬挂h i c a s ( h i g hc a p a c i t ya c t i v i t y c o n t r o l l e ds u s p e n s i o n ) 系统就采用了四轮转向的高新技术，以达到在各种不同的路况下都能够有灵敏的 转向反应以及优异稳定性。经过改进的第2 代h i c a s 适用于日产车辆的新式多 连杆悬挂系统，命名为h i c a s ，并于19 8 8 年首次在全新的西尔维娅( s i l v i a ) 牌车系 上使用。使4 个车轮都起转向作用，是提高车辆转向机动灵活性和高速行驶操纵 稳定性的重要措施之一，它也是车辆主动控制形式之一。进入上世纪九十年代， 随着电子工业的发展，使得电子技术广泛应用于提高车辆总体性能上，尤其是改 善车辆操纵稳定性方面，加上现代控制理论的应用，以及计算机模拟仿真技术的 融入，使得4 w s 发展更加成熟、应用更为广泛【l l 。 4 w s 有如下优点【l j ：1 ，低速转弯时转向半径小，车辆的灵活性高。2 ，高速 行驶时能迅速改变车道，车身又不致产生大的摆动，减少了产生摆尾的可能性，使 司机更容易控制车辆的姿态。但是，时至今日这项技术还未在商用车辆上得到广 泛的应用。主要原因是生产成本问题，即增加后轮转向系统会提高整车的造价：其 次是技术问题，虽然四轮转向技术已经取得了不少进展，但是在运用现代控制理论 进行车辆转向控制规则的确定和控制方法的选择时，主要是依靠经验，相应的理论 依据还很缺乏。车辆系统含有丰富的非线性因素，考虑到这些非线性因素时，车辆 系统更加趋于复杂，仅仅依靠经验是不够的。另外在车辆四轮独立转向控制中，由 于在各个车轮之间无刚性的转向机械连接机构，车辆在转向行驶过程中，如果车轮 间的转向速度不同步或车轮转向停止时的位置不同步，都将导致车辆无法正常行 驶，严重时将导致车辆行走机构的损坏。因而，对于四轮转向车辆，如何控制车轮的 转向速度与位置同步是一个亟待解决的具有实际工程意义的重要课题。因此，开 展车辆四轮转向技术的理论研究，对于促进四轮转向技术的发展和应用有着积极 的意义。 由于工程机械自身结构的限制，加上施工场地狭窄以及施工工艺要求，工程 需要的车辆行驶速度可以很低，但转向的功能要求很高，一般普通两轮转向车辆难 以实现。由于四轮转向车的转弯半径明显小于前轮转向车( 最高时可以缩小一半) ， 为了提高车辆转向的灵活性，对四个车轮分别进行独立转向控制已在从国外引进 的工程车辆上得到实际应用( 如美国的c m i 和德国的w l r i t g e n 公司中置式稳定 土路拌机和四履带水泥摊铺机以及沥青路面铣刨机等) 。而目前国内对这一技术 的研究还处在起步阶段，基于对工程机械转向系统的基本要求，同时兼顾经济性 与实用性的要求，设计并研究四轮转向控制系统有着极其现实的意义。 四轮转向的几种定位及方向盘操纵方式【1 j ：实际的四轮转向可以是定位转 向和方向盘操纵转向等。 a ) 定位转向：定位转向是通过按钮控制将轮位置于预定角度的转向。为了 满足工程需要，工程车的定位转向设计成具有如下功能：纵向肓舻行泓蝴斌e 味俑， 横向行晚绕韩心行驶等如图1 - 1 。 口圈园目目 向前厅壤冉对角m 向j t a 胡行t 车好奠 图1 - 1 工程车按钮控制的定位转向功能 b1 方向盘操纵转向：方向盘操纵转向是在运动过程中用方向盘控制轮位的 转向。工程车方向盘操纵转向设计成具有如下功能：前轮转向( 前轮左右同向的转 向) ，后轮转向( 后轮左右同向的转向) ，前后轮同时转向( 前后轮反方向转动，角度大 小相等，方向相反) ，前扇形行驶与后扇形行驶( 扇形运动靠前、后轮的转动角度不 同而实现，前后轮分别在扇形的内、外弧线的切线上行驶) 等，如图l 一2 。 图1 - 2 工程车方向盘操纵的转向功 目一目一 园 四一同u 一 1 2 转向系的国内外发展现状 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，常采用 全液压转向系统。由于微电子技术日新月异及其向机械工业的渗透所形成的机电 一体化，使机械工业的技术结构、产品结构发生了巨大的变化，使工业生产由“机 械电气化”迈入“以机电一体化”为特征的发展阶段。电子控制技术已经成为工 程机械技术创新的主流。相应的电液转向控制系统由于其响应快，转向精度高等 优点越来越多的应用于工程机械中。下面介绍一些典型的转向系： 图1 5 流量放大型转向系 图1 6 扭距放大型转向系 流量放大型( o s o j ( 图l - 5 ) ：在大型的机械和轮船中，转向单元用流量放大 器来实现。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， 泵的输出油流按比例分配，以保证转向轮有足够的油流驱动转向液压缸，剩余油 流用于其他工作装置。 扭距放大型( t a q ) ( 图1 6 ) ：此类型转向系是一机液系统。方向盘和转向轮 之间用一轴连接，此时转向比为1 ：l 。方向盘靠液压系统来驱动转向轴，间接驱 动转向轮。 2 电液转向系( e t t p s ) ( 图1 7 ) ： 在装载机、重型卡车以及联合收割机等重型机械上，经常需要电子助力转向。 基本的转向系由先导阀和电液转向组合阀块组成，组合阀块控制输出到转向缸的 油流与先导阀的输入油流成正例。此系统还可用控制手柄实现电子信号输入，以 及加入微控制器实现电子信号输入。图1 7 a 为无先导阀的电液转向系，图1 7 b 为有先导阀的电液转向系，图1 7 c 为带反馈以及c a n 总线的电液转向系 图1 - 电液转向系 电液转向系的优点：很高的转向压力只需要较小的转向液压缸；辅助阀的低 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 接口等。在现实的转向系统中，更多的是应用电液转向系来实现工程机械的转向 功能。 3 数字式电液伺服转向系统 数字式电液伺服转向液压系统构成如下图：该转向系统，由一台计算机控制 四轮的转向，四个车轮独立支撑，分别驱动与转向，常见的机型有c m i - r s 5 0 0 、 c m i r s 4 2 5 大功率中置式稳定土拌和机，其工作系统如图1 - 8 所示。 “。匠p 图卜8 数宇式转向系统示意图 对于每个转向轮，分别有一套电液比例( 伺服) 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 外侧车轮转向应围绕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( 方向盘) 转动角度的大小。这类控制系统要求定位精度高，调 节时间短，过程无振荡，无起调，抗干扰能力强，并能实现自适应控制与最优控 制。微机控制的数字随动式全轮转向控制系统中每一转向轮的转向数字随动系统 原理如图卜9 所示： 图卜9 数字式转向随动系统框图 1 3国内外四轮转向控制系统的研究现状及发展方向 四轮转向系统按照其结构可以分为：机械式、液压式、电动式和复合式。而 且前它的控制系统的研究方法有以下几种： ( 1 ) 前后轮转向比四轮转向系统： 皇l l 髻 蝌 1 9 8 5 年s a n o 等用线性模型来研究四轮转向系统。他们定义k 为前后轮转向 角度之比。k 0 ，则前后轮偏转方向相同。他们认为通过k 值的选择应使稳态转 向时侧偏角为零。在低速时应k 0 。 ( 2 ) 前后轮转向比是前轮转向函数的四轮转向系统 这是一种结构简单而且效果良好的系统。该系统同时具有同相位及反相位转 向功能。其前后轮转角关系如图1 1 0 所示： 一t 憎，r l 图卜1 0 前后轮转角关系 这种四轮转向系统在极限工况下高速且前轮转角较大时，后轮转角和前轮转角 方向相反将导致操作稳定性极度恶化。而且，当前轮转角较小时前后轮转向 比较大，车辆的操作稳定性受到很大的影响。鉴于这一大缺点，该系统没有得 到广泛应用。 ( 3 ) 前后轮转向比是车速函数的四轮转向系统 这是s h l b a h a t a 等设计了一套实用的四轮转向系统。该系统采用微机控制， 前后轮转向比为车速和前轮转角的函数。其计算前后轮转向比的出发点是为了使 车辆稳态转向时的侧偏角为零。 同样，t a l 【i g u c h 等也设计了一套类似的四轮转向系统，前后轮转向比也是车 速和前轮转角的函数。其设计的出发点是使侧向加速度相位滞后与横摆角速度相 位滞后相等。实验表明，通过这种方法选择的k 值能够基本在所有的车速范围 内，改善车辆的转向响应。 ( 4 ) 具有一阶滞后的四轮转向系统 这是f u k a n a g a 等在实验的基础上设计出的四轮转向系统。前几种4 w s 系统 可以有效地改善车辆转向的稳态特性，但却使横摆角速度和侧向角速度达到稳态 值的时间有所延长。这种系统设计的出发点是为了既改善车辆的稳态特性，又不 以牺牲瞬态时间响应为代价。当车辆高速转向对，后轮比前轮在转向时要延迟一 定的时间，当横摆角速度或者侧向加速度达到稳态值，后轮才开始转动。后轮转 i，麓毒雹 动时车辆的稳态侧偏角减小，并对其超调量等瞬态特性也有一定的改进。1 9 8 5 年日本汽车公司推出的世界上第一套用于轿车的四轮转向系统，第一代 h i c a s ( h i g hc a p a c i t ya c t i v i t y - c o n t r o l l e ds u s p e n s i o n 高效主动控制悬挂) 的地平 线牌车就是属于这种系统。 ( 5 ) 具有反向特性的四轮转向系统 n i s s a n 公司的t a k a a k ie g u c h i 等在设计超h i c a s 系统时对具有反向特性四 轮转向系统进行了研究，其设计的着眼点在于同时改善车辆转向的稳态特性以及 瞬态特性。当车辆在高速转向时，后轮先向与前轮转向方向相反的方向转动，这 样横摆角速度和侧向加速度动态响应加快，二者很快达到稳态值，这样两轮再向 相反的方向转动，以改善车辆的稳态响应特性和方向特性。 ( 6 ) 具有最优控制特性的四轮转向系统 上述5 种控制方法明显的缺点在于当附加了后轮转角之后，车辆本身的横摆 角速度稳态增益和侧向加速度增益，随车速和前轮转角发生了较大幅度的变化 ( 前后轮转向同相时，横摆角速度稳态增益和侧向加速度稳态增益减小，前后轮 转向角反向时，横摆角速度稳态增益和侧向加速度稳态增益增大) ，这就增加了 操作的难度，同时在高速的时候增加了驾驶员的疲劳强度。 其中最为典型的是y a s u j is h i b a h a m 等研究的具有最优控制特性的四轮转向 系统，其原理图如图1 1 1 所示： 图1 - 1 1 具有最优控制特性的四轮转向控制系统原理圈 该系统采样最优控制原则对前后轮进行控制，其目标函数为车辆转向的理想 状态。即横摆角速度的稳态增益和侧向加速度的稳态增益与传统的前轮转向相 同，也就是要保持驾驶员的驾驶感觉不发生较大的变化。同时使横摆角速度和侧 向加速度的相位之后为零，且使二者的幅频特性在相当大的范围内保持恒定。但 这种控制方法使车辆的转向特性随着车速的变化而发生较明显的变化，这就对该 系统的应用造成一定的困难。 前面的几种控制方法，都是采用古典控制理论，其局限性在于这些系统不能 较好的适应车辆本身特性的非线性或者随机性变化，不能适应车辆道路系统特 性的线性或者随机性变化。而把四轮转向系统应用到工程机械领域，既要考虑到 转向车辆本身的特殊性，又要考虑到工程机械作业环境以及作业功能的特殊性， 要在这样的条件下实现更为有效的控制，控制系统应具有自学习、自适应能力， 即随着被控对象的变化而改变控制器的结构和参数，改变控制规律，改变控制算 法，这样一个四轮转向控制系统才能满足各方面的要求。 1 4 本论文研究的主要内容 本文的研究内容： 与国外相比，国内在工程机械四轮转向方面所做的研究不多，尤其在控制技 术( 包括数字转向控制器) 方面的研究几乎处于空白，而且与国外的差距越来越 大。 本课题主要立足于国内技术水平，追踪国外的先进技术，开发研究适合中国 国情的工程机械四轮转向控制系统及数字式转向控制器，根据要求，本人主要完 成了以下几个方面的研究内容： 1 调研整理国内外工程机械四轮转向方面的研究成果，分析了工程机械四 轮转向系统的特点、组成、功用、工作原理，总结扩控制系统的控制方式，控制 模式，控制规律。 2 开发设计工程机械四轮转向综合实验平台，该平台具有液压转向系统， 液压阻力矩加载系统，用于模拟路况的气动振动系统。数字式转向控制系统，以 及台车架，该平台可以进行液压系统研究，也可进行控制系统研究。 3 对全轮转向系统进行转向运动学及动力学分析，提出面对工程条件下的 四轮液压转向系统的参数计算，以及元件选型。 4 建立四轮转向系统分部分的数学模型。 5 迸行模型整合及优化，利用m a f l a b s i m u l i n k 软件及其组件s i m m e c h 对系 统模型进行动态仿真； 6 完成基于d s p 转向控制器设计，进行控制器的硬件设计与研究， 7 进行4 w s 控制系统控制器软件设计与研究。 8 进行相关的实验研究。 第二章4 w s 电液控制系统试验装置开发 2 。14 w s 电液控制系统试验装置的原理 该试验装置是一套数i 宁式全轮转向电液控制系统，它将电了技术、液压技术 及计算机技术有机地结合在一起，实现转向控制的智能化、自动化、比较高的安 全性及可靠性。具有机电一体化新技术特征，具体体现在以下儿方面： 1 工作模式及状态的手动、自动设定； 2 控制系统的状态监测及其自诊断； 3 转向过程的自适应和最优控制。 试验装置主要由转向系统、加载系统、气动振动系统和电气控制系统等网部 分组成，其外观如图2 一l 所示。下面分剐介绍工作原理。 图2 一删s 电液控制系统试验装置外彤 2 1 加载系统的原理 设计加载系统的扛要日的，是在实验誊模拟试验的条件f ，给控制系统旌加 一定的载荷。因为存实验室试验过程中，试验装置的负载比较小，不能很好地模 拟工程机械作业负载大，环境差的实际工况。为了尽量使试验接近工程杌械的自 实作业状况，我们设计了这套加载系统。 埔女e # # 女镕壮 自# 监 图2 - 2 加载系统原理图 9 加载系统主要由加载油缸、压力表、“溢流阀”、单向阀、滤清器及补油装置 等组成，系统原理图如图2 2 所示。 。 现将其工作原理简单说明如下：当系统需要加载时，补油装置向系统供油， 供油压力可由溢流阀确定。各个加载缸的压力是相互独立的，可以分别由对应的 溢流阀调定，并通过相应的压力表显示出来。综合所述，不难看出，这套加载系 统使得我们能够人为地控制系统的载荷。更为可贵的是，各个加载缸的压力是相 互独立的。因此，可以通过调整各溢流阀的压力，对各个转向轮施加不同的载荷， 这对模拟工程机械作业时路面环境差：颠簸不平，从而造成各个转向轮的负载不 同是非常实用的。 2 1 2 气动振动系统的原理 之所以为试验平台配置一套气动振动系统，是因为在实验室模拟试验时，无 法达到工程机械工作路面不平、机体颠簸厉害、振动大等真实的工作状态，用该 气动振动系统给试验平台施加随机振动，从而来模拟机械实际的工作路况，以便 使试验更具有实用性。 该气动振系统主要由振动气缸、调节开关等器件组成。其系统原理图如图 2 3 所示。 图2 - 3 气动振动系统原理图 系统工作原理如下：当系统需要振动时，只需接上空气压综合机和电源， 打开调节开关，就可以产生随机的振动力。并且，我们使用的调节开关是三位开 关，不仅可以调节振动频率，而且可以调节振动力的大小，这样就可以模拟不同 的路况，使得这套气动振动系统更具有实用性。 该系统工作压力范围是o 3 0 8 m p a ，工作温度为1 0 c 8 0 c ，可见基本上 能够满足工程机械作业的要求。 2 1 3 转向系统的原理 转向系统是这套控制系统的一个重要环节，它设计得是否合理直接影响系统 的控制性能。对这套系统来说，要求转向系统跟随精度高，响应速度快，并且要 有一定的稳定性储备。因为工程机械作业环境差，所以要求转向系统具有较好的 抗干扰的能力。 设计时，我们尽量较好地满足了上述要求。这套转向系统主要由转向液压缸、 流量控制伺服阀、滤清器、液压泵、电机及溢流阀等组成，共原理图如图2 _ 4 所 刁i 。 1 2 i 、2 、3 、4 各轮转向缸5 、6 、7 、8 沉量控制伺服髑9 、1 0 油压计1 1 单向阀 1 2 细滤器1 3 溢流阀1 4 粗滤器1 5 液压泵1 6 冷却器 图2 4 转向系统原理图 其工作原理说明如下：当方向盘发出转向指令后，由控制器经过计算、分析 向流量控制伺服阀发出信息，控制阀的开度。同时，由液压泵向系统供油，通过 流量控制伺服阀来控制各个转向缸的流量和压力，从而控制各个转向轮的偏转角 度。各个转向油缸的压力可由对应的溢流阀调定，并通过压力表显示出来。由于 我们研究的是四轮转向系统，所以此转向系统采用并联联接，以便四个轮能够独 立转向，互不干扰。 为了提高控制精度，四个转向轮上均装有非接触式霍尔效应传感器，通过传 感器把各轮的实际转角反馈给控制器，控制器再经过计算、分析，重新发出指令 信号纠正希望转角与实际转角的偏差。这样，整个系统形成闭环回路，满足了 高精度的要求。 影响该转向系统响就快速性的主要元件是伺服阀的固有频率。因此，在设计 试验平台时，我们特意选择萨澳公司生产的k v f b a 5 2 1 0 型流量控制伺服阀。这 种阀是萨澳公司专门为d c 2 微控制器配套生产的，固有频率高，响应速度快。 而且，它的线性度较高。抗干扰能力强，稳定性好。基本保证了该转向系统具有 较快的响应速度和较好的稳定性。顺便说一下，本文所做的试验也恰恰验证了这 一点。 2 1 4 电气控制系统的原理 电气控制系统是此试验平台的又一重要环节。它主要由d c 2 四轮转向控制 器、霍尔效应非接触式传感器、流量控制伺服阀、五位选择开关及转向输入传感 器等电器设备组成，其布置方法如图2 5 所示。 图2 - 5 电器系统布置图 1 霍尔传感罄( 右后轮) 2 霉尔传感罂c 左后轮) 3 霍尔传感器( 左前轮) 4 霍尔传感器( 右前轮) 5 油泵电机( 1 5 k w ) 6 冷却装置 7 伺服阀( 右前轮) 8 伺服阀( 左前轮) 9 伺服阀( 右后轮) l o 伺服阀( 左后轮) 1 1 泵站接线盒1 2 动力接线盒 1 3 转向输入传感器1 4 五位选择开关1 5 四轮转向控制器 1 6 ，转接端子捧1 7 加载系统滤油器1 8 伺服系统滤油器 1 9 蓄电池 其工作原理如下：由方向盘输入转向指令信号，经转向输入传感器传至d c 2 微控制器，再由该控制器分析、计算以后，将指令信号发送到流量控制伺服阀， 从而由伺服阀分别控制各个转向缸的流量，从而达到控制转向角度的目的。在四 个转向轮上分别安装了霍尔效应非接触式传感器，将转向轮的实际转角分别送到 控制器，以便控制器对其分析、计算后，重新发出命令信号，纠正各个轮的转角 偏差。如此循环，便形成闭环回路，从而提高了控制精度。 2 24 w s 电液控制系统试验装置典型元件 此电器控制系统虽然重要，但其工作原理却很简单，这里就不再多说。在此， 我想介绍一下k d c 2 0 6 0 型d c 2 微控制和m c x l 0 3 d 1 0 1 7 型霍尔效应非接触式传 感器的性能。因为它们是整个电控系统的灵魂，其性能好坏直接影响电控系统性 能的优劣。 2 2 1d c 2 微控制器 d c 2 微控制器器具备高响应速度和能量，可以作为一个标准控制器或者与 其它相似的控制器结合，作为网络控制器，通过一个高速控制器局域来控制多路 电液系统。 d c 2 结合闭环调速和马达控制非常适合用于双向液压驱动系统，另外，利 用伺服阀和比例流量控制阀的闭环位置控制系统是很容易完成的；类推到四个方 向的伺服回路也可以完成。 这种控制器适合于多种模拟量和数字量传感器，例如：电位器、霍尔效应传 感器、压力传感器、脉冲采集和编码器。 由安装在d c 2 的程序存储器里的软件来定义它的i o 性能及控制性能。这 些软件通过r s 2 3 2 口可从另一台计算机上下载所要求的代码来进行安装。可重 新编程能力，提供了设备高标适应能力：在工厂或者现场均可编程。 d c 2 控制器由集成在铸铝机架内的电路板构成。它由三个连接端子，p 1 、 p 2 、p 3 指定用作电联结引脚。p 1 ( 3 0 针) 和p 2 ( 1 8 针) 用作主要i o 和电源端 子；p 1 和p 2 结合在一起座位8 针板式安装插头，这个插头的针突出于其底部。 p 3 是为r s 2 3 2 通讯( 如重新编程、显示、打印机和终端) 准备的一个圆形联结 端子。 d c 2 控制器具有以下几个特点： 1 多回路控制能力可控制4 个双向伺服回路或者2 个双向伺服回路和4 个 单向伺服回路。 2 强大的1 6 位i n t e r 微处理器使得该控制器既快速又通用，并且能够实 现用较少组件控制多种设备。 3 控制器局域网可提供高速串行通讯，最多可连结1 6 个由其它控制器组成 的局域网兼空设备，并符合s a e 网络c 级技术参数的速度要求。 4 在应用中可以发现，坚固的铸铝机架经受得住周围恶劣环境的考验。 5 铸铝机架表面的四字符l e d 显示可提供安装信息、刻度和纠错程序。 6 完备的供给电源，利用后备电池可提供瞬间反向保护和负载断电保护， 供给电源的范围约为9 3 6 v 。 7 与其它设各进行数据通讯。如显示、打印、终端或通过r s 2 3 2 与个人计 算机连接。 8 通过一个内部5 0 针接线端子，为用户的i o 扳进行扩展。 d c 2 控制器的技术参数如下： 输出： ( 1 ) 2 路小电流：双向电流驱动装置( 给一个2 0 欧姆的负载，提供最大 2 7 5 m a 的电流) ，保护接地。 ( 2 ) 4 路大电流：3 安培驱动装置，可在o n o f f 或p w m ( 脉宽调制) 下 控制。这些可用来驱动1 2 或2 4 vd c 开关电磁阀、伺服阀或比例阀。短路电流 限制在5 安培以内。 输入： ( 1 ) 4 号模拟量( 典型范围0 - 5 v d c ) ：专门用作传感器输入( 1 0 位分辨率) ， 保护接地。 ( 2 ) 4 路速度传感器( 接直流电) ：用作速度脉冲采集和编码器，其中任一 路可配置用作一般模拟量输入。 除此以外，d c 2 控制器还具有以下优点：通过局域网( c a n ) 与其它局域 网兼容的设备通讯( 当通讯距离为4 0 米时的编程速率达到1 m 字节秒) ；供电 电源电压范围9 3 6 vd c 具有短路保护的5 v 直流稳压器向外部传感器供电( 最 大为0 5 a ) ；5 6 k 的程序储器和用2 5 6 字节永久串口e 通讯的8 kr a m ，e e p r o m 可允许1 万次擦涂编写；4 字符的字母数字l e d 显示，共有2 个l e d 指示器： 一个用于电源显示，另一个显示软件控制的故障或状态指示：4 8 针板式安装的 m e t r i c p a ki ，0 连接器，与3 0 针、1 8 针电缆连接器相匹配，6 针圆形m s 连接器 用r s 2 3 2 通讯；工作温度：- 4 0 ( 2 7 0 c ；湿度：9 5 的相对湿度和承受短期高 压冲洗时的湿度，振动：共振动频率为5 2 0 0 h z ( 每一个共振点从1 1 0 g 运 行，一百万次循环) ：冲击：3 坐标系下1 8 次冲击，1 1 m s 达到5 0 g ：电器特性： 能承受短路、相反极性、过电压、瞬时电压、静态放电及e m i 和负载断电。 2 2 2n c x l 0 3 d 1 0 17 霍尔效应角位移传感器 m c x l 0 3 d 1 0 1 7 霍尔郊应角位移传感器采用铝制机架，内装一个非接触式霍 尔效应传感器，通过轴套支撑输入杆。这种传感器主要有以下几个特点： 1 非常触传感器可以经受住高强度的打击和振动。 2 它的输入电压适用于微控制器电路。 3 它的寿命长，具有非常广泛的应用价值。 4 其设计可经受住下列作业环境：- 4 0 1 2 至8 5 运转环境：9 5 的相对湿度； 非高速公路振动标准：采用静态放电，使e m i 和r f i 实现保护。 其技术参数如下： 输入电压：5 0 8 0 vd v 1 4 旁路负载：5 磅旁路负载1 0 0 万次循环，使用寿命不受循环次数的限制。 磁滞现象：可以忽略 最大输出负载电流：l m a 线性度：超过额定角度近似4 - 3 ，由于输出与输入角度的正弦成比例，所 以通过应用较小的角度可以获得较高的线性度。 工作温度：_ 4 0 8 5 存储温度：5 5 1 2 5 温度稳定性：在4 0 8 5 c 之间的零点漂移：每度漂移为0 0 2 8 在4 0 c 8 5 c 之间的增益漂移：每度漂移为0 0 2 5 2 34 w $ 电液控制系统的实现 该试验装置控制系统从结构上分为输入部分、处理部分和输出部分三大部 分。如图2 - 6 所示： 输入部分：本试验装置控制系统的输入信号分为两大部分：一是将转向传 感器的输出信号作为输入信号，其来源是方向盘的转向角度，二是将四个转向轮 的实际转向角度作为输入信号，其来源是相应转向轮上的霍尔效应非接触式传感 器的输出信号作为输入信号。这样对四个转向轮的控制系统就构成了闭环控制系 统，有利于提高控制精度。 处理部分：这部分是整个控制系统的核心。由输入部分获取机械行驶状态 信息参数，即方向盘转角和四个霍尔效应传感器的输出信号，分析并处理得到相 应的四个转向轮的转向角度信息，为输出部分提供具体的执行指令。在这里，控 制器与霍尔效应接触式处传感器皆是由萨澳公司提供的，其性能指标参见第二 节。 输出部分：具体的执行机构，完成处理部分提供的执行指令。这部分主要包 括叶片泵、流量控制伺服阀、转向液压缸及各个转向轮。为了使执行机构能充模 拟路感，我们专门设计一套加载回路和一套气动振动回路，以便使试验尽量接近 工程机械的实际工作状况。 综上所述，我们不难看出，该系统是数字控制系统。通过旋转五位转向模式 控制开关，能够使该试验平台进行前轮转向、全轮转向及蟹形转向。而且，通过 位置反馈形成闭环控制回路。从而提高了转向精度。由于安装了加载系统和振 动系统，很好地模拟了工程机械在工作状况下的路感，使其更具有实用性。 围2 - 6 试验装置控制系统结构图 6 第三章4 w s 电液驱动及控制系统数学模型研究 3 1电液伺服阀的模型建立 电液伺服阀是将微弱的电信号放大和转换为液压功率输出。电液伺服阀不仅 经常用于位置伺服控制，并且经常用于速度和力伺服系统。电液伺服阀有不同的 结构和型式。其作用如图3 一l 所示。其中液压功率放大级经常采用一般的四边滑 阀。而电气转换元件的作用是将电信号转换成力或力矩，再通过弹簧转换成位移。 常用的有两种型式：动圈式力马达和衔铁式力矩马达。动圈式力马达结构比较大， 动态性能差，但输出位移大，主要用于动特性要求不高的电液伺服阀。而衔铁式 力矩马达结构紧凑、动特性好，但工艺要求高，且行程短。 图3 1电液伺服阀各部分相互作用 这里我们用一阀组实现电液伺服阀的功能，但价格上要便宜很多。我们把这 一伺服阀组称为流量控制伺服阀如图3 2 所示，流量 控制伺服阀可以精确的控制输出流量与输入小功率 电信号成比例。它是由一力矩马达驱动、双喷嘴挡板 阀和一压力驱动、弹簧对中的双滑阀组合而成。其外 形图如图3 2 所示：上面是一压力控制先导阀，中间 白色的是连接件，下面的是流量伺服阀，整个阀组实 现流量伺服控制。下面先介绍一下压力控制先导阀 3 1 1 压力控制先导阀 它主要由喷嘴、挡板和固定节流口组成( 如图3 3 所示) 。当信号电流输入力矩马达时，力矩马达使可 动衔铁偏移一定角度，这时衔铁带动挡板偏移，使挡 图3 2 流量控制伺服阀 板偏离中间位置，导致左右两个喷嘴到挡板的距离发生变化，从而导致左右两个 腔内的压力发生变化，而压差变化 作用到挡板上，使挡板最终在力矩 马达的输入力矩和压差作用下平 衡，从而使阀的输出压差保持恒定。 力矩马达由安装在扭轴上并悬浮于 磁场气隙中的衔铁、控制线圈、到 磁体及永久磁铁组成。两个极靴中 的一个被磁化为n 极，另一个为s 极，导磁体绕衔铁构成骨架，形成 磁路。当电流通过控制线圈时，产 生通过磁铁的磁通，进而改变四个 气隙的磁通量，对衔铁产生力矩， 使其绕轴心转动，并于弹性支撑的 反力矩平衡，从而使衔铁转动一个 角位移。 1 ) 力矩马达的基本方程 力矩马达的输入量为控制线圈中的电流， 控制线圈回路的电压方程为： e ：f 4 r + 丝( 3 - 1 ) d f 式中：r 控制线圈的电阻，欧； 嗍制线圈的匝数； i 输入信号电流； 通过磁铁的总磁通，韦； 而通过磁铁的总磁通为： 。= 等警 z ， 图3 - 3 先导阀结构原理圈 而输出量为衔铁的转角。 式中：中。衔铁在中间位置时的磁通； 图3 _ 4 力矩马达示意图 g 衔铁在中位时每个气隙的长度，米； x 一衔铁顶端偏离中间位置的位移，米； 中。2 面n _ * i 一为控制电流产生的磁通； r 。一衔铁在中位时每一气隙的磁阻，1 ，亨。 1 8 一 一 一 一 n 由于力矩马达都设计成x g 1 ，所以上式可以简化为： = 2 中小，g ) + 尝f ( 3 - 3 ) 并由图3 - 4 可知，在微小位移下， tail口：x0(3-4) 式中：日衔铁的角位移， 口一衔铁由转轴到导磁体工作面中心的半径，米。 将式( 3 1 ) 、( 3 3 ) 和( 3 - - 4 ) 联立，并经整理可得： e = f + r + 2 脚。旦皇旦+ n 2 a t i ( 3 5 ) 8gd t r gd t 式( 3 5 ) 经拉式变换后为： 肚郴m + 2 。詈邪灿等郴) s ( 3 6 ) 上式就是力矩马达基本电压方程的最终形式。下面确定由永久磁铁的磁通和 控制磁通在气隙中相互作用而产生的作用在衔铁上的力矩方程。根据马克斯威尔 力方程 f ：堡生( 3 - 7 ) 8 n a 。 式中：f 一由气隙隔开的两个磁化了的平行平面间的吸力，牛： o 气隙的磁通，韦： 4 垂直于磁通的极面积，米2 。 由于衔铁每一端的两个气隙中产生的力矩是相反的，因此，产生的力矩与磁 通的平方差成正比，所以作用在衔铁上的总静力矩为： t a = 2 a ( 中：一m 2 2 ，、8 1 剃0 7 = _ ( 3 8 ) 式中：中。= 尝通过气隙l 、3 的磁通； 1 一工p 。：= 蔫通过气觚4 的媳 上式中系数2 表示另一端的两个气隙也产生同样的力矩。考虑到 埘甜以- g 叫。腓。2 筹贝| j 可得如下的力矩方程 乃：坚坐雩笔罢掣( 3 - 9 )，= “ ( 1 一石2 g2 ) 2 k t = 2 ( a g ) n p g k 。= 4 ( a g ) 2 d ：r g 式中：“。一空气导磁系数，其值为4 石+ 1 0 - 7 亨米： 乃输入电流在力矩马达衔铁上产生的总力矩； 五一力矩马达的力矩常数； j 0 一力矩马达的磁弹簧常数a 由于在力矩马达设计中通常满足 g ) 2 1 和。西。 1 ，以改善其线性 度、稳定性和防止衔铁被永久磁铁吸附，故式( 3 9 ) 可改写成： 乙= k ，0 + k 。i( 3 1 0 ) 对衔铁应用牛顿第二定律，可得衔铁力矩平衡方程为： 乃= 以万d 2 0 + b od 讲口+ r o + r j l ( 3 1 1 ) 式中以衔铁及任何加在其上的负载转动惯量 见衔铁的机械支承和负载的粘性阻尼系数 疋衔铁转轴( 或弹簧管) 的机械扭转弹- 簧h i 度， 瓦作用在衔铁上的任意负载力矩 力矩马达传递函数可由式( 1 0 ) 和( 1 1 ) 合并后再进行拉氏变换，则得力矩马达 的基本方程为： 足，i = 以s 2 口+ b s o + ( k 。一k - ) 口+ 瓦 ( 3 - 1 2 ) 由上式可见，为使力矩马达工作稳定，必须使磁弹性系数小于机械弹性系数。 由上式可以得到以电流为输入的传递函数为 口：= 笠! 二垦 j 。s 2 + 眈s + ( k o k 。) ( 3 1 3 ) “ il 。 图3 - 5 双喷嘴挡板阀 3 1 2 喷嘴挡板阀 它由于控制力小，转动体质量小，响应快，公差要求高，广泛用作第一级阎 使用。如图所示它主要由固定节流口、喷嘴、板三个元件组成。两喷嘴、两节流 口对称安置于挡板两侧，挡板到两个喷嘴的距离分别为_ 和屯，初始位置都是 ，x 为偏离初始位置的位移量。喷嘴节流口为以d 为直径、而或x ：为长度的 圆柱面。左右控制腔的压力为只。和只：，输往执行器的流量为q 。改变而或工：， 可使只。或只：和q 改变。以左节流口为例： 固定节流口面积为。，喷嘴节流口面积为疵c ，。有 9 1 = 居( 只喝) ( 3 “) q 2 = 。碱历 ( 3 _ 1 5 ) 由连续性可得：q l = q 2 + 骁 由于我们的喷嘴挡板阀作为压力控制先导阀，用来控制二级阀芯的位移，因 此如不计泄漏，其鲮= 0 ，由上面两式( 3 一1 4 ) 和( 3 1 5 ) 可得， q 丽= 疵i ( 3 1 6 ) 取只= 只2 时的挡板位置为初始位置粕，挡