, 　, ,, , ,

(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[1]是利用液壓動力來實現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那樣精確對應，在車輪的有效轉向角度區(qū)間內，方向盤的位置是不確定的。另外，在全液壓轉向系統中，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(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　全液壓轉向系統工作原理圖

1　EPACS系統工作原理

1.1　系統液壓原理

圖2為EPACS液壓系統原理圖?？梢钥闯?，該系統在常規(guī)全液壓轉向系統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液壓系統原理框圖

當系統忽略油液壓縮、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　系統控制原理

EPACS控制系統原理如圖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，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]，包括機械系統非線性、液壓系統非線性。

圖3　EPACS系統控制原理圖

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。供電與驅動模塊完成電平轉換與電磁閥驅動，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，靈活實現數據傳輸以及程序下載更新；人機交互模塊包括數據顯示與按鍵調整，將傳感器測量到的轉角信息以及相關控制參數通過LCD液晶屏實時顯示，通過按鍵對控制參數進行在線調整，為系統調試提供便利。

圖4為EPACS系統的控制器實物圖。

圖4　EPACS系統控制器

2.3　補償電磁閥

補償電磁閥是EPACS系統的執(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的安裝空間比較有限，根據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，系統將不可避免存在一定的滯后與超調。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的控制特性與參數整定，消除開關控制存在的盲區(qū)。

首先，根據車輛轉向精度要求，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)

以經過PID運算后的結果δ′與轉向系統的設定閾值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PD與積分系數PI，可有效預測誤差的變化趨勢，避免滯后與超調，同時減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。

3.2　滑移補償

根據全液壓轉向系統的特性，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系統溢流閥返回油箱，不再進入油缸。隨著轉向器的使用，內部磨損加劇，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°]， 從而有效地將系統滑移偏差限制在一定范圍之內，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補償完成，減少電磁閥開關次數，延長了系統的更換周期。

綜上所述，EPACS系統算法流程如圖5所示。

4　EPACS系統實驗研究

EPACS系統在收割機、叉車等后輪驅動、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，即沒有帶CPACS轉向系統的實驗結果。

圖7a是方向盤未滑移工況下系統的運行情況，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生滑移偏差。

圖7c是方向盤反向滑移工況下系統的運行情況，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生滑移偏差。

由圖7可知，全液壓轉向系統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。

根據通用全液壓轉向系統的實驗數據分析，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、為車輪轉角負半區(qū)和正半區(qū)比例系數，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

圖8　EPACS系統

啟動EPACS系統后，轉向系統運行實驗結果如圖8所示。

圖8a是系統對泄漏偏差的補償情況，對全程累積的泄漏偏差，系統在控制范圍之內完成補償，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，系統不工作，轉向偏差明顯。車輪轉角進入 [-30°，30°] 后，系統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，根據控制算法，對方向盤轉角θ進行加360°操作，將系統偏差控制在小范圍內，快速完成補償。

通過實驗驗證可知，本系統能夠有效地消除全液壓轉向系統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)系統是在通用全液壓轉向系統基礎上發(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，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系統前后的實驗對比可以看出，所設計的EPACS系統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：

[1]陳勇.全液壓轉向系統的使用選擇與計算[J].液壓與氣動,2001,(7):14-15.

[2]何卿,高煥文,李洪文,等.基于DSP的拖拉機電液轉向控制系統[J].農業(yè)機械學報,2007,38(5)：1-5.

[3]田福潤,宋子巍,陳光.工程車轉向模糊PID電液比例控制系統的設計[J].液壓與氣動,2011,(7):32-34.

[4]Wu D, Zhang Q,REILD J,et al.Model Recognition and Simulation of an E/H Steering Controller on Off-road Equipment[J].Fluid Power Systems and Technology,1998,(5):55-60.

[5]吳振順.液壓控制系統[M]．北京:高等教育出版社,2008．

[6]徐建平,何仁,苗立剛.電動助力轉向系統回正控制算法研究[J].汽車工程,2004,26(5)：557-559.