CN112172918A - 一种多轴电液转向系统双闭环控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多轴电液转向系统双闭环控制系统和方法，解决现有多轴转向在转向控制效率和精度上存在缺陷的技术问题。系统包括：转向系统控制单元，用于根据指令配置控制策略处理车速和主动转向桥转向角度控制随动转向桥转向角度并根据反馈的随动转向桥转动工况优化随动转向桥转向角度；以及人机交互界面、车速传感器、主动转向桥转角传感器、随动转向桥转角传感器、随动转向桥电磁换向阀、随动转向桥比例方向阀组、比例方向阀状态传感器。有效抑制车轮抖振，提高反馈控制的系统响应速度，减小跟踪误差，增加低转角偏差时转向的灵敏度，有效解决比例阀不动作的问题。实际应用中提高转向精度，减小转向过程中轮胎的磨损，增加轮胎使用寿命。

Description

一种多轴电液转向系统双闭环控制系统和方法

技术领域

本发明涉及大型重载车辆控制技术领域，具体涉及一种多轴电液转向系统双闭环控制系统和方法。

背景技术

现有技术中，大型重载特种车辆采用的多轴转向技术可以克服大型重载质量大、质心高、轴数多、轴距大等特点带来的行驶缺陷，增强特种车辆机动性、灵活性(小场地转弯)和操纵稳定性，使车辆在低速时有较好的灵活性，以保证低速时能够在较小的空间内实现灵活转向，同时在高速时具有较好的操纵稳定性，保证车辆的安全性。多轴转向技术中的机械式传动液压助力转向技术，虽然可以实现多轴转向，但受转向机构的限制，其转向精度低，易造成转向横拉杆变形、轮胎磨损严重。随着电子技术及控制技术的发展，电液转向系统便成了多轴转向车辆转向系统的发展方向。

采用电液转向系统的大型重载特种车辆，需要在转向过程中实现车轮定位和转向控制的准确性和可靠性，能针对温度、液压油粘度和比例方向阀的阻抗特性等工况因素做出及时反馈和精确调整。

发明内容

鉴于上述问题，本发明实施例提供一种多轴电液转向系统双闭环控制系统和方法，解决现有多轴转向在转向控制效率和精度上存在缺陷的技术问题。

本发明实施例的多轴电液转向系统双闭环控制系统，包括：

转向系统控制单元，用于根据指令配置控制策略处理车速和主动转向桥转向角度控制随动转向桥转向角度并根据反馈的随动转向桥转动工况优化随动转向桥转向角度；

车速传感器，用于反馈主动转向桥组的车速信号；

主动转向桥转角传感器，用于反馈主动转向桥的转向角度；

随动转向桥转角传感器，用于反馈单一随动转向桥的转向角度；

随动转向桥电磁换向阀，用于对单一随动转向桥的助力对中缸进行状态控制，形成随动转向桥对中锁紧状态或随动转向桥转向助力状态；

随动转向桥比例方向阀组，用于对单一随动转向桥进行转向方向控制，改变车轮行驶方向；

比例方向阀状态传感器，用于采集并反馈随动转向桥的比例方向阀受控过程中的控制状态；

人机交互界面,用于向转向系统控制单元分发确定转向模式的初始控制指令，形成转向控制过程的初始化。

本发明实施例的多轴电液转向系统双闭环控制方法，利用上述的多轴电液转向系统双闭环控制系统，包括双闭环控制过程如下：

接收转向模式指令，根据主动转向桥反馈的车速和转向角度，按预置转向策略形成与车速和主动转向桥实际转角匹配的随动转向桥的预期转角数据；

接收随动转向桥实际转角数据并与所述预期转角数据比较形成随动转向桥转角偏差数据；

转角偏差数据与预置PID控制过程的转角偏差控制闭环过程中KP分段控制参数比较形成所述随动转向桥的所述比例方向阀组中对应比例方向阀的PWM控制信号，实时调整所述随动转向桥转角；

采集所述随动转向桥的受控比例方向阀的工况电流信号强度与标准控制电流强度比较形成受控比例方向阀的所述工况电流偏差数据；

所述电流偏差数据与预置PID控制过程的电流偏差控制闭环过程中PI分段控制参数比较形成所述随动转向桥的所述比例方向阀组中对应比例方向阀的PWM控制信号，实时调整所述随动转向桥转角；

本发明实施例的多轴电液转向系统双闭环控制系统，包括：

存储器，用于存储如权利要求3至8任一所述的多轴电液转向系统双闭环控制方法中处理过程对应的程序代码；

处理器，用于执行所述程序代码。

本发明实施例的多轴电液转向系统双闭环控制系统，包括：

双闭环控制装置，用于形成双闭环控制过程；

锁止状态处理装置，用于形成锁止状态处理过程；

转角超限处理装置，用于形成转角超限处理过程；

车速故障处理装置，用于形成车速故障处理过程；

主动桥转角传感器故障处理装置，用于形成主动桥转角传感器故障处理过程。

本发明实施例的多轴电液转向系统双闭环控制系统和方法利用转角实时性和机电控制敏感性所形成的参数预期基准实现转角-电流双闭环控制策略，有效抑制车轮抖振，同时提高反馈控制的系统响应速度，减小了跟踪误差。进行不同阶段的参数整定，能够有效增加低转角偏差时转向的灵敏度。加入死区偏移，有效解决低PWM占空比时，比例阀不动作的问题。实际应用中有效地提高了转向精度，减小转向过程中轮胎的磨损，增加轮胎使用寿命。

附图说明

图1所示为本发明一实施例多轴电液转向系统双闭环控制系统的硬件架构示意图。

图2所示为本发明一实施例多轴电液转向系统双闭环控制方法的信号流向示意图。

图3所示为本发明一实施例多轴电液转向系统双闭环控制过程的流程示意图。

图4所示为本发明一实施例多轴电液转向系统双闭环控制方法的流程示意图。

图5所示为本发明一实施例多轴电液转向系统双闭环控制系统的功能架构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明一实施例多轴电液转向系统双闭环控制系统如图1所示。本实施例包括：

转向系统控制单元(即ECU电子控制单元)，用于根据指令配置控制策略处理车速和主动转向桥转向角度控制随动转向桥转向角度并根据反馈的随动转向桥转动工况优化随动转向桥转向角度。本实施例采用TTC60控制器，应用CodeSys组态软件开发部署控制策略以及处理过程和参数设置。

车速传感器，用于反馈主动转向桥组的车速信号。本实施例中可以采用转向系统控制单元根据车轮转速和转动频率形成即时车速。

主动转向桥转角传感器，用于反馈主动转向桥的转向角度。本实施例设置在主动转向桥组的第一个主动转向桥上。

随动转向桥转角传感器，用于反馈单一随动转向桥的转向角度。本实施例设置在随动转向桥组的每个随动转向桥上。

随动转向桥转向锁止开关，用于形成随动转向桥组转向的使能控制。在本实施例中通过锁止开关可以直接控制各随动转向桥的对应阀体的功率信号使能和电源使能。

随动转向桥电磁换向阀，用于对单一随动转向桥的助力对中缸进行状态控制，形成随动转向桥对中锁紧状态或随动转向桥转向助力状态。在本实施例中控制对助力对中缸实现对中和受控自锁。

随动转向桥比例方向阀组，用于对单一随动转向桥进行转向方向控制，改变车轮行驶方向。在本实施例中，比例方向阀组包括在单一随动转向桥两侧分别设置的比例方向阀，控制单一随动转向桥的左、右转向。

比例方向阀状态传感器，用于采集并反馈随动转向桥的比例方向阀受控过程中的控制状态。在本实施例中比例方向阀受控过程中的控制状态由受控过程中的阀控电流变化反映，状态传感器可以采用电流传感器采集比例方向阀的实际工作电流，也可以采用比例方向阀控制电路的旁路反馈线路形成。

油源卸荷电磁阀，用于受控平衡应急油源管路压力。

人机交互界面(即HMI人机界面),用于向转向系统控制单元分发确定转向模式的初始控制指令，形成转向控制过程的初始化。在本实施例中确定转向模式包括但不限于启动后桥转向、原地转向、低角速度转向、高角速度转向，大扭矩转向和低扭矩转向等控制策略选择。

针对一种十轴重型特种车辆的车桥工况在本实施例中进行控制系统的系统适配，包括：车辆车桥分为主动转向桥组(由一、二、三、四桥组成)、非转向桥组(由五、六桥组成)和随动转向桥组(由七、八、九、十桥组成)，主动转向桥组采用机械反馈液压助力转向，随动转向桥组中各桥采用独立控制的电控液压助力转向。

在主动转向桥组的一桥上冗余设置车速传感器，在一桥设置一个双通道转角传感器作为主动转向桥转角传感器，在七、八、九、十桥的同侧各设置一个双通道转角传感器作为随动转向桥转角传感器。随动转向桥组的每个车桥设置随动转向桥比例方向阀组和随动转向桥电磁换向阀，随动转向桥比例方向阀组中的每个比例方向阀匹配一个控制电流反馈电缆作为比例方向阀状态传感器。

具体系统部件配置见下表：

车速传感器冗余设置形成车速的差分数据，可以较好克服反馈信号的误差。双通道转角传感器两路通道独立采集单一车桥的转角信号，双通道冗余设计可提高转角检测的可靠性和精度。经过转向系统控制单元相应的转角计算策略，分别得到一、七、八、九、十桥的实际转角，所述实际转角为车轮与转向之前的行车方向之间的夹角。

本发明实施例的多轴电液转向系统双闭环控制系统形成对各助力转向桥工况的有效监测，并根据工况过程中主导转向数据形成符合转向模式的随动转向数据控制随动桥转向。为形成随动桥实时转向的有效补偿和死区克服提供工况过程中独立的有效监测参数基础。根据本实施例实现的工况多状态反馈闭环控制能够满足多轴特种车辆具有较高的转向精度和较灵活的转向特性，能够满足多轴特种车辆在不同路面、不同载荷、不同温度环境下的低速灵活性和高速稳定性。

本发明一实施例的多轴电液转向系统双闭环控制方法的信号流向如图2所示，多轴电液转向系统双闭环控制过程如图3所示。结合图2和图3所示，本实施例的双闭环控制过程100包括：

步骤110：接收转向模式指令，根据主动转向桥反馈的车速和转向角度，按预置转向策略形成与车速和主动转向桥实际转角匹配的(各)随动转向桥的预期转角数据。

转向模式指令对应多轴电液转向系统双闭环控制过程中针对不同转向目的预置转向策略，转向策略包括控制参数形成过程、控制参数和控制逻辑的集合。随动转向桥的转角与主动转向桥的转角相配合实现转向目的。根据转向模式，各随动转向桥的转角的差别以及与主动转向桥的转角的差别存在确定的最优预期值。

步骤120：接收(各)随动转向桥实际转角数据并与预期转角数据比较形成(各)随动转向桥转角偏差数据。

转角偏差数据包括确定时长内转角偏差的即时数值、确定时长内转角偏差的累积偏差和确定时长内转角偏差的偏差累积率等偏差相关数据。

步骤130：转角偏差数据与预置PID控制过程的转角偏差控制闭环过程中KP分段控制参数比较形成(各)随动转向桥的比例方向阀组中对应比例方向阀的PWM控制信号，实时调整(各)随动转向桥转角。

预置PID控制过程的转角偏差控制闭环过程中KP分段控制参数可以根据预置转向策略中预期控制精度采用将比例环节KI分成七段，分别整定(各)随动转向桥每段角度对应的比例参数形成控制对应比例方向阀的PWM控制信号。比例环节分段整定的比例参数与不同转向模式的控制策略相关。

步骤140：采集(各)随动转向桥的受控比例方向阀的工况电流信号强度与标准控制电流强度比较形成受控比例方向阀的工况电流偏差数据。

工况电流偏差数据包括确定时长内电流信号强度的即时数值、确定时长内电流信号强度的累积偏差和确定时长内电流信号强度的偏差累积率等偏差相关数据。

步骤150：电流偏差数据与预置PID控制过程的电流偏差控制闭环过程中PI分段控制参数比较形成(各)随动转向桥的比例方向阀组中对应比例方向阀的PWM控制信号，实时调整(各)随动转向桥转角。

预置PID控制过程的电流偏差控制闭环过程中PI分段控制参数可以根据预置转向策略中预期控制精度采用将积分环节PI分成七段，分别整定(各)随动转向桥对应比例方向阀每段控制电流对应的比例参数修正PWM控制信号。积分环节PI分段整定的比例参数与不同转向模式的控制策略相关。

步骤160：根据随动转向桥的比例方向阀组的物理特性形成比例方向阀死区控制偏移数据，根据死区控制偏移数据形成对应比例方向阀的PWM控制偏移信号。

比例方向阀死区(即当PWM占空比低于一定值时，比例阀不动作)受固有物理属性影响，利用比例方向阀的电阻、开始动作时的电流值确定。根据死区范围对应的PWM信号占空比形成比例方向阀死区控制偏移数据。

步骤170：在预置PID控制过程的电流偏差控制闭环过程中叠加PWM控制偏移信号形成(各)随动转向桥的比例方向阀组中对应比例方向阀的PWM控制信号，实时调整(各)随动转向桥转角。

利用PWM占空比可叠加原理，通过PWM控制偏移信号修正对应比例方向阀的PWM控制信号，控制比例阀开度的大小和通电时间的长短，驱动阀体油缸活塞杆运动，实时调整(各)随动转向桥转角，实现对车轮转角的闭环跟踪控制。

本发明实施例的多轴电液转向系统双闭环控制方法利用转角实时性和机电控制敏感性所形成的参数预期基准实现转角-电流双闭环控制策略，有效抑制车轮抖振，同时提高反馈控制的系统响应速度，减小了跟踪误差。进行不同阶段的参数整定，能够有效增加低转角偏差时转向的灵敏度。加入死区偏移，有效解决低PWM占空比时，比例阀不动作的问题。实际应用中有效地提高了转向精度，减小转向过程中轮胎的磨损，增加轮胎使用寿命。

本发明一实施例的多轴电液转向系统双闭环控制方法如图4所示。在图4中，在上述实施例基础上，包括：

锁止状态处理过程200：

采集随动转向桥转向锁止开关信号；

开关状态处于锁止状态时，随动转向桥组中的随动转向桥电磁换向阀断电，随动转向桥不转向；

开关状态处于非锁止状态时，随动转向桥组中的随动转向桥电磁换向阀通电，随动转向桥受控转向。

如图4所示，在本发明一实施例中，还包括：

转角超限处理过程300：

当主动转向桥转角超出有效范围后，进行报警提示，当主动转角回到有效范围后，报警消除；

当随动转向桥转角超出有效范围后，进行报警，同时控制随动转向桥转角不变，当随动转角回到有效范围后，报警消除。

车速故障处理过程400：

当检测到车速信号故障时，控制随动转向桥转向进入安全模式，保证整车行驶安全性。

主动桥转角传感器故障处理过程500：

当检测到主动转向桥转角传感器信号故障时，控制随动转向桥转向进入安全模式，保证整车行驶安全性。

在安全模式中，随动转向桥组中的随动转向桥的电磁换向阀断电，随动转向桥保持转角归零。

本发明一实施例的多轴电液转向系统双闭环控制系统如图5所示。在图5中，本实施例包括：

双闭环控制装置10，用于形成双闭环控制过程；

锁止状态处理装置20，用于形成锁止状态处理过程；

转角超限处理装置30，用于形成转角超限处理过程；

车速故障处理装置40，用于形成车速故障处理过程；

主动桥转角传感器故障处理装置50，用于形成主动桥转角传感器故障处理过程。

本发明一实施例的多轴电液转向系统双闭环控制，包括：

存储器，用于存储上述实施例多轴电液转向系统双闭环控制方法中处理过程对应的程序代码；

处理器，用于执行上述实施例多轴电液转向系统双闭环控制方法中处理过程对应的程序代码。

处理器可以采用DSP(Digital Signal Processor)数字信号处理器、FPGA(Field-Programmable Gate Array)现场可编程门阵列、MCU(Microcontroller Unit)系统板、SoC(system on a chip)系统板或包括I/O的PLC(Programmable Logic Controller)最小系统。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种多轴电液转向系统双闭环控制系统，其特征在于，包括：

转向系统控制单元，用于根据指令配置控制策略处理车速和主动转向桥转向角度控制随动转向桥转向角度并根据反馈的随动转向桥转动工况优化随动转向桥转向角度；

车速传感器，用于反馈主动转向桥组的车速信号；

主动转向桥转角传感器，用于反馈主动转向桥的转向角度；

随动转向桥转角传感器，用于反馈单一随动转向桥的转向角度；

随动转向桥电磁换向阀，用于对单一随动转向桥的助力对中缸进行状态控制，形成随动转向桥对中锁紧状态或随动转向桥转向助力状态；

随动转向桥比例方向阀组，用于对单一随动转向桥进行转向方向控制，改变车轮行驶方向；

比例方向阀状态传感器，用于采集并反馈随动转向桥的比例方向阀受控过程中的控制状态；

人机交互界面,用于向转向系统控制单元分发确定转向模式的初始控制指令，形成转向控制过程的初始化。

2.如权利要求1所述的多轴电液转向系统双闭环控制系统，其特征在于，还包括：

随动转向桥转向锁止开关，用于形成随动转向桥组转向的使能控制；

油源卸荷电磁阀，用于受控平衡应急油源管路压力。

3.如权利要求1或2所述的多轴电液转向系统双闭环控制系统，其特征在于，在主动转向桥组的一桥上冗余设置所述车速传感器，在一桥设置双通道转角传感器作为所述主动转向桥转角传感器，在随动转向桥的同侧各设置一个双通道转角传感器作为所述随动转向桥转角传感器。每个随动转向桥设置所述随动转向桥比例方向阀组和所述随动转向桥电磁换向阀，所述随动转向桥比例方向阀组中的每个比例方向阀匹配一个控制电流反馈电缆作为所述比例方向阀状态传感器。

4.一种多轴电液转向系统双闭环控制方法，其特征在于，利用如权利要求1至3任一所述的多轴电液转向系统双闭环控制系统，包括双闭环控制过程如下：

接收转向模式指令，根据主动转向桥反馈的车速和转向角度，按预置转向策略形成与车速和主动转向桥实际转角匹配的随动转向桥的预期转角数据；

接收随动转向桥实际转角数据并与所述预期转角数据比较形成随动转向桥转角偏差数据；

转角偏差数据与预置PID控制过程的转角偏差控制闭环过程中KP分段控制参数比较形成所述随动转向桥的所述比例方向阀组中对应比例方向阀的PWM控制信号，实时调整所述随动转向桥转角；

采集所述随动转向桥的受控比例方向阀的工况电流信号强度与标准控制电流强度比较形成受控比例方向阀的所述工况电流偏差数据；

所述电流偏差数据与预置PID控制过程的电流偏差控制闭环过程中PI分段控制参数比较形成所述随动转向桥的所述比例方向阀组中对应比例方向阀的PWM控制信号，实时调整所述随动转向桥转角。

5.如权利要求4所述的多轴电液转向系统双闭环控制方法，其特征在于，还包括:

根据所述随动转向桥的所述比例方向阀组的物理特性形成比例方向阀死区控制偏移数据，根据所述死区控制偏移数据形成对应比例方向阀的PWM控制偏移信号；

在预置PID控制过程的电流偏差控制闭环过程中叠加所述PWM控制偏移信号形成所述随动转向桥的所述比例方向阀组中对应比例方向阀的PWM控制信号，实时调整随动转向桥转角。

6.如权利要求4所述的多轴电液转向系统双闭环控制方法，其特征在于，还包括锁止状态处理过程：

采集所述随动转向桥转向锁止开关信号；

开关状态处于锁止状态时，随动转向桥组中的所述随动转向桥电磁换向阀断电，随动转向桥不转向；

开关状态处于非锁止状态时，随动转向桥组中的所述随动转向桥电磁换向阀通电，随动转向桥受控转向。

7.如权利要求4所述的多轴电液转向系统双闭环控制方法，其特征在于，还包括转角超限处理过程：

当主动转向桥转角超出有效范围后，进行报警提示，当主动转角回到有效范围后，报警消除；

当随动转向桥转角超出有效范围后，进行报警，同时控制所述随动转向桥转角不变，当随动转角回到有效范围后，报警消除。

8.如权利要求4所述的多轴电液转向系统双闭环控制方法，其特征在于，还包括车速故障处理过程：

当检测到车速信号故障时，控制所述随动转向桥转向进入安全模式，保证整车行驶安全性；

还包括主动桥转角传感器故障处理过程：

当检测到所述主动转向桥转角传感器信号故障时，控制随动转向桥转向进入安全模式，保证整车行驶安全性；

在所述安全模式中，随动转向桥组中的所述随动转向桥的电磁换向阀断电，随动转向桥保持转角归零。

9.一种多轴电液转向系统双闭环控制系统，其特征在于，包括：

存储器，用于存储如权利要求3至8任一所述的多轴电液转向系统双闭环控制方法中处理过程对应的程序代码；

处理器，用于执行所述程序代码。

10.一种多轴电液转向系统双闭环控制系统，其特征在于，包括：

双闭环控制装置，用于形成双闭环控制过程；

锁止状态处理装置，用于形成锁止状态处理过程；

转角超限处理装置，用于形成转角超限处理过程；

车速故障处理装置，用于形成车速故障处理过程；

主动桥转角传感器故障处理装置，用于形成主动桥转角传感器故障处理过程。

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