農(nóng)業(yè)車輛電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設計

沈文龍，薛金林*，張永

(1.南京農(nóng)業(yè)大學工學院，江蘇 南京 210031；2.江蘇省智能化農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，江蘇 南京 210031)

農(nóng)業(yè)車輛電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設計

沈文龍1,2，薛金林1,2*，張永1,2

(1.南京農(nóng)業(yè)大學工學院，江蘇 南京 210031；2.江蘇省智能化農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，江蘇 南京 210031)

以茂源250型拖拉機為試驗平臺，設計一種用于農(nóng)業(yè)車輛自主導航的電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用電控比例液壓閥、換向閥和溢流閥，改造拖拉機的液壓轉(zhuǎn)向油路；采用STC12C5A60S2作為比例閥的控制器，同時加裝角度傳感器作為系統(tǒng)的反饋。將帶有死區(qū)的PD控制算法在SimHydraulics建立的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型上進行仿真，并實車試驗驗證。在左、右極限轉(zhuǎn)向和4種特定目標角度轉(zhuǎn)向試驗中，該系統(tǒng)比原有系統(tǒng)響應時間快0.2 s，超調(diào)量在5%以內(nèi)。

農(nóng)業(yè)車輛；液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；電子控制單元

利用自動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)實現(xiàn)農(nóng)業(yè)車輛自主導航，可使農(nóng)業(yè)車輛在田間作業(yè)時更快、更精準[1]。與手動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，提高了工作效率和安全舒適性，降低了勞動強度和人力成本[2]。

車輛自動轉(zhuǎn)向主要有電機轉(zhuǎn)向控制和電液轉(zhuǎn)向控制2種。華南農(nóng)業(yè)大學采用步進電機通過鏈條傳動帶動方向盤轉(zhuǎn)動實現(xiàn)轉(zhuǎn)向操作[3–6]；美國伊利諾斯州立大學通過對拖拉機轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的改造，開發(fā)出電液操控系統(tǒng)[7–8]。筆者以茂源250型拖拉機為研究平臺，設計一種用于農(nóng)業(yè)車輛的電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，不僅能夠避免鏈條傳動的滯后性和不穩(wěn)定性，而且能保證自動與手動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的切換。利用Matlab/Simulink的SimHydraulics模塊建立了電控液壓轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)模型，對其進行了仿真，并進行實車試驗，根據(jù)結(jié)果分析該系統(tǒng)的響應特性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由兩大部分組成(圖1)：①液壓系統(tǒng)，包括電控比例液壓閥、換向閥、溢流閥和改造后的油路；②控制單元，包括控制器(ECU)及外圍電路和上位機(計算機)。

圖1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Sketch of the steering system structure

系統(tǒng)根據(jù)上位機發(fā)出的轉(zhuǎn)向信號(期望轉(zhuǎn)角θ)和角度傳感器實時檢測到的角度信號(實際轉(zhuǎn)角α)的差值e(偏差信號)，由控制器計算出控制量，通過電壓信號控制模塊將數(shù)字值轉(zhuǎn)換成實際電壓值供給比例換向閥，進而控制比例閥的開口方向和大小，以減小偏差值。控制器反復進行這一過程，從而驅(qū)動油缸位移，帶動前輪(轉(zhuǎn)向輪)轉(zhuǎn)向機構(gòu)轉(zhuǎn)向，使前輪快速達到期望轉(zhuǎn)角。閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 電控液壓閉環(huán)控制系統(tǒng)Fig.2 Block diagram of electric hydraulic power steering control system

2 系統(tǒng)硬件

2.1 電控液壓轉(zhuǎn)向機構(gòu)

根據(jù)不同的駕駛需要和突發(fā)安全性的考慮，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應具有自動轉(zhuǎn)向和人工轉(zhuǎn)向模式，且2種模式的切換應簡單、快捷。為此，所設計的轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)在原有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎上，并聯(lián)安裝了一套轉(zhuǎn)向控制機構(gòu)(圖3)。作后，油泵泵出的液力傳動油經(jīng)過油濾輸送給三位四通比例換向閥，實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)向。三位四通比例換向閥的作用是根據(jù)控制器給出的控制信號，控制比例閥開口方向和大小，將液壓油輸入轉(zhuǎn)向油缸的左或右腔，推動前輪轉(zhuǎn)向。溢流閥主要起定壓溢流的作用，保護整個油路。

圖3 改造后的轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)Fig.3 Oil circuit of reconstructed steering system

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力裝置由CBN–E306齒輪泵提供6.3 L/min恒流油源[9]。二位四通換向閥的作用是切換油源流向，未通電時，將油泵泵出的液力傳動油供給全液壓轉(zhuǎn)向器，通過方向盤實現(xiàn)手動轉(zhuǎn)向；通電工

2.2 轉(zhuǎn)向控制器

控制器是電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心，應具備3項要求：一是能接受上位機傳來的轉(zhuǎn)向信號和采集傳感器檢測到的實際角度信號并進行處理，即上、下位機之間通信和傳感器模擬信號轉(zhuǎn)換成計算機能夠處理的數(shù)字信號；二是能根據(jù)轉(zhuǎn)向信號和實際角度信號，按照事先編好在單片機中的程序，輸出控制量；三是將單片機輸出的數(shù)字控制量轉(zhuǎn)換成可以驅(qū)動比例液壓閥的電壓量。根據(jù)需要，選用STC12C5A60S2單片機作為控制器，具有8路10位A/D轉(zhuǎn)換器[10]。

采用力士樂4WREE系列的一款電控比例換向閥，控制電壓為–10～10 V，電壓值的正負控制閥芯左或右移，電壓值的大小決定閥芯開口大小。根據(jù)該電液閥的工作要求，制作能夠與控制器配合的D/A模塊，它能將數(shù)字控制量轉(zhuǎn)換成±10 V的電壓值。車輛改造后，若控制電壓為負，則前輪左轉(zhuǎn)；若控制電壓為正，則前輪右轉(zhuǎn)。

2.3 角度傳感器

電控液壓轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)采用WYH–3型無觸點角度傳感器來檢測前輪的轉(zhuǎn)角，并將其反饋到控制器中，形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。該傳感器可將機械轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為0.5～4.5 V的電信號輸出，供單片機A/D口直接轉(zhuǎn)換。角度傳感器安裝在一個亞克力板制作的平臺表面。該平臺固定在前橋的橫梁上保持靜止面。傳感器的轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)向節(jié)立軸剛性聯(lián)結(jié)，當轉(zhuǎn)向橫拉桿帶動轉(zhuǎn)向臂轉(zhuǎn)動時，傳感器轉(zhuǎn)軸同步運動，從而可以測得前輪的角度。

3 轉(zhuǎn)向控制算法及SimHydraulics仿真

拖拉機自身機構(gòu)和液壓閥特性，轉(zhuǎn)向存在較小角度死區(qū)[11]。為避免頻繁轉(zhuǎn)向，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在死區(qū)范圍內(nèi)即認為轉(zhuǎn)向輪已經(jīng)達到預定期望。傳統(tǒng)的PID控制中，積分I 控制環(huán)節(jié)的作用是通過累加系統(tǒng)的偏差值消除系統(tǒng)的絕對誤差，會使死區(qū)失去其意義，造成系統(tǒng)轉(zhuǎn)向振動，因此選擇帶死區(qū)的PD 控制算法作為系統(tǒng)的控制策略。

由PD算法決定的D/A輸出值outV 與各參數(shù)關(guān)系參照文獻[12]。

式中：Vout為D/A輸出值；Kp為比例系數(shù)；Kd為微分系數(shù)；e(k)、e(k–1)為第k次的偏差值和第k–1次的偏差值。

經(jīng)過試驗，得到死區(qū)角度為1.5°?？刂扑惴ǖ某绦蛄鞒虉D如圖4所示。

圖4 PD控制算法程序流程Fig.4 Flow chart of the PD control program

圖5 SimHydraulics仿真框圖Fig.5 Simulation block diagram of SimHydraulics

SimHydraulics搭建的電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真框圖，全部仿真工作在單一環(huán)境下進行，避免簡化數(shù)學模型精度不足或者AMEsim和Simulink聯(lián)合仿真耗時過長[13–14]。系統(tǒng)的仿真框圖如圖5所示。主要由信號發(fā)生器、PD控制器、電控液壓系統(tǒng)元件模型、輪胎負載模型、位移傳感器、位移與角度轉(zhuǎn)換模塊等組成。信號發(fā)生器模擬產(chǎn)生上位機發(fā)出的轉(zhuǎn)向角度指令，經(jīng)過PD控制器計算比例方向閥的控制量。電控液壓元件模型包括恒壓油源模塊(主要由CBN–E306型齒輪泵組成)、比例閥(4WREE10E75–22/G24K31/A1V型)、溢流閥(DBW10B1–52/3.15–6EG24N9K4型)、油管和油缸(缸徑50 mm、桿徑25 mm)等。輪胎(5.00–15型農(nóng)用車輪胎)負載模塊施加在油缸桿上，位移傳感器測量油缸桿的位移，經(jīng)過位移和角度轉(zhuǎn)換模塊，示波器觀測油缸運行實時狀態(tài)、前輪轉(zhuǎn)角運行曲線等。

位移與角度轉(zhuǎn)換模塊中的轉(zhuǎn)換函數(shù)由試驗標定而得。

將上述元件參數(shù)和標定關(guān)系輸入仿真框圖中，控制信號設置為10°，分別以無算法控制和PD算法控制作為控制策略，仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，當Kp=0.25、Kd=0.01時，仿真曲線光滑平穩(wěn)，在0.234 s達到穩(wěn)定。此時的PD系數(shù)能使前輪較快地轉(zhuǎn)向目標角度，同時防止出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，在小誤差范圍時盡可能保持穩(wěn)定，避免抖動。盡管SimHydraulics可快速有效地檢驗系統(tǒng)，但其底層仍建立在理想的數(shù)學模型上，元件和負載等工作的實際情況，需要實際試驗來檢驗PD系數(shù)的有效性。通過試驗，確定Kp=0.35、Kd=0.02時，在0.52 s前輪達到10°期望轉(zhuǎn)角，此時超調(diào)量在允許范圍內(nèi)，工作平穩(wěn)，往復擺動現(xiàn)象基本消失。

4 電控液壓轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的臺架試驗

為了檢驗轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是否工作平穩(wěn)、準確，將茂源250型拖拉機的前轉(zhuǎn)向輪支起，忽略路況的影響，分別進行2項試驗。

試驗1，分別在手動和自動轉(zhuǎn)向的工作模式下，記錄轉(zhuǎn)向輪向左、右極限轉(zhuǎn)向時的運動過程。在手動模式下，駕駛員盡最大努力由一側(cè)極限向另一側(cè)極限轉(zhuǎn)動方向盤，控制轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向；在自動模式下，上位機發(fā)送極限位置命令，控制器控制轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向。

試驗2，通過上位機發(fā)送4個特定角度(±10°、±20°)給控制器，控制器分別在無算法和帶有死區(qū)的PD算法情況下發(fā)出控制命令，記錄轉(zhuǎn)向輪運動過程。

圖7 手動和自動工作模式下的轉(zhuǎn)向特性Fig.7 The steering characteristic curve of manual and automatic modes

試驗結(jié)果表明，在手動轉(zhuǎn)向模式下，轉(zhuǎn)向過程有較為明顯的振蕩；在電控液壓系統(tǒng)的自動模式下，過程平順、無振蕩，且用時均減少約0.2 s(圖7)。說明該系統(tǒng)不僅可以替代人工手動操作，而且具有較好的穩(wěn)定性；在無算法的情況下，轉(zhuǎn)向過程超調(diào)量較大，輪胎劇烈往復擺動；在帶有死區(qū)的PD控制算法情況下，輪胎沒有明顯的往復運動，平均擺動次數(shù)1~2次(圖8)，超調(diào)量均保持在5%以內(nèi)，峰值時間在1 s內(nèi)，可以達到準確、穩(wěn)定的要求。

圖8 特定目標轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)向特性Fig.8 The steering characteristic curve of target angle

1323–1330．

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責任編輯：羅慧敏

英文編輯：羅 維

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Development of electro-hydraulic steering system based on agricultural vehicle

SHEN Wen-long1,2, XUE Jin-lin1,2*, ZHANG Yong1,2
(1.College of Engineering, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210031, China; 2.Key Laboratory of Intelligent Agricultural Equipment in Jiangsu Province, Nanjing 210031, China)

An electro-hydraulic steering system of agricultural vehicle was designed for automatic navigation based on a Maoyuan-250 tractor. An electro-hydraulic proportional valve, a directional valve and a relief valve were used to reconstruct the oil circuit of the original steering system of the tractor. And the electro-hydraulic proportional valve was controlled by a STC12C5A60S2 while an angle sensor was applied for feedback. A steering model based on PD control algorithm with dead zone was established by SimHydraulics, and experiments about left-and-right limit and four specific target angles were conducted on the real vehicle. The tests showed that the response time was reduced by 0.2 s and the overshoot was controlled within 5% compared with the original system.

agricultural vehicle; electro-hydraulic steering system; electronic control unit (ECU)

S219.032.3

A

1007?1032(2014)03?0325?05

10.13331/j.cnki.jhau.2014.03.020

投稿網(wǎng)址：http://www.hunau.net/qks

2013–11–29

中央高校基本科研業(yè)務費專項(KYZ201127)

沈文龍(1988—)，男，江蘇淮安人，碩士研究生，主要從事車輛自主導航研究，shen_wenlong@126.com；*通信作者，xuejinlin@njau.edu.cn