自行式模塊車多車并車電控技術

余佳1 王力波1 王裕民2

1. 湖北三江航天萬山特種車輛有限公司 湖北孝感 432000

2. 武昌船舶重工集團有限公司 湖北武漢 430000

自行式模塊車多車并車電控技術

余佳1 王力波1 王裕民2

1. 湖北三江航天萬山特種車輛有限公司 湖北孝感 432000

2. 武昌船舶重工集團有限公司 湖北武漢 430000

介紹了一種基于CAN總線的自行式模塊車多車并車電控技術，對硬件搭建及各個功能模塊的控制策略進行了介紹。該電控系統(tǒng)集成了多條總線，多個控制器及傳感器，可實現多臺車輛并車。

CAN總線 并車 電控技術

1 前言

自行式模塊運輸車是一種功能復雜的機電液一體化地面車輛，適用于大型貨物長距離運輸及工程現場設備轉運[1]。某系列自行式模塊運輸車是一款自主研發(fā)，配備無線遙控器、可編程液晶顯示器、液壓懸掛，液壓驅動，獨立轉向功能的自行式模塊車。該車不受場地限制，移動精度高，具有橫向、斜行、前轉、后轉、原地轉圈等多種轉向模式。一臺自行式模塊運輸車由1個動力模塊和N（N≥1）個模塊單元車組成。模塊單元車可以橫向和縱向拼接，每個模塊單元車可以配置不同懸掛數量，每排懸掛稱為一個軸線。模塊運輸車的結構簡圖如圖1所示。

多車并車技術是自行式模塊車的核心技術，應用該技術可以解決特大型貨物的運輸問題，使運輸靈活便捷。目前國外的多車并車技術發(fā)展較為成熟，最大噸位運輸實例為德國某公司540軸線聯合并車運輸15 000 t級海洋平臺。而國內的多車并車技術處于起步階段，并車數量少，并車形式固定，主要原因是沒有解決通訊、多輪轉向控制、同步控制等技術難題，嚴重影響了國內同類型重型運輸裝備的發(fā)展。因此本文介紹的多車并車技術的研發(fā)及成功應用具有重要意義。

2 并車方案

自行式模塊運輸車可以實現任意位置多車并車功能，即多臺車輛協同運作。并車時，首先選定一臺車為主車，其他車輛則為從車，用主車遙控器可以控制所有車輛協同運行。

3 控制系統(tǒng)組成

控制器局域網絡（Controller Area Network）最初是由德國某公司為汽車的監(jiān)測與控制設計的，具有通訊速率快，安全可靠，結構簡單的優(yōu)點[2]。該系列自行式模塊車裝配德國控制器、10″可編程顯示器，無線遙控器等先進設備，應用控制器對驅動、轉向、頂升等各車輛功能進行控制。并車時，只需通過CAN總線把每臺車連接起來，就可以實現車輛間的通訊。由于系統(tǒng)復雜，在CAN總線網絡設計中，應用了多個控制器并搭建了多條獨立總線，具體如圖2所示。

“CAN1”為動力模塊和模塊單元車的內部總線，它將每個單元內的控制器及CAN設備連接在一起，實現通訊；“CAN2”為自行式模塊運輸車的內部總線，它將動力模塊和模塊單元車連接在一起，實現通訊；“CAN3”為并車總線，它將多臺車輛連接在一起，在并車時發(fā)揮作用。相對獨立的總線搭建符合模塊化設計思想，便于模塊間的任意組合。

4 控制原理

4.1 驅動功能

模塊車采用變量泵、變量馬達的閉式液壓系統(tǒng)?？刂破鞑杉b控器發(fā)送的油門控制信號，按照線性對應關系控制發(fā)動機轉速，然后控制器調用驅動功率匹配模塊計算變量泵和變量馬達的控制變量并輸出。

并車驅動電控系統(tǒng)如圖3所示，主控車輛采集控制信號發(fā)送給從車，因為并車車輛配備相同的動力系統(tǒng)，所以相同的控制信號即可得到較好的驅動同步性。但是這樣簡單的控制策略遠不能滿足實際運輸使用需求。

并車時，每臺模塊運輸車可能配置了不同個數的驅動馬達。如兩臺車并車，一臺車配置一個動力模塊和一個四軸線模塊單元車，四軸線模塊單元車配置2個驅動馬達；另一臺車配置一個動力模塊和一個六軸線模塊單元車，六軸線模塊單元車配置4個驅動馬達。這樣兩臺車在相同發(fā)動機轉速控制信號和相同控制策略下，由于馬達排量差異，二驅車輛車速一定大于四驅車輛車速。所以多車并車時，車輛間需交換驅動馬達數量信息，以配置最多驅動馬達車輛為基準，按驅動數量比例降低其他車輛變量泵排量。

多車并車轉彎時，由于轉彎半徑不同，每臺車的轉速也不一樣，要達到驅動一致，需要以具有最大轉彎半徑的車輛為基準，按照轉彎半徑比例降低其他車輛變量泵排量。

4.2 轉向功能

自行式模塊運輸車采用全輪獨立轉向技術，可實現多種模式的轉向功能。單車工作時，控制器采集轉向手柄的轉向角度信號，根據車輛輪組距離信息，計算出不同模式下每個輪組的目標轉角，然后采集每個輪組的角度傳感器信號，比較后得出正向或反向的控制信號發(fā)送至比例閥，角度誤差控制在0.6°以內。

多車并車時，每臺車輛的位置可以在有效通訊范圍內隨意擺放，但必須建立并車系所有輪組的數學模型，才能計算每種模式各種控制轉角下全部輪組的目標轉角。首先，將并車系內每臺車編號，然后建立坐標系，坐標原點的選擇以方便測量為原則，在主車人機界面上根據編號輸入每臺車的坐標，坐標信息包括 X坐標、 Y坐標和傾角；然后主車將相對坐標系信息轉換為絕對坐標系信息，發(fā)送給從車；以絕對坐標系中絕對值最大的橫坐標和縱坐標為標準，在四個象限內分別定義一個點為虛擬輪組，將手柄的控制轉角根據方向等同于虛擬轉角的目標轉角。這樣，即可保證所有實際輪組的目標轉角均小于控制轉角，從而避免輪組轉角超限。最后車輛控制器可根據數學模型計算輪組的目標轉角。

以普通轉向模式為例，建立轉向角度數學模型，如圖4所示。設控制轉角為α，對應的虛擬輪組坐標為(X0,Y0)，1號車的左前輪目標轉角為β1，坐標為(X1, Y1)，同理2號、3號車的左前輪目標轉角依次為β2、β3， 坐標為(X2,Y2) 、(X3,Y3)，3號車傾角為θ。

在并車轉向過程控制中，控制器以轉向系中具有最小轉向誤差的輪組為目標，采用分段PID控制算法調節(jié)比例閥控制電流大小[3]，確保整車的轉向同步性。

4.3 頂升功能

自行式模塊車采用負載敏感恒功率開式液壓系統(tǒng)。多車并車時，將所有車輛的懸掛總成分為3組或4組，如圖5所示。同一組懸掛內的液壓缸油路相通，壓力相等。由于每臺車的4個角都有壓力傳感器、高度傳感器和頂升控制電磁閥，多車分組后，每組可能有多個傳感器和電磁閥。選取每組內的一個傳感器和一個電磁閥有效，即可采用與單車相同的頂升控制策略控制并車頂升。與坐標采集一樣，在主車的人機界面配置每臺車的高度、壓力傳感器和電磁閥是否有效。

5 應用實例

2014年，該系列模塊車10臺車共154軸線在武漢并車，完成5 200 t整船運輸工作，刷新了國內模塊車并車紀錄和國內模塊車最大噸位運輸紀錄。自行式模塊車的多車并車技術對特大型貨物的運輸具有重要意義，應用實例如圖6所示。

6 結語

a. 采用模塊化設計思想搭建多條系統(tǒng)總線，便于模塊車組合、并車，能夠提高電控系統(tǒng)安全性。

b. 考慮多種工況下的驅動功率匹配，改進驅動控制算法保證并車驅動同步性。

c. 應用坐標系建模方法，實現任意位置并車轉向角度計算功能，打破了傳統(tǒng)重型工程裝備并車數量少、位置固定等局限。

[1] 何適,徐代友.自行式模塊車電控系統(tǒng)故障診斷技術研究[J].數字技術與應用, 2011(8)∶77-78.

[2] 羅峰,孫澤昌.汽車CAN總線系統(tǒng)原理、設計及應用[M].北京∶電子工業(yè)出版社,2010.

[3] 汪星剛,盛步云,鄭紹春.重型平板運輸車轉向系統(tǒng)協同控制技術的研究[J].機床與液壓,2006(1)∶120-121.

Electronic Control Technology of Paralleling Vehicles for Self-propelled Modular Transporter

YU Jia et al

The electronic control technology of paralleling vehicles for self-propelled modular transporter base on CAN bus was introduced, build of hardware and controllingstrategy of function modules were discussed. The electronic control system is a complex system, contains some CAN buses，some controllers and sensors. For Paralleling vehicles coordinating move, communication must be guaranteed and different arithmetic must be applied.

CAN bus; paralleling vehicles; electronic control technology

余佳，女，1986年生，工程師，現從事重型工程裝備電控系統(tǒng)設計工作。

U469.6.02

A

1004-0226(2015)06-0105-03

2015-04-01