CN113147896B - 一种铰接转向分布式电驱动转向控制方法、***及装载机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铰接转向分布式电驱动转向控制方法、***及装载机，控制方法包括稳态模式和瞬态模式：在稳态模式下，根据当前车速和车架转角计算四车轮的稳态目标轮速，通过稳态目标轮速与反馈轮速闭环控制，计算得到各驱动轮输出转矩；在瞬态模式下，根据转向手柄开度变化率计算前后车架期望转向角速度增量，通过瞬态目标轮速与反馈轮速闭环控制，得到各驱动轮输出转矩。控制***，包括电驱动轮组、液压铰接转向***、前车架、转角传感器、铰接销轴、后车架、速度踏板、转向手柄、整车控制器。本发明解决了现有技术在转向过程中，机动性与稳定性差，转向能耗高，轮胎磨损严重的问题。

Description

一种铰接转向分布式电驱动转向控制方法、***及装载机

技术领域

本发明涉及一种铰接转向分布式电驱动转向控制方法、***及装载机，属于工程机械技术领域。

背景技术

随着石油资源的日益短缺和和环境污染趋于恶化，为了实现人类的可持续发展，工程机械对节能环保的要求越来越高。电动化不仅能解决节能减排的问题，还能够带动技术发展的飞跃，是社会发展的必然趋势。就装载机方面，电传动技术的应用可以取消传统液力变矩器，提高整机传动效率；电机作为执行部件可以实现无级变速，提高整机响应速度和平顺性；能够实现电控技术和总线技术的应用，为装载机向智能化和网联化方向发展提供基础。

铰接转向车辆可以通过前后车架的转动实现灵活转向，具有较强的通过性，能够适应恶劣环境下工作。目前铰接转向车辆普遍应用液压转向***，通过控制前后车体铰点左右两侧的液压缸的伸缩来完成转向动作，然而铰接转向***采用液力传动机构存在响应慢、稳定性差以及油耗高等问题，而且传统铰接转向的铰接车辆轮胎磨损较为严重。因此采取相应措施提高铰接车辆转向灵活性与稳定性，降低转向能耗与轮胎磨损迫在眉睫。

对于分布式电驱动的轮式车辆，因各电机可独立控制的特性，为动力学控制带来了更多可能性，除了传统的几何转向之外，还可以通过车轮速差的主动控制来实现车辆的转向。铰接转向分布式驱动车辆因为其同时具备电动轮独立驱动和铰接转向灵活的优势，己经引起工业界广泛的关注，在装载机和大型矿用自卸车等得到了迅速发展。特别是针对分布式驱动装载机，因为作业过程中前后桥车轮的载荷随装载量在不断变化，通过采用电驱动轮的差速控制与铰接转向相结合的方式，在转向过程中可以根据载荷变化动态分配各电机动力输出，从而达到提高转向机动性与稳定性，降低转向能耗，减小轮胎磨损的目的。

发明专利《全轮独立电驱动铰接车的差动辅助线控液压转向方法》(专利号：CN105857393B)结合当前车速大小、折腰角度大小进行计算得出差动转向中四个驱动轮的转速及转矩大小以及油缸作动行程大小，并没有将转向油缸动作导致的前车架和后车架的横摆运动以及二者横摆角速度的差异对驱动轮转速的影响考虑到轮速的计算中，只适用于本发明提到的稳态转向过程，针对瞬态转向过程，此种控制方法电机输出转矩产生的横摆力矩可能会与液压油缸动作的力矩方向相反，进而阻碍转向运动。

发明专利《单轴独立驱动铰接转向车辆差动协同转向***及其控制方法》(专利号：CN108674484B)中的差动转矩根据方向盘角速度采用比例控制器计算得出，只在方向盘角速度大于一定限值时提供差动力矩，因此只适用于驾驶员期望较大幅度的改变转向速度的工况；但在方向盘角速度小于此限值时，差动力矩为0，即在整车的期望转向角速度较小或者处于稳态转向时不能为液压转向***提供助力。而且转向时只控制单轴两驱差动，不能充分发挥四轮驱动优势。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种铰接转向分布式电驱动转向控制方法、***及装载机，解决了现有技术在转向过程中，机动性与稳定性差，转向能耗高，轮胎磨损严重的问题。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种铰接转向分布式电驱动转向控制方法，包括稳态模式和瞬态模式：

当转向处于稳态模式时，转向手柄开度为0，铰接转向油缸锁死不动作，具体步骤如下：

根据当前车速和车架转角计算四车轮的稳态目标轮速，

通过稳态目标轮速与反馈轮速闭环控制，计算各驱动轮稳态转向差动转矩，

纵向行驶转矩分量叠加稳态转向差动转矩得到各驱动轮输出转矩；

当转向处于瞬态模式时，转向手柄开度不为0，铰接转向油缸动作，具体步骤如下：

根据转向手柄开度变化率计算前后车架期望转向角速度增量：

计算转向手柄开度变化率：

式中△Y：转向手柄开度变化；Y₀：转向手柄开度初始值；Y_n：N个程序周期后手柄开度值；T：单个程序周期；

计算下一程序周期驾驶员期望的转向角速度增量：

式中ω_max为转向手柄开度最大时对应的转向角速度，Y_max为转向手柄最大开度值；

将期望角速度增量叠加到前后车架当前转向角速度得到下一程序周期期望转向角速度：

式中ω₁’为前车架期望转向角速度，ω₂’为后车架期望转向角速度，ω₁为前车架转向角速度，ω₂为后车架转向角速度；

根据前车架和后车架期望转向角速度计算车辆瞬态差速分量，

稳态目标轮速和瞬态差速分量矢量叠加得到瞬态目标轮速，

瞬态目标轮速与反馈轮速闭环控制，输出驱动轮目标转矩，

纵向行驶转矩分量叠加瞬态转向差动转矩得到各驱动轮输出转矩。

进一步地，前述转向处于稳态模式时，根据当前车速和车架转角计算四车轮的稳态目标轮速的具体步骤如下：

由铰接转向过程中的几何关系可以推导出四个车轮的转向半径，

R₁＝R₃＝L·cot(α/2)-B/2

R₂＝R₄＝L·cot(α/2)+B/2

各车轮与铰接中心绕转向中心的角速度相同，则

最终得出转向过程中四个车轮的稳态目标轮速：

式中n是车辆的行驶速度，n₁是左前电驱动轮的稳态轮速，n₂是右前电驱动轮的稳态轮速，n₃是左后电驱动轮的稳态轮速，n₄是右后电驱动轮的稳态轮速，α是前后车架间转角，B是轮距，L是铰接中心与前桥轴线/后桥轴线之间的距离，R₁是左前轮转向半径，R₂是右前轮转向半径，R₃是左后轮转向半径，R₄是右后轮转向半径，R₀是铰接中心与几何转向中心之间的距离。

进一步地，前述根据前车架和后车架期望转向角速度计算车辆瞬态差速分量的具体步骤如下：

假设车辆前进左转，根据车架的几何参数和后车架(11)期望转向角速度计算车轮绕铰接中心转动的线速度：

计算线速度在车轮纵向行驶方向的瞬态速度变化分量：

式中B是轮距，r是轮胎半径。

进一步地，前述稳态目标轮速和瞬态差速分量矢量叠加得到瞬态目标轮速的具体步骤如下：

将稳态目标速度与瞬态速度变化分量叠加得到瞬态目标轮速：

采用通用的方法可以得到其他各车轮的瞬态目标轮速：

式中n₁’是左前电驱动轮的瞬态轮速，n₂’是右前电驱动轮的瞬态轮速，n₃’是左后电驱动轮的瞬态轮速，n₄’是右后电驱动轮的瞬态轮速。

一种铰接转向分布式电驱动转向控制***，应用前述任意一项的一种铰接转向分布式电驱动转向控制方法，其特征在于，包括电驱动轮组、前车架、转角传感器、铰接销轴、后车架、液压铰接转向***、速度踏板、转向手柄、整车控制器；

前车架和后车架通过铰接销轴连接；

电驱动轮组、转角传感器、液压铰接转向***、速度踏板、转向手柄分别连接整车控制器。

进一步地，前述还包括连接前车架的前车架惯性传感器、连接后车架的后车架惯性传感器，前车架惯性传感器、后车架惯性传感器连接整车控制器。

进一步地，前述液压铰接转向***包括右转向油缸、左转向油缸，右转向油缸、左转向油缸对称分布在车架两侧，右转向油缸连接在前车架与后车架之间，左转向油缸连接在前车架与后车架之间。

一种装载机，包括前述任意一项的一种铰接转向分布式电驱动转向控制***。

本发明所达到的有益效果：

1.通过稳态和瞬态两种模式对电驱动轮进行差速控制，满足不同车况下的车速调整。

2.通过控制器的实时调整，能满足车辆满载及不同装载量下转弯时的车速要求。

3.电驱动轮差速控制和液压铰接转向结合，稳定性高、响应速度快、转向角度大，进一步提高整车的转向和通过能力。

4.能减小转向油缸的受力和轮胎磨损以及转向的功率消耗。

附图说明

图1是本发明铰接式电驱动装载机控制装置示意图；

图2是本发明控制***框图；

图3是本发明铰接转向原理图；

图4是本发明稳态转向控制流程图；

图5是本发明瞬态转向控制流程图。

图中附图标记的含义：1-右前电驱动轮；2-前车架；3-前车架惯性传感器；4-转角传感器；5-右转向油缸；6-右后电驱动轮；7-左前电驱动轮；8-左转向油缸；9-铰接销轴；10-后车架惯性传感器；11-后车架；12-左后电驱动轮；O-铰接中心；O₁-几何转向中心；α-前后车架间转角；α₁-前车架转角；α₂-后车架转角；ω₁-前车架转向角速度；ω₂-后车架转向角速度；R₀是铰接中心与几何转向中心之间的距离；R₁-左前轮转向半径；R₂-右前轮转向半径；R₃-左后轮转向半径；R₄-右后轮转向半径；B-轮距；L-铰接中心与前、后桥轴线距离；v₃-车轮绕铰接中心转动的线速度；△n₃-左后电驱动轮纵向行驶方向的瞬态速度变化分量；n₃-左后电驱动轮的稳态轮速。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本实施例涉及一种铰接转向分布式电驱动转向控制***，如图1、图2所示，包括电驱动轮组、液压铰接转向***、前车架2、前车架惯性传感器3、转角传感器4、铰接销轴9、后车架惯性传感器10、后车架11、速度踏板、转向手柄、整车控制器。其中，前车架2和后车架11通过铰接销轴9连接；电驱动轮组包括右前电驱动轮1、右后电驱动轮6、左前电驱动轮7、左后电驱动轮12；液压铰接转向***包括对称分布在车架两侧的右转向油缸5、左转向油缸8，油缸一端连接前车架2、一端连接后车架11，可调整前车架2、后车架11之间的相对转动；速度踏板控制车辆行驶速度，通过控制驱动轮纵向行驶转矩分量的实现；转向手柄开度对应目标转向角速度，通过转向比例阀控制液压铰接转向油缸动作的方向及快慢；转角传感器4连接铰接销轴9，可测量前、后车架之间转动的角度；两个惯性传感器分别安装在前车架2和后车架11上面，采集各自的转向角速度。整车控制器接收、处理速度踏板、转向手柄、转角传感器、惯性传感器传递的信息，再将处理完毕的信息输出至液压铰接转向***和电驱动轮组。液压铰接转向***接收整车控制器指令控制左、右转向油缸动作；左前、左后、右前和右后电驱动轮接收整车控制器的指令输出转矩，并实时反馈当前转速。整车控制器根据目标车速，转向角速度和整车反馈转角、前后车架角速度以及当前轮速计算各电驱动轮的转矩输出和转向油缸的动作。将电驱动轮差速控制和液压铰接转向结合，同步控制车辆的转向。

如图3所示，将装载机转向行驶分为稳态和瞬态两个模式，分别对应转向油缸锁死的稳态转向过程(转向半径固定)和铰接转向油缸动作的瞬态转向过程(转向半径变化)。

1、稳态模式

当车辆达到目标转角之后，以固定的转向半径进行稳态转向运动，此时转向油缸锁死不再动作，根据当前车速和转角传感器反馈车架转角，结合几何转向原理计算四车轮的目标转速。稳态模式目标轮速的具体计算过程如下所示：

如图3所示，首先由铰接转向过程中的几何关系可以推导出四个车轮的转向半径：

R₁＝R₃＝L·cot(α/2)-B/2

R₂＝R₄＝L·cot(α/2)+B/2

假设车辆的行驶速度为n，左前电驱动轮的稳态轮速为n₁，右前电驱动轮的稳态轮速为n₂，左后电驱动轮的稳态轮速为n₃，右后电驱动轮的稳态轮速为n₄。如图3所示，O与O₁间的距离为R₀，因为装载机作业过程中车速较低，忽略轮胎弹性侧偏的影响，另外假设车轮为纯滚动状态，车辆转向过程中车速匀速不变，那么各车轮与铰接中心O绕几何转向中心O₁的角速度相同，则：

最终可以解析出转向过程中四个车轮的稳态目标轮速：

其中铰接中心与前桥轴线，后桥轴线之间的距离相同，均为L。

然后通过稳态目标轮速和反馈轮速闭环计算驱动轮差动转矩，再叠加纵向行驶转矩分量后得到四驱动轮的输出转矩。因为稳态转向时，外侧目标转速大于内侧，最终外侧电机的输出转矩也将大于内侧，产生横摆力矩维持整车的稳态转向。稳态模式下，驱动电机转矩输出产生的横摆力矩可以达到提高稳态转向稳定性与减小油缸受力的目的。

稳态模式控制流程如图4所示：

1.转向手柄开度为0，铰接转向油缸锁死不动作，进入稳态转向模式；

2.根据当前车速和车架转角计算四车轮的稳态目标轮速；

3.通过稳态目标轮速与反馈轮速闭环控制，计算各驱动轮稳态转向差动转矩；

4.纵向行驶转矩分量叠加稳态转向差动转矩得到各驱动轮输出转矩。

2、瞬态模式：

当车辆未达到目标转向角度时，一方面需要绕整车转向中心进行稳态转向，另一方面油缸进一步伸缩运动导致前后车架分别绕铰接中心转动，此为瞬态转向过程。

铰接式装载机前后车架靠铰接销轴9铰接在一起，当转向开始时，左、右转向油缸开始伸缩，前、后车架发生相对运动，其运动情况不同，导致转向油缸作用在前后车架上大小相等但方向相反的力。以车辆左转为例，右转向油缸5伸出，左转向油缸8收缩，即转向油缸的力使前车架2绕铰接中心的力矩方向为逆时针，后车架11绕铰接中心的力矩为顺时针，导致前、后车架分别呈现绕铰接中心逆时针和瞬时针的瞬态运动方向。为了使转向过程中各车轮的目标轮速更合理，需要将此瞬态分量的影响考虑到轮速的匹配中。

但是由于装载机的作业特点，在空载，满载及不同装载量时前后轮的载荷分布会发生变化，导致在转向过程中虽然油缸动作作用在前后车架上的力大小相同，但是前后车架绕铰接中心转动的角度α₁与α₂以及角速度ω₁与ω₂并不一致，为此通过分别在前、后车架安装惯性传感器，测量各自的转向角速度(为了简化***，也可以通过实车标定得到装载量与前后车架转向角速度差异的关系，进而结合前后车架角度变化量估计前后车架转向角速度)。

考虑到程序控制的延时和液压***的滞后性，针对瞬态转向模式根据转向手柄的开度变化率对整车转向进行补偿控制。

首先计算转向手柄开度变化率：

△Y：转向手柄开度变化；Y₀：转向手柄开度初始值；Y_n：N个程序周期T后手柄开度值；

得出下一程序周期驾驶员期望的转向角速度增量：

ω_max为转向手柄开度最大时对应的转向角速度，Y_max为转向手柄最大开度值；

将角速度增量根据前、后车架当前转向角速度的差异分配到前后车架，得到下一程序周期期望的转向角速度：

式中ω₁'为前车架期望转向角速度，ω₂'为后车架期望转向角速度；

根据前、后车架期望转向角速度结合车辆的几何参数，分别计算前、后车架各轮的瞬态速度变化分量。最终将当前转角对应的稳态目标速度和瞬态速度分量进行矢量叠加得到四驱动车轮的目标转速。瞬态模式目标轮速的具体计算过程如下所示：

以前进左转为例分析左后电驱动轮12，如图3所示，首先根据车架的几何参数和后车架11期望转向角速度计算车轮绕铰接中心转动的线速度；

因电控***单个控制程序周期通常在100ms以内，忽略单个程序周期内车架转动对轮胎纵向行驶方向的影响，计算线速度在车轮纵向行驶方向的瞬态速度变化分量。

式中r为轮胎半径；

将稳态目标速度与瞬态速度变化分量叠加得到瞬态目标轮速：

采用通用的方法可以得到其他各车轮的瞬态目标轮速：

式中n₁’是左前电驱动轮的瞬态轮速，n₂’是右前电驱动轮的瞬态轮速，n₃’是左后电驱动轮的瞬态轮速，n₄’是右后电驱动轮的瞬态轮速。

在左转时，左后电驱动轮12与右前电驱动轮1的瞬态速度分量与稳态分量方向相同；左前电驱动轮7和右后电驱动轮6的瞬态速度分量与稳态分量方向相反。右转时则情况相反。

然后通过闭环控制计算驱动轮差动转矩，叠加纵向行驶转矩分量后得出四驱动轮的输出转矩。瞬态模式下，驱动电机转矩输出产生的横摆力矩可以达到减小转向时间，提高转向机动性与减小油缸受力的目的

瞬态模式控制流程如图4所示：

1.转向手柄开度不为0，铰接转向油缸动作，进入瞬态转向模式；

2.根据转向手柄开度变化率计算前后车架期望转向角速度增量；

3.将期望角速度增量叠加到前后车架当前转向角速度得到下一程序周期期望转向角速度；

4.根据前车架和后车架期望转向角速度计算车辆瞬态差速分量；

5.稳态目标轮速和瞬态差速分量矢量叠加得到瞬态目标轮速；

6.瞬态目标轮速与反馈轮速闭环控制，输出驱动轮目标转矩；

7.纵向行驶转矩分量叠加瞬态转向差动转矩得到各驱动轮输出转矩。

本发明通过稳态和瞬态两种模式对电驱动轮进行差速控制，满足不同车况下的车速调整；通过控制器的实时调整，满足车辆满载及不同装载量下转弯时的车速要求；电驱动轮差速控制和液压铰接转向结合，稳定性高、响应速度快、转向角度大，进一步提高整车的转向和通过能力；同时减小转向油缸的受力和轮胎磨损以及转向的功率消耗。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种铰接转向分布式电驱动转向控制方法，其特征在于，包括稳态模式和瞬态模式：

当转向处于稳态模式时，转向手柄开度为0，铰接转向油缸锁死不动作，具体步骤如下：

根据当前车速和车架转角计算四车轮的稳态目标轮速，

通过稳态目标轮速与反馈轮速闭环控制，计算各驱动轮稳态转向差动转矩，

纵向行驶转矩分量叠加稳态转向差动转矩得到各驱动轮输出转矩；

当转向处于瞬态模式时，转向手柄开度不为0，铰接转向油缸动作，具体步骤如下：

根据转向手柄开度变化率计算前后车架期望转向角速度增量：

计算转向手柄开度变化率：

式中△Y：转向手柄开度变化；Y₀：转向手柄开度初始值；Y_n：N个程序周期后手柄开度值；T：单个程序周期；

计算下一程序周期驾驶员期望的转向角速度增量：

式中ω_max为转向手柄开度最大时对应的转向角速度，Y_max为转向手柄最大开度值；

将期望角速度增量叠加到前后车架当前转向角速度得到下一程序周期期望转向角速度：

式中ω₁’为前车架期望转向角速度，ω₂’为后车架期望转向角速度，ω₁为前车架转向角速度，ω₂为后车架转向角速度；

根据前车架和后车架期望转向角速度计算车辆瞬态差速分量，

稳态目标轮速和瞬态差速分量矢量叠加得到瞬态目标轮速，

瞬态目标轮速与反馈轮速闭环控制，输出驱动轮目标转矩，

纵向行驶转矩分量叠加瞬态转向差动转矩得到各驱动轮输出转矩。

2.根据权利要求1所述的一种铰接转向分布式电驱动转向控制方法，其特征在于，所述转向处于稳态模式时，根据当前车速和车架转角计算四车轮的稳态目标轮速的具体步骤如下：

由铰接转向过程中的几何关系可以推导出四个车轮的转向半径，

R₁＝R₃＝L·cot(α/2)-B/2

R₂＝R₄＝L·cot(α/2)+B/2

各车轮与铰接中心绕转向中心的角速度相同，则

最终得出转向过程中四个车轮的稳态目标轮速：

式中n是车辆的行驶速度，n₁是左前电驱动轮的稳态轮速，n₂是右前电驱动轮的稳态轮速，n₃是左后电驱动轮的稳态轮速，n₄是右后电驱动轮的稳态轮速，α是前后车架间转角，B是轮距，L是铰接中心与前桥轴线/后桥轴线之间的距离，R₁是左前轮转向半径，R₂是右前轮转向半径，R₃是左后轮转向半径，R₄是右后轮转向半径，R₀是铰接中心与几何转向中心之间的距离。

3.根据权利要求2所述的一种铰接转向分布式电驱动转向控制方法，其特征在于，所述根据前车架和后车架期望转向角速度计算车辆瞬态差速分量的具体步骤如下：

假设车辆前进左转，根据车架的几何参数和后车架(11)期望转向角速度计算车轮绕铰接中心转动的线速度：

计算线速度在车轮纵向行驶方向的瞬态速度变化分量：

式中B是轮距，r是轮胎半径。

4.根据权利要求3所述的一种铰接转向分布式电驱动转向控制方法，其特征在于，所述稳态目标轮速和瞬态差速分量矢量叠加得到瞬态目标轮速的具体步骤如下：

将稳态目标速度与瞬态速度变化分量叠加得到瞬态目标轮速：

采用通用的方法可以得到其他各车轮的瞬态目标轮速：

式中n₁’是左前电驱动轮的瞬态轮速，n₂’是右前电驱动轮的瞬态轮速，n₃’是左后电驱动轮的瞬态轮速，n₄’是右后电驱动轮的瞬态轮速。

5.一种铰接转向分布式电驱动转向控制***，应用如权利要求1-4任意一项所述的一种铰接转向分布式电驱动转向控制方法，其特征在于，包括电驱动轮组、前车架(2)、转角传感器(4)、铰接销轴(9)、后车架(11)、液压铰接转向***、速度踏板、转向手柄、整车控制器；

所述前车架(2)和后车架(11)通过铰接销轴(9)连接；

所述电驱动轮组、转角传感器(4)、液压铰接转向***、速度踏板、转向手柄分别连接整车控制器。

6.根据权利要求5所述的一种铰接转向分布式电驱动转向控制***，其特征在于，还包括连接前车架(2)的前车架惯性传感器(3)、连接后车架(11)的后车架惯性传感器(10)，所述前车架惯性传感器(3)、后车架惯性传感器(10)连接整车控制器。

7.根据权利要求5所述的一种铰接转向分布式电驱动转向控制***，其特征在于，所述液压铰接转向***包括右转向油缸(5)、左转向油缸(8)，所述右转向油缸(5)、左转向油缸(8)对称分布在车架两侧，所述右转向油缸(5)连接在所述前车架(2)与后车架(11)之间，所述左转向油缸(8)连接在所述前车架(2)与后车架(11)之间。

8.一种装载机，其特征在于，包括如权利要求6-7中任意一项所述的一种铰接转向分布式电驱动转向控制***。

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