基于轮式工程机械电子防滑差速系统关键技术研究

术#系统选用ATMEL89CIO5单片机作为核心控制元件，采用模糊PID方法实现电子防滑差速系统3控制#阐述了系统工 作原理、硬件构成，介绍了软件结构及主要功能模块的实现方法，实现了最佳滑移率的控制，提高了自动控制程度及工作效 率。设计使轮式工程机械操作3稳定性得以提高，更好地满足了控制过程对自动化和智能化3要求，可为提高工程机械防滑

差速系统3功能提供参考#关键词：轮式工程机械；防滑差速系统；关键技术中图分类号：TU603

文献标志码：AResearch on Key Technology of Electronic Anti-skid Differential

System Based on Wheel Engineering MachineryLI Dong1 , LIU Zhigang1(1. College of Innovation and Entrepreaeurship Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute, Xi'an 710089；I. Transpower Hydraulic Engineering, Xi'an Co. , Ltd, Xi'an 710119$Abstract: In order to adapt the differential characteristics -o the changing external conditions in the driving process, this paper mainlys udies he key echnology of he wheeled engineering machinery elec ronic ani-skid diferenial sys em. AT-

MEL89CIO5 single-chip microcomputer is selected as the control core of the electronic anti-skid differential system. The system adopts fuzzy PID method to implement control. The working principle and hardware structure are explained. It introduces the softwarestructureandtheimplementationmethodsofthemainfunctionalmodulestoachievetheoptimalslipratecontroltarget

andimprovetheautomaticcontroldegreeandtheeficiency!sothatthestabilityofthewheeledconstruction machineryopera­tion is improved. The system better meets the automation and intelligent requirements of the control process, and provides ref-

erenceforimprovingthefunctionoftheengineering machineryanti-skiddiferentialsystem.Keywords: Wheeled construction machinery； Anti-skiddiferentialsystem； Keytechnologies辆易打滑进而使车辆操纵的稳定性、通过性受到影响,并且 在驱动过程中对外界变化的条件自动适应能力较差,自动控 制程度低,降低工作效率&在实际行驶或工作过程中,轮式 工程机械在转弯、道路不平或阻力不同的情况下,导致左右 两侧车轮转动的距离及所受滚动阻力不相等。两侧车轮即 使在直线行驶状态,受到磨损程度不均匀及不等的充气气压 等的影响,加之载荷不同，导致转过的转数不相等&如果简 单的将两侧车轮用一根整轴刚性的连接起来,易出现滑拖、 滑转、转向困难,导致轮胎磨损加速、动力消耗增加,对轮式 工程机械操纵的稳定性产生严重影响,为影响解决上述问

本文 轮式工程 械 防 速 技术 研究 通 自动防 速 的设 实现自动防 能 高了操纵的自动化和智能化水平,使轮胎磨损及发动机功耗得 以有效降低,在提高轮式工程机械动力性的同时确保了操纵 的稳定性和安全性(1)&0引言轮式工程机械通常处在比较恶劣工作环境中,良好的防 滑能力对其来说极为重要,不同于履带式工程机械自带较强

的防滑能力,轮式工程机械需以防滑差速系统实现防滑功

能，传统的轮式工程机械已经难以满足差速方面的需求,随

着工程机械的自动化程度的不断提高,对轮式工程机械差速 器系统进行研究以为国产工程机械安全性的提高提供支撑,

进而提高工程机械工业的国际竞争力，本文主要研究了基于

轮式工程机械电子防滑差速系统关键技术及实现路径,为提

高工程机械差速系统的防滑功能提供参考&1需求分析作为重要的机械设备工程机械涉及到众多的工程施工, 包括市政工程、交通建设、水利电力等,传统轮式工程机械的

差速器的防滑功能已经难以满足需求,影响车辆操纵的稳定

2

防滑差速系统的控制目标工程机械行驶时,驱动轮在地面上的滑转与否取决于驱性,存在差速器的自锁系数范围及防滑功能受限等问题,车作者简介:李栋(1983-),男，西安人,讲师，硕士 ,研究方向：机电一体化技术。刘志刚(1979-),男，唐山人,工程师，硕士 ,研究方向：机械设计制造及其自动化技术&・113・Microcomputer Applications Vol. 35,No. 6,2019研究与设计微型电脳％用2019年第35 ）第6期动力和附着 的 ，增大的驱动力受限于地面附着力,样处理、电磁阀控制等电路构成，系统核心采用AT89C2051

单片机！

附着 驱动 即 现打滑，假设驱动 Ft表感器信号和控制电磁阀状态 处理&单脚的连接 （包括地址分配）为\"感器采集的示（单位为N）,车轮 o表示，驱动力（指作用在驱动轮片

上的力）矩由Cn表示（单位为N・m）,车轮同地面间的附着

*表示，车轮载荷由Fz表示（单位为N）,则在实际在

信号由P3. 2、P3. 3管脚负责处理；电磁阀的通断状态则由

P1.6、P1.7完成控制，以对压力的大

控制；X25045看行驶过程中工程机械需满足附着条件如式（1）。Ft = Mn/r : Fz 6 *

门狗电路则连接P1. 0〜P1. 3⑷&（1）（1 ） 护 路工程机械的驱动力在行驶过程中会随着驱动轮转矩的 增大而增大，驱动轮在地面附着 ，当附着 （车轮与地面间）

作为可编程电路的一种，X25045具备 能，包括电驱动 即 现滑门压监控、看门狗和 EEPROM功能，可 路对电路板空，车辆在驱动轮不的需求得以有效

高于设

，扌 3个 可 ，系统的转动的

驱动轮 轮的行驶速 rad/s）,则驱动轮

然处于原地不动状态，驱动轮

（SQ表示驱动轮的

V表示、瞬 周速

的保护功能由X25045中的看门狗负责，如

上限时，看

现故障程度，假设滚动状态Dw表示（单向CPU作出反应（具体通过到允

复通过RESET信号）。X25045的电压监控功能了确保系统免

位为m/s）,表示车轮 ，车轮转动角速 •表示（单位（2）受 压的影响，系统在电源电压

如式（2）（）。位，直到电源电压达到稳定值&Sd = （Dw —D）/Dw Z100% = （r#-D）/r#X 100% （2） 磁 控制所占比例的增大而增大，工程机械的行驶速度在车轮纯滚动状态轮的滚动速度#

Sd = 0）,此时D =r#；当车轮处于Sd = 100%），车速D =0；当车轮处Sm在轮转动过程中随着 侧车轮在路面上的附着 片的锁

不 ！ 片的锁磁阀通定程度的调整，具体通 压 的压’摩控制，压力大小的控制则通

状态时#

到最大程度的 ！ 20%内，以防止驱动

边滚边滑状态时（0+Sd + 100% ）,#〉D &

目

附着 〔实现，电磁阀的通断则通过单片机的Pl. 6、P1. 7管脚完成 控制 程&（3） 轮速识别控制在10%〜轮 ，从而实现最大驱动力的获通过轮速传感器信号的感知，实现控制所 考变取，以保证方向稳定性和转向控制能 求⑵。量（如 、车轮加速度）通 的获 程，在此纵稳定性的获取，作为实3自动防滑差速系统结构设计3. 1系统机械结构基础上完成控制过程，实现

现防滑控制的 现，本文

路

环 ，轮速识别通过轮速传感器实感器，通过放大、调整处理！ 成到单片机P3. 2、EE- SX670- 4型

防 速控制 如 1 所示。感器信号

P3. 3管脚的输入过程，实现轮速识4系统软件设计磁阀的控制通过比较判断实时采集到的 与相设设定值，在此基础上实现自动控制过程，为符

准，使用C 的控制程序（主要 、电磁控制、设定值装载、定时中 、 储等子程序构成） 写，以实现各 能，控制

示，定时中断服务程序如图3所示（）。离合器 摩擦片

流程具体如图2所离合器摩擦片|初始化|图1 防滑差速控制系统磁阀和蓄能 装在 速系统上（即 变化,

端的I TO、T1至置頑］ | T0,Tl内部RAM启动计数］|_+断停止计数，计算转数|片 片），对增减压的控制通 压 感器实现,锁止程度通过这种方式可实现 控制液力操

纵，是可变锁止差速系统的一种，由蓄能器的高压油液提供控制压力，控制压力值大小的调节则通过由电控单元通过电磁 成。电控单元接收到传感器（压力和驱动轮轮速）产生

的信号后实行反馈控制，差速 的 控制方式，能够在允&在车辆

控制驱动轮、驱动桥的 的锁止程

速| PID控制程序控制电磁硏，以最大程度的发挥驱动力，从而使工程机械与行驶稳定

附着 3.2

以提高！ 驱动轮在弯道上或分不同的路面上行驶时，能保证行驶的稳定性&硬件电路设计系统硬件电路主要由单片机及外围、系统保护、轮速采・ 114 ・图2控制系统软件流程图Microcomputer Applications Vol. 35,No. 6,2019研究与设计微型电脳％用2019年第35 )第6期(定时中断子程序开始)| EA=0定时寄存器R0++ 小、正大)作为子项，如图4( c )所示()&R0=0TH0=TL0,EA=lj(子程序结束)图3定时中断服务子程序(b) △；隶属度函数4. 1轮速识别算法轮速的常用计算方法主要有：(1)频率法，轮速的计算

通过对轮速信号脉冲在单位时间内的个数进行测量；(2)周 期法,对轮速脉冲信号周期(即轮速传感器齿圈每转一个齿 所需时间)采用时标填充的方法进行测量，据此完成轮速的

计算；(3)多倍周期法，在测量低速时具备较高的精度，采用 频率法测量高速则具备较高的精度。因此多倍周期法是在 结合周期法和频率法的基础上，通过轮速脉冲周期倍乘措施

-1.0 -0.5 0

4 隶属0.5 1.0(c)油压隶属度函数控制变量为实际滑移率同设定的期望滑移率的差值，根 控制 控制 通 PID 控制 ! 成输出油压大小的调节进而实现对差速器锁止程度的控制，最

的采用，实现对轮速识别范围的拓宽，按固定的分频数对轮

速脉冲信号进行分频处理，倍乘被测周期，完成轮速信号脉

冲频率的计算，从而提高识别精度页&4. 2电磁阀控制方法终实现在期望值附近保持驱动轮滑移率。5总结目前防滑系统控制算法的效果大多受到一定的局限，需 提高控制系统的智能性以满足要求，本文采用模糊PID控制

在驱动 程中 速 变 的 的适应性，本文主要研究了基于轮式工程机械电子防滑差速系 统关键技术，系统控制核心选用ATMEL89C205单片机，对 防 速 采 PID 方 控制 ! 的工作原理、硬件构成进行了阐述，介绍了软件结构及主要功

方法，即常规PID算法结合模糊技术，比模糊控制器或PID

控制器的控制性能更好，对电磁阀的控制采用模糊PID控制

方法完成，为提高控制器消除静态误差的能力，以使静态性

能得以改善，通过一个模糊积分单元的增加，完成模糊PID

能模块的实现方法，实现最佳滑移率的控制目标，提高了自

控制过程&(1) 常规PID算法动控制程度及工作效率,从而使轮式工程机械操作的稳定性 得以提高，更好的满足控制过程的自动化和智能化需求，为

假设，比例系数由Fp表示，系统输出量同给定量间的偏

起步、行驶过程中的车辆提供最佳驱动力&差由&表示，积分系数由F表示，偏差之和由表示,

微分系数由Fd表示，偏差变化率由& —欣―1表示，控制器的

输出由8!表示，则常规PID控制算法表达式(3)()。uk = FPek +Fi,&+ Fd (ek —e—)

参考文献(1) 王众.汽车防滑控制液压制动系统分析与应用［J).电

脑迷.2018(11):144-145.［2) 门亚玲.基于模糊算法的工程机械驱动防滑控制系统

设计［J).自动化与仪器仪表,2016(11):94-96.(3)(2) 隶属度函数的设计选用单变量二维模糊控制器，基于滑移率的模糊控制算 法，由5表示期望滑移率，由；表示误差的变化率，定义系

() 余卓平，王™博，熊璐，等.分布式驱动电动客车驱动防

滑控制效果分析［J).汽车技术,2016(3):18-25.统误差表示为：E=S—St。模糊控制器的输入语言变量为 E、£,电磁阀开口度作为输出语言变量，采用Mamdani极大 极小法作为算法。通常情况下，轮胎与路面间的纵向附着系

数在车轮滑转率在15%〜30%区间内有最大值，因此取St =0. 2；因滑移率在［0,1］范围内变化，则E的变化范围为

［4) 马浩军，朱绍鹏，俞小莉，等.考虑侧倾运动的电动汽车

电子差速控制(J).浙江大学学报(工学版)，2016(3)：

566-573［5) Ossama Mokhiamar, Masato Abe. How the four

wheels should share forces in an optimum cooperative

［ — 0.2,0.8),其论域取值为［ — 2,8)，如图4(a)所示；对于 chassis control(J). Control Engineering Practice, 2005(3)：295-304.驱动过程，E取值在零附近是理想情况，E偏小则其对应的

论域区域小，划分其论域区域无需过密，因此以(负大、负中、

零、正小、正中、正大)作为滑移率误差的语言子项，在论域上

［) 吴志军，刘大学，方栋华.基于模糊控制的后轮独立驱

动纯电动汽车驱动控制策略研究［J).浙江交通职业技

各子项隶属度函数呈三角形分布，滑移率误差变化率变化区 术学院学报，2018(3):1217.间(由△；表示)为［ — 6,6),以(负大、负中、负小、零、正小、正

中、正大)作为△；子项，如图4(b)所示；输出语言变量采用

(7) 梁志伟，朱绍鹏，刘震涛，等.分布式后驱电动客车驱动

防滑系统设计及验证［J).机电工程,2018(7):760-766.(收稿日期：2018.12.11)输出油压大小，其论域区域为［-1,1),以(负大、负小、零、正・115