劉規(guī)劃

（1.東華大學信息科學與技術(shù)學院，上海 200051；2.天合汽車零部件（上海）有限公司，上海 201814）

電動助力轉(zhuǎn)向測試系統(tǒng)設(shè)計

劉規(guī)劃1，2

（1.東華大學信息科學與技術(shù)學院，上海 200051；2.天合汽車零部件（上海）有限公司，上海 201814）

在介紹汽車電動助力轉(zhuǎn)向(EPS)測試系統(tǒng)的基本原理和基本構(gòu)成的基礎(chǔ)上，針對電動助力轉(zhuǎn)向性能評估與測試的需要，提出了一種基于虛擬儀器技術(shù)的測試系統(tǒng)平臺構(gòu)建實現(xiàn)方式。采用本測試系統(tǒng)可以采集電動助力轉(zhuǎn)向控制過程中的各種信號，為電動助力轉(zhuǎn)向控制策略和控制參數(shù)的優(yōu)化提供依據(jù)。測試結(jié)果表明該測試系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)精準度高，處理結(jié)果穩(wěn)定可靠。

電動助力轉(zhuǎn)向；測試系統(tǒng)；虛擬儀器；LabVIEW；數(shù)據(jù)采集

汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車的重要安全部件之一，其持續(xù)耐久的正常工作是汽車行駛安全性與可靠性的有力保障。而要驗證該系統(tǒng)的可靠性及評估其性能是否能達到要求，需要具備電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的測試平臺來執(zhí)行驗證和評估。目前，盡管國內(nèi)外EPS技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但對提高電動助力轉(zhuǎn)向的核心部件電子控制器（ECU）的綜合性能上，還有很廣的研究空間。且隨著該技術(shù)的成熟，如何進一步的降低成本、減少安全風險、縮短開發(fā)周期也成為新的關(guān)注點?；谔摂M儀器技術(shù)依靠LabVIEW編程平臺和NI數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)建測試測控平臺，能夠便捷準確地獲得EPS的基本性能參數(shù)與數(shù)據(jù)，對EPS特性進行深度分析，利用這些參數(shù)、數(shù)據(jù)及分析結(jié)果，對深入研究EPS自身工作特性、優(yōu)化EPS控制器控制邏輯和算法[1]、縮短EPS的開發(fā)周期等都是非常有益的。

1 測試系統(tǒng)原理

檢測EPS系統(tǒng)的工作特性是EPS設(shè)計開發(fā)的重要環(huán)節(jié)之一。EPS測試系統(tǒng)工作時，測控系統(tǒng)軟件控制伺服電機，使伺服電機輸出轉(zhuǎn)動扭矩給電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方向盤輸入端，EPS控制器根據(jù)采集到的扭矩傳感器的扭矩信號、NI采集卡發(fā)出的模擬車速信號、發(fā)動機引擎轉(zhuǎn)速信號等按照控制器中設(shè)定的軟件助力策略控制電機電流的幅值和方向，輸出轉(zhuǎn)向助力，后端磁粉制動器模擬車輛的前輪與地面摩擦力產(chǎn)生的阻力矩加載在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的輸出端，從而形成一個完全模擬整車實車環(huán)境的測試環(huán)境。

2 測試系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計構(gòu)建的EPS測試系統(tǒng)平臺機械結(jié)構(gòu)包括測試臺架，模擬轉(zhuǎn)向盤裝置（包括伺服電機、輸入扭矩傳感器、聯(lián)軸器），待測EPS（包括渦輪蝸桿減速機構(gòu)、扭矩傳感器、控制器、直流有刷電機）、轉(zhuǎn)向傳動軸、加載裝置（包括輸出扭矩傳感器、磁粉制動器）等組件。測控系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 EPS測試系統(tǒng)臺架機械結(jié)構(gòu)圖

3 測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

測試系統(tǒng)的硬件電氣部分由輸入端轉(zhuǎn)向驅(qū)動模塊、輸出端轉(zhuǎn)向阻力加載模塊和測控模塊構(gòu)成。

3.1 轉(zhuǎn)向驅(qū)動模塊和阻力加載模塊

EPS輸入端轉(zhuǎn)向驅(qū)動模塊由安裝在測試臺架上的伺服電機和安裝在測試機柜中的電機伺服驅(qū)動板兩部分組成。工業(yè)控制計算機經(jīng)由屏蔽信號線纜連接電機伺服驅(qū)動板，根據(jù)上位機軟件中設(shè)定的伺服電機旋轉(zhuǎn)角度、扭矩和轉(zhuǎn)速的參數(shù)，由驅(qū)動電路驅(qū)動伺服電機按測試要求運轉(zhuǎn)，來模擬駕駛?cè)藛T實際駕駛車輛時轉(zhuǎn)動方向盤的動作[3]。EPS輸出端轉(zhuǎn)向阻力加載模塊由磁粉制動器模擬為自動測試提供轉(zhuǎn)向阻力矩。測控軟件界面中設(shè)置加載參數(shù)并通過多功能采集卡輸出控制信號以控制磁粉控制器加載需要的阻力矩。

3.2 測控模塊

測控模塊置于測試機柜中，由工控機、數(shù)據(jù)采集模塊、信號轉(zhuǎn)接板和程控電源等組成，見圖2。測控模塊以工業(yè)控制計算機為核心，結(jié)合多功能數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW測控軟件實現(xiàn)具有測控測量功能的虛擬儀器。計算機控制伺服電機提供轉(zhuǎn)向輸入端的輸入扭矩，同時以數(shù)據(jù)采集卡采集輸入和輸出扭矩傳感器信號、電流傳感器信號和輸入轉(zhuǎn)角信號，作為上位機軟件計算和評估的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

工業(yè)計算機為虛擬儀器提供硬件平臺支持，其PCI插槽用于插接多功能數(shù)據(jù)采集卡，其串口與伺服電機模塊通信，其USB接口與可編程直流電源通信。該測控平臺工業(yè)計算機采用研華IPC-610L，其CPU是奔騰雙核E7400，主頻2.8 GHz，內(nèi)存4 GB，500 G硬盤，具有4個高速PCI插槽。這款工業(yè)計算機性能穩(wěn)定，能適應(yīng)較惡劣的環(huán)境，可滿足測試的需要。數(shù)據(jù)采集卡采用NI PCI-9229多功能卡，該卡具有250 kS/s的采樣率和16位A/D轉(zhuǎn)換器分辨率，并具有32路16位模擬輸入、4路16位模擬輸出(833 kS/s)、48路數(shù)字I/O，2個32位計數(shù)器和一個頻率發(fā)生器，能對測試中的各種信號進行高效地實時采集[4]。用于采集助力電機電流的電流傳感器采用LEM CS050EK1型號，其原邊額定輸入電流為50 A，線性度≤1%FS，響應(yīng)時間≤7μs，滿足電機最大30 A電流的測量需要。對扭矩傳感器，輸入端采用JN338AE-50，其轉(zhuǎn)矩準確度≤0.5%，測量轉(zhuǎn)矩范圍是≤50 N·m，輸出端采用JN338AE-100，其轉(zhuǎn)矩準確度≤0.5%，測量轉(zhuǎn)矩范圍是≤100 N·m。

圖2 測控模塊硬件構(gòu)成圖

3.3 信號轉(zhuǎn)換電路

測控系統(tǒng)對信號的采集和供給是通過插在工控機PCI插槽上的NI數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)，由于采集卡的數(shù)字信號I/O電平是標準TTL電平（0 V和+5V），模擬信號的采集和輸出最大峰值是+10 V電壓，但對于EPS系統(tǒng)點火信號需要12 V模擬信號，引擎信號和車速信號需要0 V/5 V的PWM方波信號，而且NI采集卡的AO信號端口最大驅(qū)動電流為5 mA，DO信號端口最大驅(qū)動電流為24 mA，不能滿足EPS控制器的信號驅(qū)動能力。這就需要有一塊用于匹配NI數(shù)據(jù)采集卡和控制器之間信號電平轉(zhuǎn)換的電路板，如下是對此信號轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計。

NI多功能采集卡輸出+5 V時由轉(zhuǎn)接板轉(zhuǎn)換為輸出+12 V電路如圖3。

圖3 +5 V轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)接板輸出+12 V電路

圖3轉(zhuǎn)換電路采用NPN型三極管作為開關(guān)電路，使用+5 V驅(qū)動三極管接通和關(guān)閉上拉的+12 V電源，當三極管基極由NI采集卡輸入+5 V時，三極管導通，則電路輸出0 V。而當三極管基極由NI采集卡輸入0 V時，三極管截止（不導通），輸出端由上拉電源提供12 V。此電路為輸入和輸出反向邏輯關(guān)系的電路，需要在使用時由上位機LabVIEW程序做反向處理。

NI多功能采集卡采集+12 V信號時由轉(zhuǎn)接板轉(zhuǎn)換為采集+5 V電路如圖4。

此轉(zhuǎn)換電路采用二極管作為開關(guān)電路，當輸入端是0 V時，二極管導通，則輸出端為0V（VCC為+5 V）。當輸入端為12 V，二極管不導通，則輸出端輸出上拉電源的+5 V。此輸入輸出為正向邏輯關(guān)系，不需上位機程序做反向處理。

圖4 12 V信號轉(zhuǎn)換為+5 V電路

4 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

本測試系統(tǒng)采用虛擬儀器技術(shù)，以LabVIEW為軟件編程平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信號的產(chǎn)生和設(shè)備的控制。LabVIEW（Laboratory Virtual Instru? ment Engineering Workbench）是一種用圖標代替文本代碼行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程平臺，它具有一個可以完成任何測量編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫，LabVIEW的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、GPIB控制、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等等，因此在測試測量領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢，是在工業(yè)領(lǐng)域和研究實驗室應(yīng)用十分廣泛的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件[5]。

4.1 測控軟件基本功能

使用LabVIEW編制的上位機軟件實現(xiàn)如下的功能：控制測試系統(tǒng)的供電電源，設(shè)置伺服電機和磁粉制動器工作參數(shù)并控制其運行，輸出EPS控制器需要的信號，采集扭矩傳感器和電流傳感器的信號，繪制特性曲線和顯示評估指標等[2]?；谶@些軟件基本功能實現(xiàn)測試輸入輸出特性曲線、助力電流特性曲線、主動回正特性曲線、最大助力電流、最大/最小轉(zhuǎn)動力矩、空載轉(zhuǎn)動力矩、功效測量曲線、磁滯現(xiàn)象評價曲線、K因子曲線等評價EPS性能參數(shù)的特性測試并在虛擬儀器界面上實時顯示測量數(shù)據(jù)及性能分析評估結(jié)果。

測控軟件界面上需要顯示的信息如下：

（1）輸入轉(zhuǎn)矩值、輸出轉(zhuǎn)矩值、輸入軸轉(zhuǎn)速、磁粉制動器制動力矩；（2）車速值、引擎轉(zhuǎn)速值、點火開關(guān)狀態(tài)；（3）輸入輸出特性和助力電流特性曲線對稱度計算值；

（4）空載左/右轉(zhuǎn)輸入力矩值；

（5）EPS控制器當前診斷代碼（通過CAN總線發(fā)出）；

（6）測試曲線結(jié)果；

（7）最大助力電流值；

（8）位置傳感器信號采集值；

（9）伺服電機轉(zhuǎn)動角度值；

軟件界面采用虛擬儀表呈現(xiàn)，所有數(shù)據(jù)實時顯示，500 ms刷新一次。

4.2 信號采集與輸出

本測試系統(tǒng)需要軟件驅(qū)動多功能采集卡提供給EPS系統(tǒng)使其正常運行的信號有：模擬車速信號、發(fā)動機引擎轉(zhuǎn)速信號，發(fā)動機點火開關(guān)信號；針對測試臺的控制輸出信號有：為EPS系統(tǒng)提供輸入扭矩的伺服電機控制信號、試驗臺模擬負載磁粉制動器加載扭矩調(diào)整信號等。測試系統(tǒng)需要采集的數(shù)據(jù)有：EPS系統(tǒng)工作電壓、助力馬達電流、EPS系統(tǒng)輸入輸出端扭矩和轉(zhuǎn)動角度等。

上位機軟件通過NI采集卡輸出和采集信號，并實現(xiàn)對設(shè)備的控制，圖5是信號采集與輸出框圖。

圖5 信號采集與輸出框圖

4.3 測控軟件模塊框圖

本電動助力轉(zhuǎn)向測試系統(tǒng)采用LabVIEW圖形化編程平臺編制測控軟件實現(xiàn)對信號的采集和輸出，對數(shù)據(jù)的采集與輸出在硬件上依賴于NI多功能數(shù)據(jù)采集卡，軟件上依賴于硬件驅(qū)動程序和數(shù)據(jù)采集庫函數(shù)。數(shù)據(jù)采集卡都有自己的驅(qū)動程序，硬件驅(qū)動程序是應(yīng)用軟件對硬件的編程接口，它包含了特定硬件可以接受的操作命令，完成與硬件間的數(shù)據(jù)傳遞。采用NI的數(shù)據(jù)采集卡的好處就是廠家已經(jīng)提供了驅(qū)動程序及與LabVIEW的接口程序，無需再自己編寫，作者則側(cè)重在如何在LabVIEW中編寫測控程序?qū)崿F(xiàn)儀器控制和數(shù)據(jù)采集。依據(jù)實現(xiàn)功能不同來劃分的軟件功能模塊圖如圖6。

圖6 軟件功能模塊圖

5 結(jié)論

本文提出了一種汽車電動助力轉(zhuǎn)向的性能測試系統(tǒng)設(shè)計方案，采用LabVIEW編制的測控系統(tǒng)上位機軟件控制伺服電機和磁粉制動器提供驅(qū)動和加載扭矩進行電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能測試。經(jīng)測試驗證，該測試系統(tǒng)能有效地進行電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各種性能測試及對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的持續(xù)耐久的工作性能進行評估，為電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開發(fā)研究及進一步性能優(yōu)化提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

［1］Yasuo Shimizu，Toshitake Kawai.Development of elec?tricpowersteering［J］.In： SAE Paper［C］. 910014：551-556.

［2］季學武，馬小平，陳奎元.EPS系統(tǒng)性能試驗研究［J］.江蘇大學學報：自然科學版，2004，25（2）：116-119.

［3］王其東，楊孝劍，陳無畏，等.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制的臺架試驗研究［J］.汽車工程，2004，26（5）：553-555.

［4］施國標，林逸，鄒常豐，等.汽車電動助力轉(zhuǎn)向試驗臺測試系統(tǒng)開發(fā)［J］.測控技術(shù)，2005，24（3）：23-25.

［5］程壽國，陳小龍.汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改裝技術(shù)研究［J］.機電工程，2013（3）：314-317.

［6］白云，高育鵬，胡小江.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2009.

Design of Measurement System for Electric Power-Assisted Steering

LIU Gui-hua1，2
（1.College of Information Science&Technology，Donghua University，Shanghai 200051，China；2.TRW Automotive Components Shanghai Co.，Ltd.，Shanghai 201814，China）

The article introduces the operating principle and elementary structure of the measurement system for electric power-assisted steering(EPS).Based on the need for EPS performance evaluation and measurement，an approach which is to build the EPS measurement system based on virtual instrument technology is proposed.The measurement system can acquire various signals from electric power-assisted steering system，which supports to do research on control strategy and control parameter.The measurement result indicates that test data is of high accuracy and the measurement system is stable and reliable.

measurement system；virtual instrument；LabVIEW；data acquisition

U463.4

A

1009－9492(2014)09－0031－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.09.008

劉規(guī)劃，男，1980年生，河南上蔡人，碩士，高級工程師。研究領(lǐng)域：控制工程。 (編輯：阮 毅)

2014－03－04