鄧娥 趙燕 呂旺

（武漢理工大學(xué)）

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）是一種直接依靠電機(jī)提供輔助扭矩的新型動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[1]。EPS 作為汽車(chē)的一個(gè)非常重要組成部分，其綜合性能關(guān)系著整個(gè)汽車(chē)的性能質(zhì)量，同時(shí)又是維持汽車(chē)平穩(wěn)、安全與可靠行駛能力的基本保障[1-3]。因此，研制精確度高且實(shí)時(shí)性好的EPS 試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)保障EPS 的性能有重要意義。文章設(shè)計(jì)了汽車(chē)EPS性能試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)，通過(guò)模擬汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)EPS 的工作狀態(tài)，并在此狀態(tài)下測(cè)試EPS 的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

1 EPS性能試驗(yàn)臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向裝置技術(shù)條件與臺(tái)架試驗(yàn)方法》（討論稿）的要求，文章設(shè)計(jì)的EPS 綜合性能試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)主要針對(duì)管柱式EPS 和小齒輪EPS，其總體設(shè)計(jì)框圖，如圖1 所示。

1.1 臺(tái)架部分

臺(tái)架部分主要作用：1）模擬汽車(chē)行駛的各種路面情況，模擬地面阻力；2）產(chǎn)生各種EPS 的輸入信號(hào)，包括方向盤(pán)輸入轉(zhuǎn)矩、車(chē)速及發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)等。試驗(yàn)臺(tái)的臺(tái)架部分包括轉(zhuǎn)向盤(pán)加載、地面阻力加載、工裝夾具部分以及反向沖擊部分。

1）轉(zhuǎn)向盤(pán)加載機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)主要模擬駕駛員在轉(zhuǎn)向時(shí)的手力大小[4]，設(shè)計(jì)采用伺服電機(jī)給EPS 轉(zhuǎn)向軸提供轉(zhuǎn)向力矩，用行星齒輪減速機(jī)傳遞并放大伺服電機(jī)的輸出扭矩，電機(jī)與減速機(jī)之間用波紋管聯(lián)軸器連接，轉(zhuǎn)向盤(pán)加載機(jī)構(gòu)的最大輸出扭矩為50 N·m，最大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速為150 r/min。

2）地面阻力加載機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)主要模擬汽車(chē)在不同工況下行駛的地面阻力[5]，主要由伺服電機(jī)、行星齒輪減速機(jī)、波紋管聯(lián)軸器及轉(zhuǎn)矩傳感器組成。設(shè)計(jì)中，地面阻力加載機(jī)構(gòu)的最大輸出扭矩為100 N·m，最大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速為150 r/min。

3）反向沖擊部分。該部分主要作用是模擬汽車(chē)EPS 在經(jīng)受逆向扭矩沖擊時(shí)的情況。反向沖擊部分的高度可以自由調(diào)節(jié)，通過(guò)更換沖擊錘的質(zhì)量來(lái)改變沖擊量，模擬不同的逆向扭矩沖擊，以此適應(yīng)不同型號(hào)的EPS 樣機(jī)。沖擊部分采用自動(dòng)控制，電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力使沖擊錘運(yùn)行到最高點(diǎn)，然后電機(jī)停止工作，沖擊錘自由落體；同時(shí)，沖擊部分具有安全防護(hù)裝置，沖擊塊與輸出加載部分由離合器連接，通過(guò)控制離合器的通斷來(lái)控制沖擊錘的沖擊方向，避免試驗(yàn)時(shí)沖擊力對(duì)試驗(yàn)臺(tái)其它部分的沖擊，造成不必要的損壞。

1.2 電氣控制部分

電氣控制部分的設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，主要包括信號(hào)調(diào)理板、A/D 接口模板、I/O 接口模板、運(yùn)動(dòng)控制卡及3 軸伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。采用交直流電路分開(kāi)布線，強(qiáng)弱電間電氣隔離，EPS 試驗(yàn)臺(tái)與被測(cè)EPS 樣機(jī)之間用航空插頭連接，所用各種傳感器及變送器均采用直流線性電源供電，以此減小電源波動(dòng)系數(shù)過(guò)大對(duì)測(cè)量精度的影響。EPS 試驗(yàn)臺(tái)電路控制部分框圖，如圖2 所示。

EPS 的各種測(cè)試信號(hào)（包括EPS 吸收電流、助力電機(jī)馬達(dá)電流、轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入扭矩及輸出軸轉(zhuǎn)向扭矩等）經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理單元進(jìn)行初步處理，光隔A/D 接口模板將輸入信號(hào)由模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸入到工業(yè)控制機(jī)，工控機(jī)經(jīng)過(guò)分析處理運(yùn)算之后，得到各種輸出指令控制各部分單元的工作。如：通過(guò)控制繼電器和接觸器的通斷來(lái)控制加載機(jī)構(gòu)、沖擊機(jī)構(gòu)和夾緊機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡來(lái)控制3 軸伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的大小和轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

2 EPS性能試驗(yàn)臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

在LabVEIW 開(kāi)發(fā)平臺(tái)上采用“自頂而下，逐層細(xì)分”的模塊化設(shè)計(jì)思想進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。測(cè)試軟件主要包括數(shù)據(jù)采集模塊（數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)顯示）、信號(hào)發(fā)生模塊、控制信號(hào)輸出模塊和數(shù)據(jù)分析處理模塊（數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)平滑處理、相關(guān)分析及傅里葉分析）。試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)電源開(kāi)啟后，首先進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如車(chē)速大小、輸入軸、輸出軸加載大小及采樣頻率設(shè)置等。參數(shù)設(shè)置完成后，試驗(yàn)臺(tái)將處于正常工作狀態(tài)，車(chē)速、輸入軸轉(zhuǎn)向扭矩及輸出軸阻力矩等信號(hào)，同時(shí)產(chǎn)生發(fā)動(dòng)機(jī)電流信號(hào)。然后數(shù)據(jù)采集模塊將各種EPS 測(cè)試信號(hào)傳遞到計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)分析處理模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理以及二次處理操作。經(jīng)處理的結(jié)果將由計(jì)算機(jī)保存并輸出至各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)各部件的工作，顯示器顯示測(cè)試曲線結(jié)果。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)采用某公司的數(shù)據(jù)采集卡，系統(tǒng)軟件采用多線程編程思想以及DAQ 數(shù)據(jù)采集顯示。存儲(chǔ)分別為2 個(gè)不同的線程，一個(gè)負(fù)責(zé)EPS 各輸入模擬信號(hào)的采集，另一個(gè)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)采集的過(guò)程主要包括DAQ 函數(shù)的安裝、參數(shù)設(shè)置、板卡測(cè)試、數(shù)據(jù)讀取以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示。采集的主要信號(hào)有EPS 的吸收電流、靜態(tài)電流、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)電流、發(fā)動(dòng)機(jī)、輸入軸轉(zhuǎn)角、輸入軸方向盤(pán)轉(zhuǎn)矩、輸出軸阻力轉(zhuǎn)矩及車(chē)速信號(hào)8 個(gè)模擬輸入信號(hào)。數(shù)據(jù)采集前面板界面，如圖3 所示。

2.2 信號(hào)發(fā)生模塊

采用LabVIEW 自帶信號(hào)生成的函數(shù)模塊中的子VI 來(lái)產(chǎn)生車(chē)速信號(hào)及發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)，在生成車(chē)速信號(hào)的過(guò)程當(dāng)中，首先設(shè)計(jì)車(chē)速信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波頻率的子VI，使得在前面板中輸入一個(gè)大小恒定的車(chē)速信號(hào)，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換一個(gè)車(chē)速信號(hào)成為一定關(guān)系的頻率信號(hào)。同時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)采集卡的電壓工作范圍（-10～10）V，設(shè)置方波的幅值為5.0 V，占空比為50，采樣數(shù)為128 點(diǎn)，從而得到車(chē)速信號(hào)。

2.3 信號(hào)分析處理模塊

對(duì)于采集到的信號(hào)運(yùn)用中值濾波法對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，采樣后的數(shù)據(jù)在傳遞的過(guò)程中可能疊加各種噪聲，因此采用加權(quán)平均法平滑處理采樣數(shù)據(jù)。EPS 系統(tǒng)的檢測(cè)信號(hào)均為時(shí)域信號(hào)，應(yīng)在時(shí)域范圍內(nèi)對(duì)信號(hào)的波形、幅值及與幅值相關(guān)的統(tǒng)計(jì)特性等進(jìn)行分析，在數(shù)據(jù)二次處理時(shí)主要進(jìn)行時(shí)域內(nèi)的相關(guān)性分析。利用Lab-VIEW 里提供的FFT 頻譜VI 得到車(chē)速信號(hào)與轉(zhuǎn)矩信號(hào)的顯示前面板界面，如圖4 所示。

2.4 信號(hào)輸出模塊

信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析處理模塊后，需要根據(jù)車(chē)速、輸入軸方向盤(pán)轉(zhuǎn)矩及輸出軸轉(zhuǎn)矩等信號(hào)得到目標(biāo)控制電流，并將此信號(hào)作為輸出信號(hào)，為EPS 的輸入軸伺服電機(jī)、各繼電器、EPS 離合器及輸出軸伺服電機(jī)提供激勵(lì)，因此需要系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)輸出模塊，將內(nèi)部的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬輸出信號(hào)傳遞給試驗(yàn)臺(tái)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析處理后的數(shù)據(jù)沿著輸出模塊創(chuàng)建的模擬輸入通道進(jìn)行傳遞，DAQmx Write 寫(xiě)入模塊對(duì)其進(jìn)行連續(xù)采樣寫(xiě)入。當(dāng)輸出各環(huán)節(jié)都不出錯(cuò)時(shí)，控制信號(hào)波形進(jìn)行連續(xù)輸出，控制試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行工況轉(zhuǎn)換。

3 測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)臺(tái)搭建成功后主要做了輸入扭矩/吸收電流曲線試驗(yàn)和輸入/輸出扭矩特性試驗(yàn)，并對(duì)上述典型試驗(yàn)項(xiàng)目所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以評(píng)價(jià)試驗(yàn)臺(tái)的整體性能。試驗(yàn)方法：輸入軸連接好，輸出軸固定，汽車(chē)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)處于開(kāi)啟狀態(tài)，電源電壓為（12.5±0.5）V，發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)開(kāi)啟，車(chē)速信號(hào)為0，以（1±0.05）（°）/s 的轉(zhuǎn)速順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)輸入軸，直到達(dá)到（15±0.3）N·m 的力矩時(shí)，以同樣的速度反轉(zhuǎn)回到初始位置后，再以相同的速度逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)輸入軸，直到達(dá)到（-15±0.3）N·m 的力矩。車(chē)速信號(hào)按照40，80，120 km/h 變化，其余信號(hào)不變，按照以上車(chē)速重復(fù)上述運(yùn)動(dòng)，并記錄數(shù)據(jù)。得出輸入扭矩/吸收電流特性曲線，如圖5 所示，輸出曲線，如圖6 所示。

由圖5 可知，車(chē)速?gòu)?～120 km/h 變換的過(guò)程中，EPS 助力電機(jī)的發(fā)電機(jī)電流隨之減小，發(fā)電機(jī)電流與助力系統(tǒng)的助力成正比，說(shuō)明汽車(chē)在低速下轉(zhuǎn)向時(shí)，所需的助力較大；而在高速下轉(zhuǎn)向時(shí)，需要的助力減少，此時(shí)需要保持汽車(chē)轉(zhuǎn)向的手感。因此得出結(jié)論：EPS 輸入扭矩/發(fā)電機(jī)電流特性試驗(yàn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也驗(yàn)證了試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。

圖6 中，輸出軸扭矩即為阻力矩，輸入軸扭矩則為助力扭矩與方向盤(pán)力矩之和。1，3 區(qū)間曲線分別為方向盤(pán)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)輸入扭矩隨輸出扭矩的變化曲線。由圖6 可知，當(dāng)輸出軸扭矩增加時(shí)，輸入軸扭矩相應(yīng)增大，此時(shí)助力電機(jī)助力電流較大，提供較大的助力，因此能提高轉(zhuǎn)向的輕便性。而當(dāng)輸入扭矩＞7 N·m 時(shí)，助力電機(jī)的輸出電流基本維持不變，即此時(shí)電機(jī)助力基本維持不變。當(dāng)輸出扭矩稍微增加時(shí)，輸入軸將快速增大，即方向盤(pán)力矩將快速增加，以保持汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)對(duì)EPS 系統(tǒng)總成臺(tái)架試驗(yàn)，可以看到試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)規(guī)范，其精度及實(shí)時(shí)性基本能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，這將為汽車(chē)EPS 及其試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的研究提供一定的參考依據(jù)。但由于汽車(chē)行駛的過(guò)程中路面情況較為復(fù)雜，其真實(shí)路況路譜數(shù)據(jù)難以在試驗(yàn)臺(tái)上完美呈現(xiàn)，雖然文章采用伺服電機(jī)來(lái)模擬地面助力情況，與汽車(chē)行駛真實(shí)路況相比還存在一定差距。此外，文章主要采用實(shí)驗(yàn)手段來(lái)得到汽車(chē)EPS 的性能數(shù)據(jù)，若能結(jié)合實(shí)車(chē)測(cè)試對(duì)EPS 系統(tǒng)進(jìn)行全方位的測(cè)試，提出更全面及合理的汽車(chē)EPS 性能評(píng)價(jià)體系，將為汽車(chē)EPS 的性能研究提供更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)保證。