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(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器試驗(yàn)臺(tái)硬件系統(tǒng)研究

郭艷玲，武志明，李志鵬，劉立臣

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

為了檢測(cè)汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器的助力性能，根據(jù)對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理和汽車前懸部分結(jié)構(gòu)分析，采用一端伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)另一端磁粉制動(dòng)器加載方式，來模擬駕駛員操作方向盤和轉(zhuǎn)向路面阻力。建立了汽車動(dòng)力模型，選定了數(shù)據(jù)采集卡，確定了輸出端磁粉制動(dòng)器的控制方式。分析了試驗(yàn)臺(tái)的工作流程，該試驗(yàn)臺(tái)適用于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開發(fā)以及性能檢測(cè)。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；伺服電機(jī)；試驗(yàn)臺(tái)；磁粉制動(dòng)器；性能檢測(cè)

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向裝置是一種直接依靠其助力電機(jī)提供的扭矩來輔助汽車轉(zhuǎn)向的助力裝置，并且助力電機(jī)只在轉(zhuǎn)向時(shí)才工作，體現(xiàn)了現(xiàn)代汽車節(jié)能的發(fā)展趨勢(shì)。與傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了液壓管路，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的同時(shí)解決了液壓油泄露問題，改善了助力特性，提高了操縱的穩(wěn)定性[1-2]。

為了檢測(cè)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向裝置是否達(dá)到要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)臺(tái)采用一端伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)另一端磁粉制動(dòng)器加載的方式代替駕駛員和路面阻力來模擬路試實(shí)驗(yàn)[3-4]，與傳統(tǒng)的彈簧加載轉(zhuǎn)向方式相比可以通過電流調(diào)節(jié)不同輸出阻力矩，提高了仿真的精度。臺(tái)架試驗(yàn)節(jié)省了直接實(shí)車試驗(yàn)的成本，提高了試驗(yàn)的安全性，縮短了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向裝置研發(fā)周期[5-8]。

1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

我們以轉(zhuǎn)向軸助力式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器為研究對(duì)象來進(jìn)行設(shè)計(jì)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由方向盤，轉(zhuǎn)向軸，扭矩傳感器，電子控制單元，助力電機(jī)，電磁離合器，萬向傳動(dòng)軸，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，車輪等構(gòu)成。方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)扭矩傳感器給控制器一個(gè)扭矩信號(hào)，通過車速傳感器給控制器一個(gè)車速信號(hào)。控制器則依據(jù)此二信號(hào)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的助力模型對(duì)直流電機(jī)及電磁離合器實(shí)施控制。通過控制改變電機(jī)電流的大小，從而改變輸出力矩。該輸出力矩通過減速機(jī)構(gòu)放大后直接作用于轉(zhuǎn)向器輸入軸，對(duì)操縱手力起到助力作用[9-11]。

圖1 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of EPS system

2 試驗(yàn)臺(tái)的組成及測(cè)試原理

本試驗(yàn)臺(tái)利用計(jì)算機(jī)對(duì)伺服電機(jī)和磁粉制動(dòng)器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制、工況轉(zhuǎn)換，同時(shí)完成電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向裝置的各種性能參數(shù)的實(shí)時(shí)采集處理，多種性能指標(biāo)的計(jì)算，并以圖表、曲線的形式記錄、顯示和打印。其中計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)了大量的實(shí)車動(dòng)力學(xué)參數(shù)，通過控制輸入端伺服系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向操縱力矩的變化趨勢(shì)與人手一致，通過控制輸出端制動(dòng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向負(fù)載的變化趨勢(shì)與路面行駛一致，從而來模擬實(shí)車試驗(yàn)。然后通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角等信號(hào)，通過人機(jī)交互的界面顯示到計(jì)算機(jī)上，以此來檢測(cè)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器是否符合助力要求。

由圖2試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖可以看出：輸入端伺服系統(tǒng)包括伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器，減速器，扭矩傳感器，編碼器，卡盤以及聯(lián)軸器等，用于輸入軸的加載及驅(qū)動(dòng)，來模擬駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤。

計(jì)算機(jī)通過運(yùn)動(dòng)控制卡控制伺服電機(jī)，根據(jù)不同加載要求在位置模式和扭矩模式下靈活切換，使伺服系統(tǒng)的末端以20～30 r/min的速度在一定的角度范圍內(nèi)左右循環(huán)旋轉(zhuǎn)，來模擬駕駛員不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤。

輸出端制動(dòng)系統(tǒng)包括磁粉制動(dòng)器，控制器，扭矩傳感器，卡盤以及聯(lián)軸器等，用于輸出軸的加載及驅(qū)動(dòng)，來模擬汽車轉(zhuǎn)向時(shí)路面對(duì)其阻力矩。

計(jì)算機(jī)通過IO卡向磁粉控制器中輸入0～5 V的模擬量信號(hào)，控制磁粉制動(dòng)器的加載阻力矩。通過改變磁粉制動(dòng)器的勵(lì)磁電流來改變阻力矩大小，從而模擬實(shí)車轉(zhuǎn)向時(shí)路面提供的不同負(fù)載。

試驗(yàn)臺(tái)在工作過程中，計(jì)算機(jī)通過采集卡采集扭矩傳感器產(chǎn)生的扭矩信號(hào)，光電軸角編碼器產(chǎn)生的角度信號(hào)，以及經(jīng)電流傳感器采集來的助力電機(jī)電流信號(hào)，并將這些信號(hào)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，繪制曲線并顯示在計(jì)算機(jī)上。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of test-bed

3 汽車動(dòng)力模型的建立

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向裝置性能試驗(yàn)臺(tái)主要研究汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特性，所以我們認(rèn)為汽車車廂只做平行于地面的平面運(yùn)動(dòng)，忽略懸架的作用，即汽車沿z軸的位移，繞y軸的俯仰角與繞x軸的側(cè)傾角均為零。同時(shí)假定汽車沿x軸的前進(jìn)速度u視為不變。因此，汽車只有沿y軸的側(cè)向運(yùn)動(dòng)與繞z軸的橫向擺動(dòng)這樣兩個(gè)自由度。在建立運(yùn)動(dòng)微分方程時(shí)還假設(shè)：驅(qū)動(dòng)力不大，不考慮地面切向力對(duì)輪胎側(cè)偏特性的影響，沒有空氣動(dòng)力的作用，忽略左、右車輪輪胎由于載荷的變化而引起輪胎特性的變化以及輪胎回正力矩的作用。如圖3所示，它是一個(gè)由前后兩個(gè)側(cè)向彈性的輪胎支撐于地面、具有側(cè)向及橫向擺運(yùn)動(dòng)的二自由度汽車模型[12]。

圖3 二自由度整車動(dòng)力模型Fig.3 Vehicle dynamic model with two degrees of freedom

采用汽車質(zhì)心與坐標(biāo)系原點(diǎn)重合的汽車坐標(biāo)系。

根據(jù)牛頓第二定律，整車所受外力沿y軸方向合力Fy和繞質(zhì)心z軸力矩Mz可表示為

(1)

式中 Fy1——前輪側(cè)向力;

Fy2——后輪側(cè)向力;

m——整車質(zhì)量;

圖2示，PLAGL2強(qiáng)染色多見于低分化、高分期以及淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移陽性的病理標(biāo)本。通過對(duì)PLAGL2蛋白表達(dá)水平和PCa患者臨床病理參數(shù)進(jìn)行分析，表1示，PLAGL2表達(dá)情況與PSA水平(χ2=19.652，P=0.003)、Gleason評(píng)分(χ2=60.920，P<0.001)、PI-RADS評(píng)分(χ2=13.147，P=0.004)、臨床分期(χ2=38.203，P<0.001)、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移(χ2=36.875，P<0.001)、包膜侵犯(χ2=9.943，P=0.017)和精囊侵犯(χ2=8.355，P=0.031)有關(guān)聯(lián)。

v——質(zhì)心側(cè)向速度分量;

u——質(zhì)心縱向速度分量;

β——質(zhì)心側(cè)偏角;

ωr——橫擺角速度;

a、b——質(zhì)心至前后軸的距離;

Iz——整車?yán)@z軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

(2)

前后輪側(cè)向力由輪胎側(cè)偏力提供。出于簡(jiǎn)化模型目的，限定汽車的側(cè)向加速度在0.4g以下，輪胎側(cè)偏特性處于線性范圍， 滿足下列表達(dá)式

(3)

式中k1、k2——前后輪側(cè)偏剛度；

α1、α2——前后輪側(cè)偏角。

可表示為

(4)

由式(2)～式(4)整理后得到二自由度整車運(yùn)動(dòng)微分方程

(5)

汽車轉(zhuǎn)向助力矩大小用下式來計(jì)算

(6)

式中dα——輪胎拖矩;

dτ——主銷后傾拖矩。

將式(3)、式(4)代入式(6)，可得

(7)

若轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比為i，即δ=iθ，其中θ為方向盤輸入轉(zhuǎn)角，結(jié)合式(5)、式(7)可得

(8)

式中,TD為折合到轉(zhuǎn)向輸出軸上的轉(zhuǎn)向阻力矩。數(shù)據(jù)采集卡將采集到的行駛速度u和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角θ經(jīng)過處理后輸入到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)建立的動(dòng)力模型求得輸出軸目標(biāo)轉(zhuǎn)向阻力矩TD，根據(jù)扭矩傳感器反饋量采用PID控制策略控制伺服加載機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向阻力的模擬[13]。如圖4為轉(zhuǎn)向阻力矩控制框圖。

圖4 轉(zhuǎn)向阻力矩控制框圖Fig.4 Control diagram of the steering resistance torque

4 試驗(yàn)臺(tái)的工作流程

如圖5為本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的工作流程圖。

圖5 試驗(yàn)臺(tái)的工作流程Fig.5 The working process of the test-bed

其中我們選擇PCI-1710U型號(hào)的數(shù)據(jù)采集卡，該卡是一款PCI總線接口的多功能DAS卡。該數(shù)據(jù)卡包括了12-bitA/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出，以及計(jì)數(shù)器/定時(shí)器功能，其輸入電壓范圍為-10～+10 V。該卡提供了2個(gè)D/A輸出通道，即DA0_OUT和DA1_OUT。我們利用其內(nèi)部提供的基準(zhǔn)電壓-5 V生成-5 V的電壓信號(hào)，輸入到磁粉制動(dòng)器的控制器。以汽車動(dòng)力模型為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)控制程序模塊，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)根據(jù)試驗(yàn)要求經(jīng)采集卡輸出在5V范圍內(nèi)不斷變換的模擬量電壓信號(hào)，經(jīng)磁粉制動(dòng)控制器調(diào)節(jié)，從而模擬EPS轉(zhuǎn)動(dòng)到不同位置時(shí)磁粉制動(dòng)器輸出的不同阻力矩[14]。

5 結(jié)語

本文分析了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向試驗(yàn)臺(tái)硬件系統(tǒng)，建立了汽車動(dòng)力模型。計(jì)算機(jī)通過多功能數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出端磁粉制動(dòng)器的控制，模擬了實(shí)車轉(zhuǎn)向阻力矩，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和分析。經(jīng)研究本實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)合理，硬件選擇適當(dāng)，可以滿足EPS產(chǎn)品的開發(fā)和測(cè)試要求。

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TheTest-bedControlSystemResearchfortheElectricPowerSteering

GUO Yan-ling,WU Zhi-ming,LI Zhi-peng,LIU Li-chen

(Mechanical and Electrical Engineering Institute,North-east Forestry University,Harbin 150040,China)

In order to detect the performance of the automobile electric power steering system, according to the working principle of the electric power steering system and the part of the structure analysis of the automobile front suspension, we use the servo motor at the input end and the magnetic powder brake at output end, to simulate the driver to operate the steering wheel and the load resistance when turning. We establish the vehicle dynamic model, select the data acquisition card,and determine the control method for the output end of the magnetic powder brake. The working process of the test-bed is analyzed. This test-bed is suitable for developing the electric power steering system and testing it’s performance.

electric power steering system;servo motor;test-bed;magnetic powder brake;performance testing

2013-07-12修訂稿日期2013-10-10

國(guó)家林業(yè)局948項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)2011-4-21)

郭艷玲(1962～),女，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化，數(shù)控技術(shù)，先進(jìn)制造技術(shù)。

TH133

A

1002-6339 (2014) 01-0065-04