解后循，高 翔，夏長高

(1.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215008)

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基于LabVIEW軟件的電動液壓助力轉(zhuǎn)向臺架測控系統(tǒng)設(shè)計

解后循1,2，高 翔1，夏長高1

(1.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215008)

針對電動液壓助力轉(zhuǎn)向試驗臺架的功能要求，利用LabVIEW軟件與通用數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計了臺架測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合運用數(shù)據(jù)采集卡及串口數(shù)據(jù)通信功能，在對方向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩及液壓缸壓力數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，通過與電動液壓泵控制器的數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)了對電動液壓泵轉(zhuǎn)速、電流數(shù)據(jù)的接收及電機目標控制轉(zhuǎn)速命令的發(fā)送，較好地模擬了電動液壓變助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工況。試驗運行表明：系統(tǒng)能有效控制電動液壓泵的運行及實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的采集，各項功能正常運行，達到了設(shè)計目標。

車輛工程；電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；試驗臺架測控系統(tǒng)；臺架試驗；LabVIEW軟件

電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EHPS)將成熟的液壓助力轉(zhuǎn)向技術(shù)與電機控制技術(shù)相結(jié)合，既保留了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力平滑、手感好等優(yōu)點，又能提供更安全、更舒適的轉(zhuǎn)向操控性，同時也降低了系統(tǒng)的能耗。傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)過相對簡單的改裝即可成為EHPS系統(tǒng)，適用于各種車型，具有很好的發(fā)展前景。EHPS的優(yōu)點及其較大的市場需求量引起國內(nèi)的專家學(xué)者及相關(guān)企業(yè)對其產(chǎn)生越來越濃厚的關(guān)注，已成為我國汽車技術(shù)研究的熱點之一。

目前，有學(xué)者對電動液壓助力轉(zhuǎn)向技術(shù)進行了試驗研究，但是研究的重點集中在實車及臺架數(shù)據(jù)采集分析，對采集系統(tǒng)設(shè)計進行詳細介紹的較少，采集的數(shù)據(jù)也不全面，特別是電機運行的電流、轉(zhuǎn)速等相關(guān)數(shù)據(jù)較為欠缺[1-4]。筆者基于LabVIEW軟件設(shè)計了電動液壓助力轉(zhuǎn)向試驗臺測控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對電動液壓泵轉(zhuǎn)速的實時控制和試驗數(shù)據(jù)的采集分析。

1 電動液壓助力轉(zhuǎn)向臺架總體結(jié)構(gòu)及測控系統(tǒng)功能

EHPS臺架試驗裝置硬件包括：①液壓助力方向機，轉(zhuǎn)向輪部件及車輪橫向加載部件；②電動液壓泵系統(tǒng)，包含無刷直流電機泵總成、控制板、電機驅(qū)動板等；③試驗臺架數(shù)據(jù)測控系統(tǒng)包括方向盤轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)矩儀、液壓壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、上位微機(含串口通信)等部件。軟件部分包括：①電動液壓泵控制軟件，負責(zé)控制電動液壓泵按照上位微機發(fā)送的目標轉(zhuǎn)速運行；②試驗臺架測控系統(tǒng)，負責(zé)采集臺架試驗數(shù)據(jù)及發(fā)送電動液壓泵目標轉(zhuǎn)速，采集數(shù)據(jù)包括方向盤的轉(zhuǎn)角信號、助力油液的壓力信號及電動液壓泵驅(qū)動電機的電流、轉(zhuǎn)速等信號。

筆者設(shè)計的電動液壓助力轉(zhuǎn)向臺架測控系統(tǒng)主要功能為：①測量方向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩及助力液壓油壓力數(shù)據(jù)；②串口發(fā)送電動液壓泵驅(qū)動電機運行控制及目標轉(zhuǎn)速命令，接收電動液壓泵驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速及電流數(shù)據(jù)。

2 試驗臺架測控系統(tǒng)的硬件組成

測試系統(tǒng)硬件主要部件參數(shù)如下。

轉(zhuǎn)角傳感器：量程 -540～+540°，輸出信號±2 V，精度2.5 mV/(°)。

轉(zhuǎn)矩傳感器：量程 -200～+200 N·m，輸出信號 ±5 V，精度10 mV/(N·m)。

壓力傳感器：量程0～20 MPa，輸出信號為1～5 V電壓信號。

PMD-1208FS數(shù)據(jù)采集卡[5]：由USB采集器及USB數(shù)據(jù)傳輸線組成，PMD-1208FS具有8路(或4路差分模式)模擬量輸入端口，12位分辨率，輸入電壓范圍為 ±20，±10，±5，±4，±2.5，±2.0，±1.25，±1.0 V；2個模擬量輸出端口，16路數(shù)字輸入輸出端口和一個32位計數(shù)器。PMD-1208FS由USB數(shù)據(jù)線通過電腦提供5 V的電壓，無需額外的電源。

3 試驗臺測控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

測控系統(tǒng)程序采用LabVIEW軟件設(shè)計。LabVIEW是由美國國家儀器(NI)公司研制開發(fā)的一種程序開發(fā)環(huán)境。它是計算機技術(shù)與儀器技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其基礎(chǔ)是計算機系統(tǒng)，核心是軟件技術(shù)，是一個測試自動化系統(tǒng)的高性能、低成本運載平臺，被視為一個標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件[6]。

3.1 試驗臺測控系統(tǒng)的軟件總體設(shè)計

試驗臺架測控系統(tǒng)軟件包括臺架數(shù)據(jù)采集模塊和電動液壓泵測控模塊兩部分，系統(tǒng)流程見圖1。

圖1 試驗臺測控系統(tǒng)的軟件流程

由圖1可見，數(shù)據(jù)采集與電動液壓泵測控模塊在程序運行過程中基本各自獨立運行，兩者之間的唯一聯(lián)系是數(shù)據(jù)采集模塊計算得到的電動液壓泵目標轉(zhuǎn)速由測控模塊串口發(fā)送，電動液壓泵控制器接收目標轉(zhuǎn)速后迅速控制電機跟隨目標轉(zhuǎn)速運行，從而實現(xiàn)對電動液壓泵轉(zhuǎn)速及液壓油流量的實時控制功能。電動液壓泵的實時電流及轉(zhuǎn)速也由串口接收，由測控系統(tǒng)處理后，進入虛擬示波器實時顯示。

3.2 試驗臺架測控系統(tǒng)人機界面、數(shù)據(jù)采集及電動液壓泵測控模塊設(shè)計

3.2.1 系統(tǒng)人機界面設(shè)計

人機界面是測控系統(tǒng)的操作界面，主要功能為進行采集參數(shù)設(shè)定及采集過程的監(jiān)控[7-8]。筆者設(shè)計的測控系統(tǒng)界面放置了采集卡的參數(shù)設(shè)置框、串口選擇控制設(shè)置框、采集過程控制按鈕、電動液壓泵轉(zhuǎn)速恒定控制及隨動控制轉(zhuǎn)換按鈕等控制按鈕，界面上還放置了主要采集數(shù)據(jù)的實時顯示虛擬示波器，具體功能設(shè)計如圖2。

圖2 試驗臺測控系統(tǒng)人機界面

3.2.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

采集模塊通過PMD-1208FS采集卡提供的動態(tài)連接庫與LabVIEW采集程序連接，LabVIEW通過該動態(tài)鏈接庫控制采集卡的采集及獲取采集模塊端口的數(shù)據(jù)；采集模塊可以對數(shù)據(jù)采樣的頻率，樣本數(shù)量及采集端口的選擇等進行控制，在此基礎(chǔ)上采集模塊調(diào)用數(shù)據(jù)處理函數(shù)對采集數(shù)據(jù)進行分析處理，如將其轉(zhuǎn)換為工程物理量、數(shù)據(jù)濾波處理等，并通過虛擬示波器對數(shù)據(jù)進行實時波形顯示，同時完成對采集數(shù)據(jù)的保存[7-8]，具體設(shè)計如圖3。

圖3 試驗臺測控系統(tǒng)LabVIEW主程序

3.2.3 電動液壓泵測控模塊

電動液壓泵測控模塊通過通用的RS232串口模塊(微機自帶)與電機控制程序串口中斷程序進行雙工數(shù)據(jù)通信[9]，定時接收電機控制程序的電流、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，發(fā)送電機目標轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對電動液壓泵狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)速控制，具體設(shè)計如圖3。

4 電動液壓助力轉(zhuǎn)向臺架試驗結(jié)果及分析

為了驗證測控系統(tǒng)測控功能及運行的可靠性，對系統(tǒng)進行了試驗運行。

4.1 試驗內(nèi)容及步驟

1)在電動液壓泵不同轉(zhuǎn)速下，方向盤穩(wěn)態(tài)力矩變化。試驗設(shè)定電動液壓泵幾種不同轉(zhuǎn)速分別測量方向盤力矩。慢速轉(zhuǎn)動方向盤(模擬方向盤穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向力矩)，測量方向盤力矩及電機電流變化。

2)快速轉(zhuǎn)動方向盤時，方向盤力矩變化。快速轉(zhuǎn)動方向盤，測量方向盤力矩及電機電流變化，與第1步的穩(wěn)態(tài)試驗力矩作比較。

3)電機轉(zhuǎn)速隨動控制，方向盤力矩變化。電機轉(zhuǎn)速隨動控制下，測量方向盤力矩及電機轉(zhuǎn)速與第2步的力矩、轉(zhuǎn)速作比較。

4.2 試驗結(jié)果及分析

4.2.1 方向盤穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向試驗

不同電機轉(zhuǎn)速、“準穩(wěn)態(tài)”(方向盤轉(zhuǎn)動頻率約為0.05 Hz)轉(zhuǎn)向工況下，電機轉(zhuǎn)速、方向盤轉(zhuǎn)角、力矩、電機電流及助力液壓缸壓力的變化見圖4、圖5。

圖4 電機轉(zhuǎn)速不同時的速度波形、方向盤轉(zhuǎn)角、方向盤轉(zhuǎn)矩及電流的變化

圖5 不同電機轉(zhuǎn)速下液壓缸壓力變化

由力矩波形圖4(c)可知，隨著電機轉(zhuǎn)速升高，方向盤反饋力矩明顯減小，可見，改變電動液壓泵轉(zhuǎn)速起到了變助力的作用。

由電流波形圖4(d)可知，隨著電機轉(zhuǎn)速的升高，電機穩(wěn)態(tài)(方向盤轉(zhuǎn)角為0)運行電流上升，符合電機運行理論；方向盤轉(zhuǎn)角增大時，高轉(zhuǎn)速工況的電機電流升高快于低速工況，起到了增大系統(tǒng)助力矩，降低方向盤反饋力矩的作用。但是從實驗數(shù)據(jù)來看，存在以下幾個方面的問題：

1)圖4(c)中，隨著電機轉(zhuǎn)速的提高，方向盤力矩數(shù)據(jù)波動有加大趨勢。

2)圖4(d)中，高轉(zhuǎn)速工況電流最高值低于轉(zhuǎn)速低工況，且電流振蕩加劇。

以上問題的主要原因分析如下：

1)由圖4(a)可知，在轉(zhuǎn)向工況，目標轉(zhuǎn)速高時，電機的轉(zhuǎn)速波動加大，導(dǎo)致液壓油流量變化加大，液壓助力矩變化加大，從而方向盤反饋力矩波動加大?？梢姼咿D(zhuǎn)速時電機轉(zhuǎn)速PID控制調(diào)節(jié)參數(shù)需要適當(dāng)調(diào)整，調(diào)節(jié)精度有待提高。

2)高轉(zhuǎn)速工況下，電機轉(zhuǎn)速波動加大，導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)節(jié)電流波動變化加大，如圖4(d)。但是由于電機的動態(tài)慣性力，高轉(zhuǎn)速工況下液壓系統(tǒng)助力壓力值仍較低轉(zhuǎn)速工況大，如圖5。

3)高轉(zhuǎn)速工況下最高電流值小于低轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)工況，主要是由于低速工況的方向盤轉(zhuǎn)角大于其他工況所致。

4.2.2 方向盤快速轉(zhuǎn)向試驗

電動液壓泵轉(zhuǎn)速為1000 r/min時，方向盤快速(約0.2 Hz)轉(zhuǎn)動下，方向盤轉(zhuǎn)角、力矩值、電機電流的變化圖，見圖6。由圖6(b)可知，在方向盤轉(zhuǎn)動頻率提高后，方向盤反饋力矩〔與圖4(c)相比〕明顯增加，且最大力矩與最大輪胎回正力矩(方向盤轉(zhuǎn)角最大位置)不一致，電機最高電流也有適當(dāng)下降，如圖6(c)，說明采用恒電機轉(zhuǎn)速控制的助力系統(tǒng)在方向盤轉(zhuǎn)速變化時助力的隨動性不夠。

圖6 快速轉(zhuǎn)向工況方向盤轉(zhuǎn)角、力矩及電流的變化

4.2.3 方向盤轉(zhuǎn)速隨動控制試驗

電動液壓泵轉(zhuǎn)速1 000 r/min時，采取轉(zhuǎn)速隨動控制(方向盤轉(zhuǎn)動頻率約0.12 Hz)下，方向盤轉(zhuǎn)角、力矩值及電機轉(zhuǎn)速的變化見圖7。

圖7 轉(zhuǎn)速隨動控制工況方向盤轉(zhuǎn)角、力矩及電機轉(zhuǎn)速的變化

如圖7(b)，轉(zhuǎn)速隨動控制工況下方向盤力矩波形與準穩(wěn)態(tài)(慢速)工況力矩波形基本一致，與圖6(b)相比助力隨動性得到了提高；但是圖7(b)中方向盤力矩最大值(約-3 N·m)與輪胎側(cè)向力最大值(方向盤轉(zhuǎn)角為-75° 處)仍存在不相對應(yīng)的情況，說明控制程序的電機速度調(diào)節(jié)值有待調(diào)整，也可能是由于測控程序控制速度滯后所致，可在后續(xù)研究中加以改進。

5 結(jié) 語

從臺架試驗運行情況可知，筆者設(shè)計的試驗臺架測控系統(tǒng)基本達到要求，可以進行電動液壓助力轉(zhuǎn)向試驗數(shù)據(jù)的采集及電動液壓泵的控制。改變電動液壓泵轉(zhuǎn)速起到了變助力轉(zhuǎn)向控制的效果，通過采取隨方向盤轉(zhuǎn)速變化改變液壓泵目標轉(zhuǎn)速的隨動控制可以提高助力系統(tǒng)的隨動性，使之更加符合駕駛者的習(xí)慣，提高駕駛路感。

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Measurement and Control System Design of Electro-Hydraulic Power Steering System Test Bench Based on LabVIEW

Xie Houxun1,2, Gao Xiang1, Xia Changgao1

(1. School of Automobile & Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China; 2. Suzhou Polytechnic Institute of Agriculture, Suzhou 215008, Jiangsu, China)

According to the requirements of electro-hydraulic power steering system test bench, a measurement and control system was designed based on LabVIEW software. By using both data acquisition card and serial data communication technology, the system not only can acquire test data of steer angle, steer torque and hydraulic pressure, but also can acquire data of drive BLDC motor current and speed. The test bench system can simulate working condition of electro-hydraulic power steering system better. Experimental results demonstrate that the system can control the motor pump speed and acquire test data successfully. It shows the system has achieved its design goals.

vehicle engineering; electro-hydraulic power steering system(EHPS); test bench measurement and control system; bench test; LabVIEW software

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.03.32

2013-03-21；

2013-12-17

江蘇省科技攻關(guān)項目(BC2010450)

解后循(1969—)，男，江蘇興化人，副教授，主要從事汽車電控助力轉(zhuǎn)向技術(shù)方面的研究。E-mail：xhx1217@163.com。

U463.4

A

1674-0696(2015)03-162-05