吳利君，廖義德*，雷進宇

(1.武漢工程大學(xué) 機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；2.武漢理工大學(xué) 智能交通系統(tǒng)研究中心，湖北 武漢 430063)

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基于LabVIEW的EPS扭矩傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

吳利君1，廖義德1*，雷進宇2

(1.武漢工程大學(xué) 機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；2.武漢理工大學(xué) 智能交通系統(tǒng)研究中心，湖北 武漢 430063)

由于扭矩傳感器性能的優(yōu)劣直接決定著電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)總體性能，扭矩傳感器測試系統(tǒng)的開發(fā)和研究也就成為研究人員關(guān)注的熱點.針對汽車EPS扭矩傳感器測試過程中存在自動化程度不高以及測量精度不足的問題,設(shè)計了一種基于虛擬儀器(LabVIEW)的多通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).首先通過采集系統(tǒng)的功能需求分析，設(shè)計系統(tǒng)的硬件部分；然后根據(jù)硬件設(shè)計的特點和原則，選定軟件開發(fā)平臺，并對軟件系統(tǒng)的功能模塊進行了設(shè)計；最后分析系統(tǒng)采集到的實驗數(shù)據(jù)，驗證系統(tǒng)的可行性.實驗結(jié)果表明：當(dāng)輸入軸轉(zhuǎn)速為180°/s和360°/s時，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)扭矩傳感器信號高效率和高精度的測量.

扭矩傳感器;虛擬儀器;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

扭矩傳感器是汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Power Steering System,簡稱EPS)中的主要組成部件之一，其性能的好壞直接影響到EPS系統(tǒng)的整體性能.對扭傳感器測試的研究和開發(fā)引起各國的普遍重視.研究人員在扭矩傳感器分析方面做出了大量的研究.文獻[1]設(shè)計了一套以單片機為核心的車輪扭矩轉(zhuǎn)速信號采集與處理系統(tǒng)，并通過軟件來實現(xiàn)對扭矩轉(zhuǎn)速等信號的精確測量.文獻[2]設(shè)計了一套扭矩傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要包括信號調(diào)理電路、MSP430F149單片機電路和通信電路，并編寫了系統(tǒng)軟件.文獻[3]采用單片機SST89C5和高速大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷C4013E相結(jié)合的方式，完成了數(shù)據(jù)采集軸旋轉(zhuǎn)方向的辨別、相位差的檢測、數(shù)據(jù)的處理及扭轉(zhuǎn)角的計算.這些文獻在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)過程中上位機PC軟件多采用VB、PHI、VC++等面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言進行設(shè)計.這種采用上位機PC的系統(tǒng)架構(gòu)方式和基于下位機單片機進行設(shè)計的方法存在的缺點是上位機軟件編程調(diào)試較為復(fù)雜、開發(fā)周期相對較長.近些年隨著虛擬儀器的興起，以計算機為核心的硬件平臺，由LabVIEW測試軟件實現(xiàn)的一種計算機儀器系統(tǒng)在多個領(lǐng)域取得較好的效果.文獻[4]選用PCI-1712型數(shù)據(jù)采集卡結(jié)合LabVIEW對扭矩傳感器信號進行采集，實現(xiàn)對扭矩傳感器的靜態(tài)標(biāo)定和在各種負(fù)載下的參數(shù)測試.文獻[5]采用單總線DS18B20作為溫度傳感器，將溫度的變化轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，利用LabVIEW和AT89C52單片機實現(xiàn)溫度采集和監(jiān)控.文獻[6]介紹了變壓器測試系統(tǒng)的軟件和硬件結(jié)構(gòu)以及工作原理，采用數(shù)據(jù)采集卡PCI-1712L與LabVIEW完成對電流、電壓信號的采集以及數(shù)據(jù)打印等功能.文獻[7]開發(fā)了一套基于LabVIEW的測控系統(tǒng)，選擇PCI數(shù)據(jù)采集卡作為系統(tǒng)硬件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)連續(xù)采集以及流量自動調(diào)節(jié).自動化測試技術(shù)尤其是基于PC機的虛擬儀器技術(shù)引發(fā)了測控技術(shù)領(lǐng)域的一場重大變革.但一直以來，由于總線本身接口帶寬的限制，一些諸如要求高帶寬和高精度同步的測試領(lǐng)域，幾乎都被昂貴的專用測試儀器所壟斷.文獻[8-9]將PXIe總線用于多個新型應(yīng)用領(lǐng)域，實現(xiàn)了系統(tǒng)的高速和高精度的測量.在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套基于LabVIEW的多通道信號采集系統(tǒng),用于對編碼器和扭矩傳感器信號進行采集.采用編碼器對扭矩傳感器進行標(biāo)定，對傳感器信號進行采集分析.首先介紹了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計流程，然后給出測試的整個流程，最后通過系統(tǒng)采集到的編碼器和角度傳感器數(shù)據(jù)進行實例分析.

圖1 采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖Fig.1 Hardware framework design of acquisition system

1 采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1.1 需求分析

為了實現(xiàn)對傳感器多路不同頻率的信號和編碼器的角度信號準(zhǔn)確采集和傳送.采集系統(tǒng)需要具備以下功能：

1)多路波形的信號的同步采集功能：實現(xiàn)扭矩傳感器和編碼器的同步采集.

2)信號的頻率測量：采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)扭矩傳感器信號的頻率測量.

3)編碼器定位功能：實現(xiàn)編碼器位置測量.

為了實現(xiàn)以上功能，系統(tǒng)采用PXIe硬件采集設(shè)備對信號進行采集和處理.PXIe硬件模塊包括：PXIe機箱、PXIe控制器和PXIe數(shù)據(jù)采集卡.PXIe數(shù)據(jù)采集卡中計數(shù)器模塊能夠完成頻率測量、占空比測量和編碼器位置測量.PXIe控制器能夠?qū)崿F(xiàn)采集的控制.

1.2 硬件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

在系統(tǒng)硬件設(shè)計時，采用美國國家儀器(NI)有限公司的PXIe機箱和數(shù)據(jù)采集卡設(shè)備，硬件的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示.此系統(tǒng)能實現(xiàn)多路信號同步采集，并在每個通道上具備信號濾波功能.

從圖1可知，扭矩傳感器和編碼器濾波后的信號通過接線盒和屏蔽68針電纜與采集系統(tǒng)連接，被測信號通過電纜送到數(shù)據(jù)采集卡的5個計數(shù)器輸入模塊.然后數(shù)據(jù)采集卡中1個計數(shù)器輸出主時鐘信號導(dǎo)出到PXI_TRIG3，作為兩個從時鐘信號的同步觸發(fā)信號.3個時鐘信號對5路信號進行采樣.采集后的信號數(shù)據(jù)通過PXIe接口傳輸?shù)絇XIe控制器的內(nèi)存中，LabVIEW軟件讀取內(nèi)存中采集數(shù)據(jù)，最后將數(shù)據(jù)輸出到顯示屏，或者進行保存.

1.3 硬件系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

整個采集系統(tǒng)由傳感器、編碼器、濾波電路、PXIe機箱、PXIe控制器、數(shù)據(jù)采集卡和測試軟件組成.機箱選用的是4槽機箱NI PXIe-1071，配有高帶寬背板，可滿足各種高性能測試和測量應(yīng)用的需求.控制器采用NI PXIe-8840,具有高效的數(shù)據(jù)傳輸功能，可支持多個數(shù)據(jù)采集卡執(zhí)行采集的任務(wù).PXIe-6612是整個采集系統(tǒng)的核心，NI PXIe-6612是一款定時和數(shù)字I/O模塊，配有8個32位計數(shù)器/定時器和40條兼容TTL/ CMOS的數(shù)字I/O線.

2 采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計

采集系統(tǒng)軟件采用LabVIEW軟件實現(xiàn). LabVIEW主要用于數(shù)據(jù)采集、儀器控制和數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域[10].LabVIEW是一種基于G語言可視化軟件開發(fā)平臺，與其他類型的編程語言相比，其具有開發(fā)效率高、開發(fā)界面簡單等特點[11].

如圖2所示，采集系統(tǒng)軟件系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和可視化模塊三部分組成.

圖2 軟件系統(tǒng)框架示意圖Fig.2 Schematic diagram of software system framework

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

PXIe-6612數(shù)據(jù)采集卡采集到的扭矩傳感器和編碼器的信號會影響到后面的數(shù)據(jù)分析.整個LabVIEW的采集程序包括：通道參數(shù)的配置、觸發(fā)的配置、采樣時鐘的選擇、讀取函數(shù)的配置.數(shù)據(jù)采集模塊的程序框圖如圖3所示.時鐘配置程序如圖3(a)所示.圖3(b)給出了編碼器信號和一路傳感器信號的采集程序.

2.1.1 配置通道函數(shù) 配置通道函數(shù)可以設(shè)置通道的輸入和輸出任務(wù)的名稱.按照實際需要可以創(chuàng)建單個或者多個虛擬通道，以及選擇通道的I/O類型，例如模擬輸入、數(shù)字輸出或者計數(shù)器輸入等.本系統(tǒng)創(chuàng)建了三個不同計數(shù)器輸出的通道，用于生成采樣時鐘信號.這3個數(shù)字脈沖信號的占空比都為50%，頻率依次為200、1 000、2 000 Hz.同時創(chuàng)建了5個不同計數(shù)器輸入通道完成對編碼器的位置測量和傳感器信號的頻率測量.其中4個計數(shù)器用于傳感器的信號測量，返回頻率和占空比.剩下的一個計數(shù)器用于編碼器位置信號的測量，返回角度值.

(a)時鐘配置;(b)信號采集通道配置圖3 數(shù)據(jù)采集模塊的程序框圖Fig.3 Program block diagram of the data acquisition module

2.1.2 配置觸發(fā)方式 觸發(fā)就是在怎樣條件下采集卡開始采集數(shù)據(jù)，這里選擇數(shù)字觸發(fā).邊沿設(shè)置數(shù)字信號的上升沿或下降沿觸發(fā)，這里設(shè)置為上升沿觸發(fā).

2.1.3 配置采樣時鐘 設(shè)置采樣模式、采樣時鐘源、采樣率和每通道的采樣數(shù).采樣模式選擇為連續(xù)采集.為了實現(xiàn)多路信號同步采集，設(shè)置了主時鐘和兩個從時鐘.主時鐘頻率為200 Hz，從時鐘1頻率為1 000 Hz，從時鐘2的頻率為2 000 Hz.三個時鐘分別為不同采樣時鐘的時鐘源.采樣率都設(shè)置為生成主時鐘信號的計數(shù)器輸出頻率.

2.1.4 設(shè)置讀取函數(shù) 可讀取一個或多個采樣通道的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型可以是浮點型或者波形數(shù)據(jù).讀取用戶指定任務(wù)或虛擬通道的采樣數(shù).對于傳感器的信號讀取函數(shù)，本系統(tǒng)選擇計數(shù)器1D脈沖頻率單通道多采樣.編碼器的位置信號讀取函數(shù)選擇為計數(shù)器1D DBL單通道多采樣.

2.2 數(shù)據(jù)存儲模塊

數(shù)據(jù)存儲程序可以利用寫入電子表格文件V1存儲文件.電子表格文件V1能夠?qū)崿F(xiàn)字符串、帶符號的整數(shù)、雙精度數(shù)的二維或者一維數(shù)組轉(zhuǎn)換成文本字符串，并將字符串寫入至新的字節(jié)流文件或添加至現(xiàn)存文件.

2.3 可視化展現(xiàn)模塊

可視化模塊將采集到的數(shù)據(jù)在軟件界面上展現(xiàn)，包括圖形和數(shù)值兩種方式.編碼器轉(zhuǎn)動的位置信息以圖形和數(shù)值的形式顯示.通過觀察圖形可以判斷編碼器信號是否輸出正常.扭矩傳感器信號輸出的是頻率和占空比信息，以數(shù)值形式在界面上展現(xiàn).

圖4 系統(tǒng)測試流程圖Fig.4 Flow chart of system test

圖5 多路信號同時采集的數(shù)據(jù)和曲線Fig.5 Data and curves for acquisition of multiple signals

3 測試驗證

3.1 測試流程

為了驗證測試系統(tǒng)的可行性，需要對扭矩傳感器和編碼器輸出的信號進行采集測試及分析.整個系統(tǒng)測試流程如圖4所示.上位機為PXIe-8840控制器，數(shù)據(jù)采集卡則為下位機.數(shù)字I/O卡通過中間繼電器發(fā)送數(shù)字信號給PLC，PLC接收到信號并通過電機驅(qū)動電路控制機臺的轉(zhuǎn)動.機臺的輸入軸和輸出軸差動的角度看作是扭轉(zhuǎn)角度.當(dāng)機臺轉(zhuǎn)動過程中，編碼器和扭矩傳感器檢測到扭轉(zhuǎn)角度和位置信號.然后上位機發(fā)送采集命令，控制下位機開始數(shù)據(jù)采集.DMA控制器通過數(shù)據(jù)總線，將采集卡的FIFO中的數(shù)據(jù)寫入到內(nèi)存的緩沖區(qū)中[12].采集應(yīng)用程序讀取上位機內(nèi)存中的緩沖區(qū)，將數(shù)據(jù)顯示在面板上.最后采用Matlab軟件對保存的數(shù)據(jù)進行分析.

3.2 測試結(jié)果

本系統(tǒng)設(shè)計的目的是通過采集到的數(shù)據(jù)，檢測該系統(tǒng)的可靠性.扭矩傳感器輸出4路PWM信號，信號頻率范圍為1 850～2 280 Hz,1 850～2 280 Hz,198～202 Hz， 920～1 140 Hz.這四路信號標(biāo)記為T1，T2，S，P.T1與ctr0相連接，信號T2與ctr5相連接，信號S與ctr2相連接，信號P與ctr3相連接.編碼器輸出1路位置角度信號，信號標(biāo)記為M信號，與ctr4相連接.S信號的采樣時鐘源是主時鐘，設(shè)置為”6612/Ctr1InternalOutput”.P信號的采樣時鐘源是從時鐘1，設(shè)置為6612/Ctr6InternalOutput”.選擇從時鐘2作為T1、T2和M信號的采樣時鐘源，設(shè)置為”6612/Ctr7InternalOutput”.

利用圖3所設(shè)計多個信號采集通道，對位置角度和頻率信號進行采集測試.為了測試采集系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下實現(xiàn)功能的可行性.在其他的條件不變的情況下，只改變電機的轉(zhuǎn)速進行實驗測試.

5路信號同時采集所得到的測試數(shù)據(jù)和編碼器輸出的位置角度曲線如圖5所示.圖5所示的數(shù)組的1,3,5,7列數(shù)據(jù)對應(yīng)的是T1，T2，S，P的頻率，第9列為編碼器的位置角度.在輸入軸轉(zhuǎn)速為180°/s時，采集到的數(shù)據(jù)如圖5所示.

通過觀察分析，證明該信號采集系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下，可以同時實現(xiàn)傳感器頻率信號采集和編碼器的定位測量，并且所采集到的數(shù)據(jù)能夠達(dá)到很好的精度.

本研究通過Matlab軟件對實驗在同步轉(zhuǎn)動(此時扭矩為0)狀態(tài)下采集的數(shù)據(jù)進行分析，可以實現(xiàn)對扭矩傳感器性能參數(shù)的標(biāo)定.扭矩傳感器輸出兩路差動信號T1和T2，計算取T1和T2輸出角度值的均值Diff作為差動角度.由于采集到的數(shù)據(jù)是占空比信息，首先按照差動信號理想輸出曲線可以求出角度值，差動信號理想輸出曲線如圖6所示，Diff_1表示信號T1輸出曲線，Diff_2則表示T2輸出曲線.

圖6 差動信號理想輸出曲線Fig.6 Ideal output curve of differential signal

圖7 差動信號中的高頻和低頻Fig.7 High frequency and low frequency of differential signal

然后采用離散傅里葉變換對原始時域信號Diff進行展開，按照級數(shù)為1到5作為低頻信號，6到120作為高頻信號.差動信號的高頻部分和低頻部分如圖7所示.

高頻波動HFR和低頻波動LFR表示在零轉(zhuǎn)矩輸出時差動信號均值Diff波動特性.低頻波動LFR主要來自裝配公差，高頻波動HFR主要來自組件公差[13].一個周期內(nèi)高頻信號的最大值和最小值的差值為高頻波動，低頻信號的最大值與最小值差值為低頻波動.實驗通過Matlab對圖7中高頻信號和低頻信號進行數(shù)據(jù)處理，可以實現(xiàn)對傳感器性能參數(shù)的標(biāo)定.

4 結(jié)語

扭矩傳感器的性能決定著EPS助力系統(tǒng)的助力特性[14].因此，對扭矩傳感器信號的測量也就顯得尤為重要.本文使用虛擬儀器測試軟件LabVIEW，結(jié)合PXI硬件平臺以及數(shù)據(jù)采集設(shè)備[15]，構(gòu)建了基于LabVIEW的扭矩傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).采集程序?qū)崿F(xiàn)了扭矩傳感器的信號的采集、存儲、信號分析和顯示.本研究選擇了LabVIEW編程軟件和PXIe數(shù)據(jù)采集卡，這不僅提高了測量精度，而且縮短了開發(fā)周期.其中，系統(tǒng)硬件部分是利用PXIe-6612計數(shù)器/定時器、PXIe-8840控制器和PXIe機箱來實現(xiàn)的.系統(tǒng)軟件部分通過LabVIEW測試軟件編寫程序模塊實現(xiàn).實驗測試結(jié)果證明，該系統(tǒng)不僅實現(xiàn)多通道頻率信號的測量和編碼器定位測量，還實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的顯示和存儲功能.通過對傳感器和編碼器采集的數(shù)據(jù)進一步處理，可以對傳感器的性能參數(shù)進行標(biāo)定.整個系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)給以后的扭矩傳感器測試系統(tǒng)提供參考.

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責(zé)任編輯：高 山

Design of EPS Torque Sensor Data Acquisition
System Based on LabVIEW

WU Lijun1，LIAO Yide1*,LEI Jinyu2

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Wuhan Institute of Technology,Wuhan 430205,China;2.Intelligent Transport System Research Center,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China)

As the advantages and disadvantages of torque sensor performance directly decide the overall performance of electric power steering system, research and development on the testing system of torque sensor have become a hot topic.With respect to the problems of low automation and the low measuring precision during the test of torque sensor for electric power steering,we designed multi-channel data acquisition system based on LabVIEW. First,the hardware of the system was designed through the functional requirements analysis of the system.Then according to the characteristic and principle of the hardware,the software development platform was selected and the functional modules of a software system were designed.Lastly,the experimental data collected by the system was analyzed to verify the feasibility of the system.The test results show that the system can measure the signals of torque sensor with high efficiency and high precision when the speed of the input shaft is 180°/s and 360°/s.

torque sensor; virtual instrument; data acquisition system

2016-11-10.

國家自然科學(xué)基金項目(51479155)；湖北省自然科學(xué)基金項目(2014CFB777).

吳利君(1990- )，男，碩士生，主要從事機電一體化的研究;*

廖義德(1963- )，博士，教授，主要從事機電一體化的研究.

1008-8423(2016)04-0430-05

10.13501/j.cnki.42-1569/n.2016.12.016

TP274

A