謝 斌, 劉 柯

(中國農(nóng)業(yè)大學 工學院, 北京 100083)

LabVIEW測試系統(tǒng)在EPS實訓臺上的應(yīng)用

謝 斌, 劉 柯

(中國農(nóng)業(yè)大學 工學院, 北京 100083)

為豐富“車輛電子控制實驗”課程實驗教學內(nèi)容,基于LabVIEW開發(fā)了一套具有數(shù)據(jù)采集、存儲和分析處理等功能的EPS實訓臺測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)不但能演示實驗,而且能夠進行轉(zhuǎn)矩傳感器、驅(qū)動電機、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速脈沖等電壓信號的采集測試與分析實驗,涉及汽車構(gòu)造、汽車原理、電工學、LabVIEW編程等課程知識,有助于從多方面提高學生的動手能力和科研能力,具有較高的教學實用性。

測試系統(tǒng)； EPS實訓臺； LabVIEW； 實驗教學

電子助力轉(zhuǎn)向(EPS)是車輛工程專業(yè)學生必須學習的專業(yè)知識,而實驗教學是EPS學習的重要途徑之一。傳統(tǒng)的EPS實訓臺在實驗教學中只能完成點火、轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)角演示實驗[1-2],所以有必要對EPS實訓臺進行進一步開發(fā)。文獻[3]設(shè)計了汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力特性測試系統(tǒng),可以為EPS控制器的設(shè)計以及控制策略的制訂提供一定的參考依據(jù)；文獻[4]設(shè)計了一套汽車EPS試驗臺及測控系統(tǒng),建立了數(shù)學模型,實現(xiàn)了系統(tǒng)的自動化；文獻[5]基于ARM7TDM1-S內(nèi)核的高性能芯片LPC2131,對汽車電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)進行了設(shè)計和優(yōu)化。

筆者采用LabVIEW工具,開發(fā)了一套控制算法和控制策略更簡單、更適用于實驗教學的EPS測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)大大地增加了EPS實訓臺的實用性,使學生能夠更加深入地掌握汽車電子控制系統(tǒng)的理論知識和設(shè)計方法。

1 測試系統(tǒng)總體設(shè)計

針對EPS實訓臺設(shè)計了本測試系統(tǒng),其主要包括測試控制柜、計算機和LabVIEW程序3部分。

EPS實訓臺作為測試系統(tǒng)的動作執(zhí)行機構(gòu),其主要作用為:(1)完整展示EPS的結(jié)構(gòu)及工作原理；(2)模擬汽車行駛的各種路面情況及地面阻力；(3)產(chǎn)生各種EPS的輸入信號,包括轉(zhuǎn)矩信號、模擬車速信號、發(fā)動機信號等。其中轉(zhuǎn)矩信號由伺服電機提供,模擬車速信號與發(fā)動機信號由脈沖發(fā)生器提供。

測試控制柜建立起實訓臺與計算機之間的連接,其主要作用是檢測EPS的各項輸入信號,并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號作為計算機部分的輸入信號。

計算機是測試系統(tǒng)的控制中心。系統(tǒng)以工業(yè)控制計算機為核心,搭配PCIe-6363數(shù)據(jù)采集卡。計算機負責整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、采樣數(shù)據(jù)的分析處理,將分析處理后的結(jié)果以命令的形式發(fā)送到執(zhí)行單元,并對EPS各項性能數(shù)據(jù)進行記錄和顯示[6-9]。

LabVIEW是一種圖形程序語言,通過LabVIEW設(shè)計出汽車電動助力轉(zhuǎn)向仿真系統(tǒng),此仿真系統(tǒng)通過對車輛相關(guān)參數(shù)的計算,得到汽車轉(zhuǎn)向性能的表征指標。

本測試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)總體圖

2 EPS實訓臺

EPS實訓臺主要包括電子控制單元(ECU)、電機、減速機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)編碼器、光耦隔離模塊、速度傳感器及轉(zhuǎn)矩傳感器等部件。

2.1 電子控制單元(ECU)

ECU的功能是根據(jù)車速信號、轉(zhuǎn)向盤扭矩信號進行邏輯分析與計算，然后發(fā)出指令,控制電機和離合器的動作。此外,ECU還有安全保護和自我診斷功能。ECU通過采集電機的電流和電壓、發(fā)動機工況等信號,判斷系統(tǒng)工作狀況是否正常。一旦系統(tǒng)工作異常,助力將自動取消,系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槭謩愚D(zhuǎn)向狀態(tài),同時ECU將進行故障診斷分析。由于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在非線性因素(如摩擦和阻尼),元件的磨損、路面條件的變化和傳感器噪聲也會給系統(tǒng)帶來不確定性,因此控制系統(tǒng)應(yīng)有較強抗干擾能力,以適應(yīng)汽車復雜的行駛環(huán)境,并能有效地實現(xiàn)理想的助力規(guī)律與特性[10]。

2.2 旋轉(zhuǎn)編碼器

編碼器是一種將角位移轉(zhuǎn)換成一連串電數(shù)字脈沖的旋轉(zhuǎn)式傳感器,這些脈沖能用來測量角位移。本實驗需采集方向盤及兩前輪的轉(zhuǎn)角信號,采用歐姆龍E6B2-CWZ6C增量型編碼器(NPN型輸出),分別安裝在轉(zhuǎn)向齒輪所在扭桿和兩個車輪轉(zhuǎn)盤的下方。編碼器分辨率為1 800 P/r,即每轉(zhuǎn)產(chǎn)生1 800個脈沖信號[11]。

2.3 信號發(fā)生器

由于EPS實訓臺不能產(chǎn)生實際車速及發(fā)動機轉(zhuǎn)速,故采用NE555脈沖信號發(fā)生器模擬車速脈沖。該信號發(fā)生器可產(chǎn)生3擋可調(diào)方波信號,分別為低頻擋1～50 Hz,中頻擋50～1 000 Hz,高頻擋1～10 kHz,用以模擬不同的車速[12-13]。

3 測試控制柜

測試控制柜集成了EPS實訓臺和計算機部分的電路總成,柜中布置有工業(yè)控制計算機、PLC工控板、PCIe-6363數(shù)據(jù)采集卡、顯示屏及操作所需的鍵盤、鼠標等。測試控制柜能夠為實訓臺、工控機提供5 V、12 V、±15 V、24 V、48 V、220 V及可調(diào)3～12 V電源。

3.1 工業(yè)控制計算機

測試系統(tǒng)采用研華IPC-610-L工業(yè)控制計算機。此計算機支持ATX母板或多達15槽的PICMG無源底板；支持300 W單PS/2和冗余ATX電源；抗沖擊磁盤驅(qū)動器托架可支持3個5.25英寸磁盤驅(qū)動器和1個3.5 英寸磁盤驅(qū)動器；可鎖面板前門能夠防止未經(jīng)許可對計算機進行訪問；其獨特的固定壓條和防振設(shè)計使計算機能夠在沖擊、振動和灰塵較多的惡劣環(huán)境下工作。

工業(yè)控制計算機采用了AIMB-784主板,搭配Intel第四代Core i7處理器,擁有4個DIMM插槽,最大支持32 GB DDR3 1333/1600,支持雙顯示VGA/2 DVI-D和雙GbE LAN,支持SATA RAID、USB 3.0。

3.2 PLC工控板

測試系統(tǒng)采用了FX1N-22MR和FX1N-40MR兩款可編程控制器(PLC),旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生的脈沖信號輸入到PLC,信號處理后經(jīng)過光電隔離模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C中[14]。

3.3 PCIe-6363數(shù)據(jù)采集卡

PCIe-6363數(shù)據(jù)采集卡的基本功能為模擬量及數(shù)字量輸入和輸出、A/D轉(zhuǎn)換、定時及計數(shù)等。PCIe-6363有高達10 GΩ的輸入阻抗,能夠有效減小干擾電流對輸入信號的影響,從而提高數(shù)據(jù)采集的精確度。此外,PCIe-6363還能檢測到4 μV的電壓輸入信號,靈敏度極高。PCIe-6363還提供了多種不同模式的連接信號的方法,包括8個模擬輸入通道都有不同的模式及16路模擬輸入通道的非接地單端模式等[15-17]。

4 測試程序

本測試系統(tǒng)中實訓臺的轉(zhuǎn)矩傳感器電壓、驅(qū)動電機電壓、發(fā)動機轉(zhuǎn)速電壓和轉(zhuǎn)速脈沖電壓等由各類傳感器和編碼器采集轉(zhuǎn)換成模擬信號后,經(jīng)信號調(diào)理電路放大和濾波,再由PCIe-6363數(shù)據(jù)釆集卡采集，將數(shù)據(jù)傳至計算機系統(tǒng)中，由LavVIEW程序進行分析處理。

數(shù)據(jù)采集的流程如圖2所示。本測試程序首先利用“DAQmx創(chuàng)建物理通道”子模塊創(chuàng)建模擬輸入通道,設(shè)置輸入電壓范圍為-10 V～+10 V；然后通過“DAQmx讀取”子模塊讀取通道數(shù)據(jù),即完成數(shù)據(jù)的采集；數(shù)據(jù)采集完成后,通過“DAQmx存儲”子模塊將數(shù)據(jù)存儲到設(shè)定的路徑；最后,通過“DAQmx清除任務(wù)”子模塊清除任務(wù),節(jié)省內(nèi)存空間。

圖2 數(shù)據(jù)采集流程圖

模擬信號采集程序前面板如圖3(a)所示,車輪轉(zhuǎn)角及方向盤轉(zhuǎn)角測量程序前面板如圖3(b)所示。在程序中均設(shè)置了信號的上下限,保證合適的測量范圍；設(shè)置了采樣時間、采樣率,控制采樣數(shù)量及速度；設(shè)置了采集數(shù)據(jù)的存儲路徑,并可以根據(jù)需要加以修改；設(shè)置了信號輸入類型和采樣模式。點擊“開始”后,程序即刻顯示各參數(shù)輸出波形,波形會隨著方向盤轉(zhuǎn)動等輸入信號的改變而改變。點擊“開始記錄數(shù)據(jù)”按鈕即開始記錄數(shù)據(jù),再次點擊此按鈕即可停止記錄,點擊“停止”按鈕程序結(jié)束。

圖3 Labview程序前面板

5 實驗測試與結(jié)果分析

本測試系統(tǒng)在EPS實訓臺上的開發(fā)應(yīng)用,使實訓臺在教學中可以完成如下實驗:

(1) EPS助力特性實驗；

(2) 驅(qū)動電機電壓等模擬信號采集實驗；

(3) 車輪轉(zhuǎn)角及方向盤轉(zhuǎn)角在電動助力轉(zhuǎn)向中的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系實驗。

其中,EPS助力特性對汽車的操縱穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向路感有很大影響,是EPS系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一[18]。

5.1 實驗測試

NE555脈沖信號發(fā)生器可產(chǎn)生4擋信號,因中高頻擋和高頻擋所模擬的車速均屬于高速擋,所以通過NE555脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生3擋信號:低頻擋、中頻擋和高頻擋,分別模擬汽車的低速擋、中速擋和高速擋。

針對不同的擋位對方向盤施加扭轉(zhuǎn)力,可以直觀地了解不同模擬車速狀態(tài)下方向盤轉(zhuǎn)動阻力的大小。轉(zhuǎn)矩傳感器安裝在方向盤輸入軸上,其電壓值的大小與輸入軸轉(zhuǎn)矩的大小成正比,驅(qū)動電機為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供助力,電機電壓值大小與助力的大小成正比。所以通過LabVIEW測試系統(tǒng)采集轉(zhuǎn)矩傳感器電壓信號和驅(qū)動電機電壓信號的變化,即得到了輸入軸轉(zhuǎn)矩和助力矩的變化,并以折線圖的形式顯示出來,可分析驗證助力特性實驗的合理性。

分別在3種擋位下,啟動EPS實訓臺,運行LabVIEW測試程序開始采樣,通過方向盤的不同轉(zhuǎn)動情況觀察不同車況下轉(zhuǎn)向阻力矩、助力矩隨車速的變化關(guān)系即助力特性:先不轉(zhuǎn)動方向盤,使其平穩(wěn)工作,然后緩慢勻速地轉(zhuǎn)動方向盤至一定角度后,突然加快旋轉(zhuǎn)速度,最后恢復平穩(wěn)。實驗得到轉(zhuǎn)矩傳感器電壓和驅(qū)動電機電壓的變化曲線,如圖4所示。

圖4 不同模擬車速下實驗結(jié)果

5.2 結(jié)果分析

由圖4(a)可得,當脈沖信號發(fā)生器處于低速擋時,轉(zhuǎn)矩傳感器的電壓值總體較低,最大值不超過0.7 V,相應(yīng)的轉(zhuǎn)向阻力矩較小,與低速狀態(tài)下轉(zhuǎn)向輕便的理論相符，且驅(qū)動電機電壓與轉(zhuǎn)矩傳感器電壓的變化趨勢總體相同。當平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動方向盤時,電壓值波動平緩；快速地轉(zhuǎn)動方向盤時,電壓值波動劇烈。這說明低車速時驅(qū)動電機對方向盤轉(zhuǎn)矩有良好的跟蹤效果。

當脈沖信號發(fā)生器處于中速擋時,轉(zhuǎn)矩傳感器的電壓值有了明顯的提升,電壓平均值在2.5 V以上,驅(qū)動電機電壓值總體在5 V以上,與車速增大則轉(zhuǎn)動阻力增大的理論相符。此時,驅(qū)動電機電壓與轉(zhuǎn)矩傳感器電壓的變化趨勢仍相同,驅(qū)動電機對方向盤轉(zhuǎn)矩仍有良好的跟蹤效果。

當脈沖信號發(fā)生器處于高速擋時,轉(zhuǎn)矩傳感器的電壓值進一步上升,電壓平均值達3 V左右?？焖俎D(zhuǎn)動方向盤時,轉(zhuǎn)矩傳感器最大電壓可達5 V左右,與高速時轉(zhuǎn)動更加平穩(wěn)的理論相符。此時驅(qū)動電機電壓值為定值,這是由于電機額定功率的有限,助力矩增大到一定值后保持不變,與理論也是相符的。

6 結(jié)語

本文基于LabVIEW測試系統(tǒng)原理,搭建了EPS實訓臺測控系統(tǒng)硬件平臺,開發(fā)了測試系統(tǒng)的LabVIEW程序,使系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲和分析處理等功能。通過實驗,可以很好地觀察EPS的助力特性、驅(qū)動電機電壓等模擬信號的變化、車輪轉(zhuǎn)角與方向盤轉(zhuǎn)角在電動助力轉(zhuǎn)向中的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。這種硬件與軟件相結(jié)合的實驗形式,能更好地培養(yǎng)學生的邏輯思維能力,幫助學生掌握科學的研究方法。類似的方法在其他學科也能夠適用。

References)

[1] 邵麗青.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].汽車與配件,2011(36):19-21.

[2] 周淑輝,李幼德,李靜,等.汽車電子控制轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展趨勢[J].汽車電器,2006(11):1-3.

[3] 時利,黃鶴,趙林峰,等.基于LabVIEW的EPS助力特性測試系統(tǒng)的設(shè)計[J].湖北汽車工業(yè)學院學報,2014,28 (1):1-4.

[4] 劉海泉,肖世德，陳翀.基于LabVIEW的汽車EPS試驗臺測控系統(tǒng)[J].控制工程,2009,16(5):641-642,650.

[5] 祝勇俊,朱樹先,郭勝輝,等.基于LPC2131的EPS控制系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2012,31(5):7-11.

[6] 呂旺.汽車電動助力轉(zhuǎn)向器性能試驗臺測控系統(tǒng)設(shè)計[D].武漢:武漢理工大學,2012:10.

[7] 王常友.汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗臺設(shè)計研究[D].武漢:武漢理工大學,2008:12.

[8] 施國標,林逸,陳萬忠,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.

[9] 林逸,施國標,鄒常豐,等.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向性能的客觀評價[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2003,34(4):4-7.

[10] 祁先來.本田飛度電動式EPS控制系統(tǒng)的電路原理[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2012(3):9.

[11] 歐姆龍自動化中國統(tǒng)轄集團.歐姆龍E6B2/E6CP型旋轉(zhuǎn)編碼器[J].紡織機械,2007(2):21-23.

[12] 蘇文平,薛永毅.基于NE555設(shè)計的脈沖信號發(fā)生器在實踐教學的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理,2008,25(6):76-78.

[13] 李俊峰,尹芳莉,荊雄,等.基于EPS中車速傳感器的模擬設(shè)計[J].機械工業(yè)標準化與質(zhì)量,2011(9):22-25.

[14] 柳劍,陳於學,楊曙年.基于編程口的三菱PLC與PC機串行通信實現(xiàn)[J].自動化儀表,2010,31(11):31-33.

[15] 侯國屏,王珅,葉齊鑫.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設(shè)計[M].北京:清華大學出版社,2004.

[16] 謝斌,張超,孫紅霞,等.基于LabVIEW電動車輛雙電機控制教學實驗平臺[J].實驗室研究與探索,2015,34(4):78-82.

[17] 楊樂平,李海濤,楊磊.LabVIEW程序設(shè)計與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[18] 趙景波,周冰,李秀蓮,等.電動汽車EPS曲線型助力特性的設(shè)計及試驗[J].電機與控制學報,2011,15(12):96-102.

Application of LabVIEW measurement system in EPS training platform

Xie Bin, Liu Ke

(College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

In order to enrich the experimental teaching content of “Vehicle electronic control experiment,” based on LabVIEW development environment, this article builds up a system hardware platform including EPS training equipment and control cabinet, etc. and develops an EPS measurement system which includes a set of data acquisition, data storage, data analysis and process and other functions. The system breaks through the limitation which can only process demonstration experiment of the traditional EPS training platform, it can further be used for testing and analyzing the voltage signals of torque sensor, drive motor, engine speed and rotating speed. The development of measurement system involves the knowledge of automobile structure, the principle of automobile, electrotechnics, LabVIEW programming and so on. It can improve students’ hands-on ability and scientific research ability from many aspects, and has a very high scientific practicability.

measurement system; EPS training platform; LabVIEW; experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2017.05.034

2016-11-29 修改日期：2017-02-18

國家科技支撐計劃項目(2016YFD0701001)

謝斌(1973—),男,四川大竹,博士,副教授,博士生導師,主要研究方向為汽車電控、農(nóng)業(yè)裝備智能化、電液控制.

E-mail：xiebincau@126.com

U463.4

B

1002-4956(2017)5-0140-04