基于LabviewPXI的EPS硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺開發(fā)

趙林峰， 夏 光，2， 黃 鶴， 高 明

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車工程技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009；3.株洲易力達(dá)機(jī)電有限公司，湖南 株洲 412002）

基于LabviewPXI的EPS硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺開發(fā)

趙林峰1， 夏 光1，2， 黃 鶴1， 高 明3

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車工程技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009；3.株洲易力達(dá)機(jī)電有限公司，湖南 株洲 412002）

文章以非線性輪胎模型和7自由度整車動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，在Labview平臺建立轉(zhuǎn)向阻力矩動(dòng)力學(xué)模型，轉(zhuǎn)角信號作為輸入，使用LabVIEW RT（實(shí)時(shí)）模塊，將這些模型程序下載到實(shí)時(shí)目標(biāo)硬件PXI上運(yùn)行，結(jié)合硬件接口電路控制電液比例控制器，繼而驅(qū)動(dòng)液壓加載裝置來模擬轉(zhuǎn)向阻力矩。試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的硬件在環(huán)試驗(yàn)臺可用于EPS基本特性的測試、試驗(yàn)和EPS控制器的開發(fā)、參數(shù)調(diào)整。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向；試驗(yàn)臺；轉(zhuǎn)向阻力矩；硬件在環(huán)

0 引 言

為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的2個(gè)主要功能，即轉(zhuǎn)向操縱輕便性或不同的駕駛路感、良好的回正性能，開發(fā)過程中須進(jìn)行大量的實(shí)車試驗(yàn)，需要很長的開發(fā)周期，且消耗大量的人力和物力。因此，能夠有效縮短開發(fā)周期、節(jié)約開發(fā)成本的EPS系統(tǒng)開發(fā)和相關(guān)部件測試的方法和試驗(yàn)平臺，一直是國內(nèi)外高校和科研機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)［1－2］。

文獻(xiàn)［3－4］采用線性類彈簧結(jié)構(gòu)模擬轉(zhuǎn)向阻力矩；文獻(xiàn)［5］通過加載裝置中的千斤頂調(diào)節(jié)前輪負(fù)荷，以獲得不同的轉(zhuǎn)向阻力矩；文獻(xiàn)［6］根據(jù)不同的試驗(yàn)，可以選擇人工手動(dòng)加載或伺服電機(jī)加載模擬轉(zhuǎn)向阻力矩；文獻(xiàn)［7］設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于雙伺服電機(jī)加載的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)平臺。

文獻(xiàn)［3］采用線性類彈簧結(jié)構(gòu)、文獻(xiàn)［8］采用基于ARM7控制的液壓加載裝置模擬轉(zhuǎn)向阻力矩，但不能隨車速以及路面狀況調(diào)整轉(zhuǎn)向阻力矩。

本文設(shè)計(jì)了基于Labview PXI的EPS試驗(yàn)臺，以轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號作為輸入，結(jié)合硬件接口電路控制電液比例控制器，繼而驅(qū)動(dòng)液壓加載裝置輸出壓力模擬轉(zhuǎn)向阻力矩。試驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺可以模擬出不同路面條件及車速下的轉(zhuǎn)向阻力矩，便于進(jìn)行EPS控制器設(shè)計(jì)和調(diào)試。

1 轉(zhuǎn)向試驗(yàn)臺模型

基于Labview PXI的轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)臺，主要由宿主機(jī)、目標(biāo)機(jī)和控制對象等組成。宿主機(jī)是普通計(jì)算機(jī)，在其上安裝有Labview軟件及相應(yīng)的實(shí)時(shí)模塊、各種外部設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，運(yùn)行車輛動(dòng)力學(xué)模型，隨著轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和路面條件的變化輸出轉(zhuǎn)向阻力矩。目標(biāo)機(jī)是一臺美國NI公司的PXI－1042Q控制器，該控制器提供了一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)控制程序的執(zhí)行。接口系統(tǒng)起到了承上啟下的作用，一方面將通過轉(zhuǎn)向試驗(yàn)臺傳感器獲得的信號輸入到控制器，另一方面將控制器輸出的控制信號發(fā)送到試驗(yàn)臺。在試驗(yàn)過程中，上位機(jī)與下位機(jī)間通過TCP／IP協(xié)議構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的連接。上位機(jī)編好的應(yīng)用程序，下載到下位機(jī)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中進(jìn)行編譯、運(yùn)行，下位機(jī)部分結(jié)果在上位機(jī)進(jìn)行顯示。EPS硬件在環(huán)試驗(yàn)臺架構(gòu)的原理如圖1所示。

圖1 EPS硬件在環(huán)試驗(yàn)臺架的架構(gòu)

由于汽車行駛的工況、路況十分復(fù)雜，轉(zhuǎn)向過程中轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要克服回正力矩和摩擦阻力矩以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，回正過程中回正力矩是轉(zhuǎn)向車輪自動(dòng)返回到直線行駛位置的主要恢復(fù)力矩。在不同附著系數(shù)路面上，同樣的操作過程中，轉(zhuǎn)向阻力矩或回正力矩卻又有很大差異。為了將轉(zhuǎn)向阻力矩與車輛運(yùn)行環(huán)境聯(lián)系在一起，須建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向阻力矩模型，簡化的作用在轉(zhuǎn)向小齒輪的轉(zhuǎn)向力矩Tr模型如下：

其中，N2為轉(zhuǎn)向軸到前輪的傳動(dòng)比；Mz為前輪自回正力矩；Msz為重力引起的回正力矩；Tf－rp為轉(zhuǎn)向系摩擦力矩。

輪胎的自回正力矩Mz由輪胎側(cè)向力和輪胎拖距產(chǎn)生，這里需引入整車動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算輪胎的自回正力矩。

不考慮車輛側(cè)傾因素的影響，仿真采用7自由度車輛模型簡圖及動(dòng)力學(xué)方程、輪胎與路面之間的接觸力在車身航向直角坐標(biāo)上的分解圖［9］。采用的非線性輪胎模型為Dugoff輪胎模型，設(shè)左右輪胎側(cè)偏剛度相同，4個(gè)輪胎縱向剛度相同，不考慮其滯后特性，其表達(dá)式為：

其中，λ為輪胎的縱向滑移率；Fxw、Fyw分別為輪胎縱向力、側(cè)向力；τ為車速附著系數(shù)影響系數(shù)；Cαi、Cs分別為輪胎的側(cè)偏剛度、縱向剛度；μ為路面附著系數(shù)；ζ為輪胎動(dòng)態(tài)參數(shù)；ψ（ζ）為有關(guān)ζ的函數(shù)；i＝1，2，3，4，分別表示左前輪、右前輪、左后輪、右后輪。

假設(shè)同軸左、右車輪的轉(zhuǎn)向角相同，前輪轉(zhuǎn)向，即

其中，δ為輪胎轉(zhuǎn)角；Fxw、Fyw分別為輪胎縱向力、側(cè)向力；i＝1，2，3，4。

輪胎拖距為主銷后傾引起機(jī)械拖距及氣胎拖距之和。機(jī)械拖距tm視為一定值，而氣胎拖距tp不同，它受輪胎側(cè)偏剛度、路面附著系數(shù)及側(cè)偏角等因素影響，其初值為tp0，表達(dá)式如下：

其中，α為輪胎側(cè)偏角。

在上述模型中，描述的是輪胎側(cè)向力Fy和輪胎自回正力矩Mz隨側(cè)偏角變化的特性，隨著輪胎側(cè)偏角的增大，輪胎自回正力矩比側(cè)向力更早地達(dá)到飽和狀態(tài)，且達(dá)到峰值后，輪胎自回正力矩會(huì)急劇降低。

一般稱自回正力矩到達(dá)峰值之前的區(qū)域?yàn)榫€性區(qū)域，而隨著路面附著系數(shù)的降低，輪胎自回正力矩線性區(qū)域和幅值會(huì)明顯降低。

重力引起的回正力矩Msz可描述［9］為：

其中，Dn、φ為主銷內(nèi)傾量、主銷內(nèi)傾角。

原地轉(zhuǎn)向時(shí)松開轉(zhuǎn)向盤后，轉(zhuǎn)向盤會(huì)小幅度回正，但并不能置中，這是由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的內(nèi)部摩擦力矩Tf－rp所致，一般可認(rèn)為Tf－rp為常數(shù)。

2 試驗(yàn)平臺搭建

采用線性類彈簧結(jié)構(gòu)模擬轉(zhuǎn)向阻力矩，在常規(guī)助力過程中，該模型的簡化對實(shí)際結(jié)構(gòu)的影響不大，而在回正控制行程中影響卻很大［10］。

由文獻(xiàn)［5－8］可知，以往搭建的實(shí)驗(yàn)臺都不能很好地隨車速和路面附著系數(shù)變化而調(diào)整轉(zhuǎn)向阻力矩，割裂了其與車輛運(yùn)行環(huán)境的聯(lián)系，完整地進(jìn)行試驗(yàn)臺驗(yàn)證EPS控制策略有所欠缺，有很大的局限性。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，LabVIEW作為一個(gè)圖形化編程軟件，是開發(fā)試驗(yàn)系統(tǒng)的一種功能強(qiáng)大、方便快捷的編程工具，該軟件結(jié)合自身的硬件系統(tǒng)，其靈活、圖形化的編程方式，豐富的硬件接口，能夠很好地滿足試驗(yàn)技術(shù)要求，在汽車領(lǐng)域取得了很好的應(yīng)用效果。NI LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境和PXI模塊化硬件平臺是硬件在環(huán)（HIL）系統(tǒng)應(yīng)用的理想之選。

試驗(yàn)臺由電控液壓比例閥、液壓加載裝置、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及固定底座組成。轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)臺的架構(gòu)及實(shí)驗(yàn)臺布置如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)臺布置

2.1 仿真程序和界面開發(fā)

在Labview環(huán)境下建立相應(yīng)的轉(zhuǎn)向阻力矩模型，程序和界面如圖3所示。圖3a為硬件在環(huán)仿真程序，是基于Labview軟件平臺的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型和輸入輸出控制的接口模塊；圖3b為主界面，左邊是輸入?yún)?shù)窗口，右邊顯示的是在路面附著系數(shù)為0.3時(shí)的仿真結(jié)果，左下方的是轉(zhuǎn)角傳感器輸入或正弦模擬輸入切換按鈕，可以外接轉(zhuǎn)角傳感器信號或以軟件模擬方式進(jìn)行仿真。

圖3 硬件在環(huán)仿真程序和界面

2.2 接口系統(tǒng)程序開發(fā)

采用NI公司的PXI－1042Q控制器，該控制器有豐富的接口系統(tǒng)（數(shù)據(jù)采集卡），能夠滿足一般的系統(tǒng)信號測試。配合Labview RT程序，較好地保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。接口系統(tǒng)是用來實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)和實(shí)際硬件系統(tǒng)連接功能的部分，接口系統(tǒng)控制程序包括轉(zhuǎn)矩傳感器、助力電動(dòng)機(jī)電流、轉(zhuǎn)角傳感器等信號采集程序以及電液比例控制器控制信號輸出程序。

對于信號采集程序，需要進(jìn)行信號類型（數(shù)字或模擬）、采集端口、采樣模式、采樣頻率等的設(shè)置。本硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺中，CAN信號屬于數(shù)字信號類型，其他的如電壓采集屬于模擬信號范疇。在Labview中，有相關(guān)的虛擬儀器（VI）供用戶編程使用。

Bosch公司的轉(zhuǎn)角傳感器的輸出信號為CAN信號，將該信號通過PXI－8464板卡的CAN通訊口傳送至硬件在環(huán)系統(tǒng)，首先要對其連接線進(jìn)行改造，然后在Labview平臺下進(jìn)行配置。圖4所示為轉(zhuǎn)角傳感器接線及配置圖。

另外，選擇了PXI－6289板卡的ai0、ai1及ai2模擬端口，采用連續(xù)采樣模式進(jìn)行主副轉(zhuǎn)矩信號、電流信號的采集，選用3階Butterworth低通濾波器（截止頻率20kHz）對采樣信號進(jìn)行濾波。

圖4 轉(zhuǎn)角傳感器接線及配置

信號輸出程序與信號采集程序類似，需要進(jìn)行信號類型（數(shù)字或模擬）、發(fā)送端口、發(fā)送模式、發(fā)送頻率等設(shè)置，如圖5所示。

圖5 信號采集和輸出程序

VT－2000BS40G型電液比例控制器由北京金維碩公司推出，用于VA／E變量葉片泵、A7V、A2V軸向柱塞泵、A6V軸向柱塞電機(jī)及DBE系列先導(dǎo)式比例溢流閥、DBE系列先導(dǎo)式比例壓力閥的控制。

該電液比例控制器有手動(dòng)方式和自動(dòng)控制方式。本方案采用自動(dòng)控制方式，選擇了PXI－6289板卡的ctr0端口，實(shí)現(xiàn)對VT－2000BS40G型電液比例控制器的控制。

3 試 驗(yàn)

設(shè)計(jì)基于路面附著系數(shù)的EPS控制策略，試驗(yàn)條件設(shè)定為縱向車速40km／h，路面附著系數(shù)分別為0.55和0.30，以轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角作為輸入，在上述試驗(yàn)臺上進(jìn)行硬件在環(huán)試驗(yàn)，輸出的試驗(yàn)結(jié)果以文檔格式進(jìn)行保存，繪出轉(zhuǎn)向盤操縱轉(zhuǎn)角－轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角－時(shí)間曲線，描述車輛的轉(zhuǎn)向操縱輕便性及回正特性。

車輛轉(zhuǎn)向操縱輕便性硬件在環(huán)試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)向操縱輕便性硬件在環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

從圖6可以看出，隨著路面附著系數(shù)的降低，同樣條件下轉(zhuǎn)向盤操縱轉(zhuǎn)矩降低；隨著路面附著系數(shù)的降低，轉(zhuǎn)向操縱轉(zhuǎn)矩飽和時(shí)對應(yīng)的操縱轉(zhuǎn)角減小，這樣的路感可以警示駕駛員不能再增大轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，否則導(dǎo)致側(cè)滑趨勢，產(chǎn)生危險(xiǎn)。

車輛回正特性硬件在環(huán)試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 回正特性硬件在環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

從圖7可以看出，在初始轉(zhuǎn)向盤位置大致相同的條件下，雖然設(shè)計(jì)的回正控制策略使電動(dòng)機(jī)提供較大的回正轉(zhuǎn)矩，以提高車輛回正性能，但輪胎自回正力矩隨路面附著系數(shù)的降低而減小，致使低附著路面條件下，殘留轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角大，且回正所需時(shí)間較長。

綜上所述，該硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺所得出的低附著路面上車輛的轉(zhuǎn)向操縱輕便性及回正特性，與文獻(xiàn)［11］的試驗(yàn)結(jié)果相吻合，可基于該平臺進(jìn)行EPS控制策略的開發(fā)驗(yàn)證。

4 結(jié)束語

為解決當(dāng)前條件下缺乏驗(yàn)證低附著路面上EPS控制策略的實(shí)車試驗(yàn)條件的難題，本文以非線性輪胎模型和7自由度整車動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，開發(fā)了基于LabVIEW的轉(zhuǎn)向試驗(yàn)臺，輸入端采用方向盤手動(dòng)加載，根據(jù)當(dāng)前方向盤轉(zhuǎn)角信號及實(shí)車運(yùn)行參數(shù)，對整車動(dòng)力學(xué)模型和輪胎模型進(jìn)行求解，液壓加載機(jī)構(gòu)輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向阻力矩，可以對低附著路面的EPS控制策略進(jìn)行硬件在環(huán)試驗(yàn)。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，該試驗(yàn)平臺可以方便地用于EPS系統(tǒng)的研發(fā)，驗(yàn)證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向操縱輕便性及回正性能。

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Development of hardware－in－loop test platform for EPS based on LabviewPXI

ZHAO Lin－feng1， XIA Guang1，2， HUANG He1， GAO Ming3

（1.School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2.Institute of Automobile Engineering Technology，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；3.Zhuzhou Elite Electromechanical Co.，Ltd.，Zhuzhou 412002，China）

Based on the nonlinear tire model and seven－degree freedom vehicle dynamic model，the steering resistance torque dynamics model is established based on the Labview platform.The steering angle signal is used as the input，the Labview RT module is used to download the modular program to the real－time target hardware PXI and control the electrohydraulic proportional controller with the hardware interface circuit，and then the hydraulic loading devices are driven to simulate the steering resistance torque.The results show that the designed hard－in－the－loop（HIL）platform can be applied in the test of the characteristics of EPS，and the development and parameters control of EPS controller.

electric power steering（EPS）；test platform；steering resistance torque；hard－in－the－loop（HIL）

U463.44

A

1003－5060（2012）11－1447－05

10.3969／j.issn.1003－5060.2012.11.003

2012－03－26；

2012－05－29

合肥工業(yè)大學(xué)博士專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目（2010HGBZ0614）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（2011HGQC1010）；中航工業(yè)創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（CXY2010HFGD26；CXY2010HFGD27）

趙林峰（1979－），男，安徽宣城人，博士，合肥工業(yè)大學(xué)講師.

（責(zé)任編輯 呂 杰）