基于西門子SIMOTION D的EPS試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡 斌， 白國振

（上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093）

基于西門子SIMOTION D的EPS試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡 斌， 白國振

（上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093）

為了能夠在臺架上對汽車管柱式電動助力轉(zhuǎn)向器（EPS）進(jìn)行測試，設(shè)計(jì)了一套基于西門子SIMOTION D的EPS試驗(yàn)臺測控系統(tǒng).試驗(yàn)臺通過模擬汽車在行駛過程中轉(zhuǎn)向時(shí)方向盤的轉(zhuǎn)角以及車輪所受到的轉(zhuǎn)向阻力來測試EPS的性能和參數(shù)，能夠給開發(fā)人員提供相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)以便對EPS進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，同時(shí)降低實(shí)車試驗(yàn)中EPS產(chǎn)品開發(fā)的成本以及周期.主要設(shè)計(jì)了試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，并在試驗(yàn)臺上進(jìn)行了測試實(shí)驗(yàn).結(jié)果表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案合理，可靠性高，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，運(yùn)行效果好.

西門子；SIMOTION D；EPS試驗(yàn)臺；SCOUT軟件；Labview程序

汽車轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)是整個(gè)汽車的一個(gè)重要系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的操作穩(wěn)定性在整個(gè)汽車安全特性中占據(jù)著重要位置，其安全系數(shù)的高低影響著整輛汽車的安全等級.當(dāng)前，管柱式電動助力轉(zhuǎn)向器（EPS）是應(yīng)用在小型乘用車上最為普遍的一種轉(zhuǎn)向器，而且趨勢明顯.中國各大民族汽車品牌公司為了擺脫對國外供應(yīng)商的依賴，占據(jù)本國市場制高點(diǎn)和先發(fā)優(yōu)勢，都在自主研發(fā)電動助力轉(zhuǎn)向器.而EPS的成功開發(fā)必須進(jìn)行大量的實(shí)車試驗(yàn)，將系統(tǒng)的性能調(diào)整到最佳的工作狀態(tài).實(shí)車試驗(yàn)需要消耗大量的財(cái)力、人力和物力，如果在實(shí)車試驗(yàn)之前進(jìn)行必要的臺架試驗(yàn)，為后續(xù)實(shí)車試驗(yàn)獲得基本的性能數(shù)據(jù)，可以對控制器等部件進(jìn)行初步優(yōu)化，有效縮短EPS的開發(fā)周期.因此，近年來對EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能測試試驗(yàn)臺的開發(fā)成了國內(nèi)外研究的熱點(diǎn).試驗(yàn)臺的研究中對轉(zhuǎn)向阻力的模擬是試驗(yàn)臺的關(guān)鍵，目前常見的模擬方案有螺旋彈簧加載、電液伺服加載、磁粉制動器加載、液壓加載［1］.本文采用伺服電機(jī)加載，設(shè)計(jì)了一套基于西門子SIMOTION D的EPS試驗(yàn)臺測控系統(tǒng).通過試驗(yàn)臺測控實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)滿足EPS試驗(yàn)臺的實(shí)驗(yàn)要求，且可靠性高，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，運(yùn)行效果好.

1 EPS試驗(yàn)臺

EPS所在的整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示，主要由旋轉(zhuǎn)方向盤、管柱（扭桿、輸入軸、輸出軸、由ECU控制單元控制的助力電機(jī)）、萬向副連桿及齒輪齒條傳動副等組成.

圖1 管柱式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)Fig.1 Column type electric power steering system

本文所設(shè)計(jì)的EPS試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)如圖2所示，完全按照裝車位置安裝.輸入軸驅(qū)動單元由伺服電機(jī)和扭矩傳感器、驅(qū)動單元位置調(diào)節(jié)裝置、驅(qū)動軸等組成；輸出軸旋轉(zhuǎn)制動單元用于連接轉(zhuǎn)向管柱輸出端，它由伺服電機(jī)、扭矩傳感器、支架和連接件組成.

圖2 EPS試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of EPS test platform

試驗(yàn)臺輸入端伺服電機(jī)采用位置閉環(huán)控制來模擬汽車方向盤的轉(zhuǎn)向，輸出端伺服電機(jī)采用扭矩閉環(huán)控制來模擬汽車轉(zhuǎn)向時(shí)所受到的轉(zhuǎn)向阻力，根據(jù)不同的加載要求可以在扭矩控制和位置控制模式下靈活切換.

2 西門子SIMOTION介紹

在運(yùn)動控制領(lǐng)域，一般的電機(jī)驅(qū)動器提供了豐富的運(yùn)動控制功能，但邏輯控制和復(fù)雜運(yùn)算功能卻相當(dāng)弱.而一般的PLC提供了全面的邏輯控制功能，但又很難具備運(yùn)動控制的全部功能.傳統(tǒng)的應(yīng)用方式是將PLC和伺服控制器配合使用，但存在高速數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)同步和精確控制等方面的問題.

SIMOTION是一個(gè)全新的西門子運(yùn)動控制系統(tǒng)，是為運(yùn)動控制起主導(dǎo)作用的機(jī)器而設(shè)計(jì).本身集成了邏輯控制、運(yùn)動控制與工藝控制，可以獨(dú)立完成以往PLC加電機(jī)調(diào)速的所有功能，主要應(yīng)用于那些控制要求復(fù)雜、控制速度快、要求精確運(yùn)動的領(lǐng)域中.

SIMOTION是一種簡單、靈活的控制系統(tǒng)，具有如下優(yōu)點(diǎn)：邏輯控制和運(yùn)動控制相結(jié)合，取消了影響響應(yīng)時(shí)間的獨(dú)立接口；節(jié)省了為這些中間接口進(jìn)行編程以及診斷的投入；整個(gè)機(jī)器的編程以及診斷不僅規(guī)范，而且像PLC一樣開放透明.

SIMOTION系統(tǒng)具有3個(gè)組成部分：

a.工程開發(fā)系統(tǒng).工程開發(fā)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)由一個(gè)開發(fā)環(huán)境解決所有的運(yùn)動控制、邏輯及工藝控制問題，并且它還能夠提供從編程到參數(shù)設(shè)定和從測試到故障診斷所有必要的工具.

b.實(shí)時(shí)軟件模塊.這些模塊提供了眾多的運(yùn)動控制以及工藝控制功能.針對某一特定的機(jī)器所需要的功能，靈活選擇相關(guān)的模塊.

c.硬件平臺SIMOTION D.SIMOTION D的功能集成在新的SINAMICS S120多軸驅(qū)動系統(tǒng)的控制模塊上，使之成為一個(gè)緊湊的擁有控制器及驅(qū)動器的系統(tǒng)，將運(yùn)動控制與驅(qū)動器集成在一起，使系統(tǒng)具有極快的響應(yīng)速度.

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)EPS試驗(yàn)臺的功能需求，確定試驗(yàn)臺的控制方案如圖3所示.

圖3 控制方案Fig.3 Control plan

選擇西門子公共直流母線SIMOTION D425變頻控制系統(tǒng)+SINAMICS S120驅(qū)動系統(tǒng)作為兩臺伺服電機(jī)的變頻控制方案，控制系統(tǒng)包括：

控制模塊（D425），整個(gè)驅(qū)動系統(tǒng)的控制部分；

電源模塊，將交流轉(zhuǎn)變成直流，380 V交流電壓通過其逆變后由相連的直流母線流入電機(jī)模塊，最終送入伺服電機(jī)，控制電機(jī)有效的輸出；

電機(jī)模塊A（功率模塊），作為輸出端伺服電機(jī)的供電電源；

電機(jī)模塊B（功率模塊），作為輸入端伺服電機(jī)的供電電源；

輸入端伺服電機(jī)，選擇與SIMOTION D425控制器匹配的西門子1FT7系列永磁同步伺服電機(jī)；

輸出端伺服電機(jī)，選擇與SIMOTION D425控制器匹配的西門子1PH7系列交流異步伺服電機(jī)；

輸入端扭矩傳感器，選擇KISTLER公司的采集范圍為100 NM，采集精度為0.1%的扭矩傳感器；

輸出端扭矩傳感器，選擇KISTLER公司的采集范圍為200 NM，采集精度為0.2%的扭矩傳感器.

SIMOTION采用一體化的集成連接方式，控制器D425和驅(qū)動器SINAMICS之間采用DRIVE-CLIQ高速通訊方式，通訊速率可達(dá)到100 M，響應(yīng)速度快、集成化好，對于用戶來說簡單方便、故障率低.

功率單元與電機(jī)驅(qū)動器之間的連接采用內(nèi)置銅牌和DRIVE-CLIQ連接，簡單方便、故障率低.

EPS試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)扭矩閉環(huán)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，位置閉環(huán)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示.

圖4 扭矩閉環(huán)結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Diagram of torque closed-loop structure

圖5 位置閉環(huán)結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Diagram of position closed-loop structure

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 EPS試驗(yàn)臺功能需求分析

針對EPS的試驗(yàn)項(xiàng)目及內(nèi)容，對EPS試驗(yàn)臺提出了以下控制要求：

a.要求實(shí)現(xiàn)輸入軸伺服電機(jī)給定位置（扭矩）曲線，同時(shí)輸出軸伺服電機(jī)給定扭矩（位置）曲線進(jìn)行同步運(yùn)動.輸入軸電機(jī)和輸出軸電機(jī)根據(jù)給定曲線加載，實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速下的管柱功能實(shí)驗(yàn).

b.能夠通過PC對下列數(shù)據(jù)進(jìn)行同步采集：輸入端扭矩、轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速；輸出端扭矩、轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速；ECU電流（交流、直流）、電壓（交流、直流）.

c.能夠?qū)ι鲜鰠?shù)自由設(shè)置監(jiān)控極限，從而在預(yù)設(shè)的試樣件破壞時(shí)，試驗(yàn)運(yùn)行會自動終止并保存當(dāng)前記錄數(shù)據(jù).

4.2 開發(fā)平臺總體設(shè)計(jì)

軟件開發(fā)平臺設(shè)計(jì)采用上下位機(jī)結(jié)構(gòu).采用集成了PCI-NI6259數(shù)據(jù)采集卡的高可靠性的研華工業(yè)計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，下位機(jī)就是西門子SIMOTION D425運(yùn)動控制器，依靠其強(qiáng)大的高速運(yùn)算能力，完成實(shí)時(shí)控制和計(jì)算功能.軟件開發(fā)環(huán)境上位機(jī)采用基于Windows的Labview圖形化程序設(shè)計(jì)軟件，下位機(jī)是西門子SIMOTION SCOUT控制軟件，下位機(jī)軟件SIMOTION SCOUT和上位機(jī)軟件Labview采用OPC通訊協(xié)議.

下位機(jī)與上位機(jī)對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，但對控制信號數(shù)據(jù)進(jìn)行一次性中斷通訊，這樣可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示.控制信號數(shù)據(jù)按需通訊，如人機(jī)界面交互、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控和發(fā)送指令等操作.這種通訊結(jié)構(gòu)，可以充分利用通用硬件平臺的內(nèi)存資源，提高效率.

SCOUT是用于調(diào)試SIMOTION的工具軟件，主要實(shí)現(xiàn)的功能有：硬件組態(tài)和識別；參數(shù)的設(shè)置；動態(tài)特性的調(diào)試；故障診斷；程序的下裝和上載.

本方案通過SCOUT軟件將軸配置為標(biāo)準(zhǔn)+力軸的模式，這樣可通過指令由電機(jī)編碼器或扭矩傳感器進(jìn)行反饋，從而靈活的切換電機(jī)為位移閉環(huán)控制模式或扭矩閉環(huán)控制模式.

SCOUT里包含速度環(huán)和電流環(huán)兩個(gè)輸出設(shè)定點(diǎn)，分別都為PI控制.本方案將輸出設(shè)定點(diǎn)設(shè)定在速度環(huán)前面，整個(gè)控制流程如圖6所示.

圖6 控制流程圖Fig.6 Control flow chart

本試驗(yàn)臺系統(tǒng)所使用到的SCOUT軟件功能主要包括凸輪曲線設(shè)定和控制程序編輯.SCOUT軟件包含了簡單的凸輪文本編輯器，可以自由設(shè)定試驗(yàn)扭矩曲線和位置曲線.此外，CamTool還可以為SCOUT提供全圖形化的凸輪編輯及優(yōu)化工具.

控制程序編輯包括運(yùn)動控制、邏輯控制以及工藝控制.運(yùn)動控制任務(wù)的圖形化編程運(yùn)動控制圖MCC可以以流程圖的方式對機(jī)器程序進(jìn)行圖形化編程，程序也可以用LAD及FBD編程.對于復(fù)雜的邏輯控制、數(shù)學(xué)運(yùn)算及運(yùn)動控制還可以用ST結(jié)構(gòu)化編程語言進(jìn)行編程，這3種編程方式均集成在SIMOTION SCOUT軟件中.

本設(shè)計(jì)方案的SCOUT軟件編程主要分為4個(gè)模塊進(jìn)行：計(jì)算模塊、邏輯控制模塊、運(yùn)動控制模塊和DCC驅(qū)動控制模塊.

a.計(jì)算模塊

計(jì)算模塊是應(yīng)用ST語言編寫程序和算法實(shí)現(xiàn)有效控制，主要包括電源模塊上電的控制、凸輪曲線的讀取及計(jì)算等.

b.邏輯控制模塊

邏輯控制模塊是應(yīng)用LAD語言編程進(jìn)行邏輯控制，主要包括電機(jī)的手動控制等.

c.運(yùn)動控制模塊

運(yùn)動控制模塊是應(yīng)用MCC語言編程進(jìn)行運(yùn)動控制，主要包括電機(jī)的使能、凸輪曲線的同步運(yùn)行、故障診斷報(bào)警、軸的停止等.

d.DCC驅(qū)動控制模塊

控制程序不通過DP總線傳輸給驅(qū)動，可以用驅(qū)動的DCC直接進(jìn)行圖標(biāo)式編程，這樣可以節(jié)省控制信號數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，提高電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間.DCC控制編程同樣可以進(jìn)行邏輯編程和數(shù)學(xué)運(yùn)算等功能.

上位機(jī)Labview通過OPC與D425進(jìn)行連接和數(shù)據(jù)交換，來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對試驗(yàn)臺的控制功能、試驗(yàn)曲線的設(shè)定和傳輸以及各路數(shù)據(jù)信號的同步采集、處理和顯示輸出.同時(shí)，Labview還通過CAN與EPS的控制器ECU進(jìn)行通訊，向EPS發(fā)送車速及點(diǎn)火信號，從而使EPS產(chǎn)生相應(yīng)的助力.

Labview通過數(shù)據(jù)采集卡來采集所需的各路數(shù)據(jù)信號，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖7所示.

圖7 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.7 Data acquisition system

輸入端和輸出端的兩個(gè)扭矩傳感器所采集的實(shí)時(shí)扭矩信號由NI-PCI6259數(shù)據(jù)采集卡以模擬量信號采集，通過上位機(jī)的Labview軟件將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以曲線形式顯示出來.與此同時(shí)，為了測試助力電機(jī)的控制器ECU的一些性能，將進(jìn)入ECU的直流電流和直流電壓以及從ECU輸入到助力電機(jī)的交變電流和交變電壓分別通過電壓、電流傳感器采集信號，通過NI數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換輸入工控機(jī)，由Labview軟件將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析ECU的性能.測控系統(tǒng)軟件的總體功能設(shè)計(jì)框圖如圖8所示（見下頁）.

圖8 軟件系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)框圖Fig.8 Overall functional design diagram of software system

5 試驗(yàn)臺測控實(shí)驗(yàn)

本文所設(shè)計(jì)的EPS試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)實(shí)物如圖9所示.

圖9 EPS試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)Fig.9 Test and control system of EPS test platform

最后，采用設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)對EPS試驗(yàn)臺進(jìn)行控制測試.通過上位機(jī)控制面板進(jìn)行試驗(yàn)參數(shù)的配置以及加載曲線的設(shè)定和傳輸，設(shè)定的位置和扭矩同步曲線如圖10所示.

圖10 設(shè)定試驗(yàn)曲線Fig.10 Setting of test curve

實(shí)驗(yàn)開始后，通過上位機(jī)同步采集到的實(shí)際位置曲線和扭矩曲線信號如圖11所示.由圖11可見，實(shí)際采集到的位置曲線和扭矩曲線與設(shè)定的曲線基本一致，且響應(yīng)速度快、超調(diào)量小、穩(wěn)態(tài)精度較高，說明本文所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)能夠?qū)υO(shè)定的扭矩和位置曲線進(jìn)行同步加載并進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，基本滿足了試驗(yàn)臺系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)方案是可行的.

圖11 采集試驗(yàn)曲線Fig.11 Actual test curve

6 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的基于西門子SIMOTION D的EPS試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)，通過試驗(yàn)臺測控實(shí)驗(yàn)表明，該測控系統(tǒng)能夠滿足EPS試驗(yàn)臺的實(shí)驗(yàn)要求，且可靠性高，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，運(yùn)行效果好.

［1］ 廖抒華，王金波，張寶霞，等.轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗(yàn)臺轉(zhuǎn)向阻力模擬研究現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.上海汽車，2009（10）：33-35.

［2］ 翟邵春，閔新和，黃志堅(jiān)，等.汽車電動助力轉(zhuǎn)向裝置試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)的研究與開發(fā)［J］.機(jī)床與液壓，2008，36（12）：141-143.

［3］ 劉斌.基于西門子840D的數(shù)控系統(tǒng)教研機(jī)的構(gòu)建與應(yīng)用［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2012（11）：152-153.

［4］ 梁偉強(qiáng).電動助力轉(zhuǎn)向試驗(yàn)臺開發(fā)［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2008，37（7）：68-70.

［5］ 陳劍波，金傳旻，郭永尚.可編程控制器在潔凈空調(diào)自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，25（2）：125-129.

［6］ 劉云生，李征濤，鄔志敏，等.基于蒸氣循環(huán)法的壓縮機(jī)非正常工作試驗(yàn)臺的研制［J］.上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（4）：325-328.

（編輯：丁紅藝）

Design of Test and Control System of EPS Test Platform Based on Siemens SIMOTION D

HUBin， BAIGuo-zhen
（School of Mechanical Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

In order to test the electric power steering system（EPS）of motor on bench，a control system of EPS test platform based on Siemens SIMOTION D was designed.On the test platform the performance and parameters of EPS were tested by imitating the turning angle of steering wheel and turning torque of vehicle wheel during the process of motor turning.Relevant test data were provided to developers to optimize and improve the EPS，and the development cycle and cost of the EPS product in real vehicle test were reduced.The hardware system and software system of the test platform were designed.Trial experiments were carried out on the test platform.The result shows that the design plan is reasonable and reliable.The desired good running condition of the system is achieved.

Siemens；SIMOTION D；EPS test platform；SCOUT；Labview

TM 571.1

A

2013-07-22

上海市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（12ZR1420700）

胡 斌（1989-），男，碩士研究生.研究方向：測控技術(shù).E-mail：hubinusst＠163.com

白國振（1967-），男，副教授.研究方向：數(shù)控機(jī)床及其應(yīng)用研究.E-mail：bguozhen＠163.com

1007-6735（2014）04-0380-05

10.13255／j.cnki.jusst.2014.04.015