轉(zhuǎn)向器控制閥總成助力特性測試系統(tǒng)

田國良，王建生

（五邑大學 機電工程學院，廣東 江門 529020）

轉(zhuǎn)向器控制閥總成助力特性測試系統(tǒng)

田國良，王建生

（五邑大學 機電工程學院，廣東 江門 529020）

針對轉(zhuǎn)向器控制閥總成測試主要依靠人工獲取助力特性曲線的不足，基于LabVIEW軟件編程環(huán)境，結合虛擬儀器技術和伺服控制技術，實現(xiàn)了控制閥總成助力特性測試系統(tǒng)的自動化. 該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、操作簡單、測試精度高.

轉(zhuǎn)向器；閥總成；助力特性；數(shù)據(jù)采集

作為汽車轉(zhuǎn)向系的關鍵部件，汽車轉(zhuǎn)向器性能的好壞直接影響到整個汽車的安全性. 助力特性曲線是檢測轉(zhuǎn)向器控制閥總成的必檢項目之一，并被用來評測控制閥性能的好壞. 國內(nèi)傳統(tǒng)的測試手段是測試人員在轉(zhuǎn)向器的輸入軸上模擬方向盤操作，通過施加連貫的旋轉(zhuǎn)運動來獲取助力特性曲線進而判斷轉(zhuǎn)向器性能的好壞. 操作人員勞動強度大，效率低[1]，且同一個工件由不同的工人操作所得到的數(shù)據(jù)有差異，存在穩(wěn)定性較差等問題[2].

本文通過使用通用數(shù)據(jù)采集卡和運動控制卡，結合伺服電機和壓力、扭矩等傳感器，基于LabVIEW軟件環(huán)境搭建了轉(zhuǎn)向器助力特性自動測試系統(tǒng)，以伺服電機取代人工操作，使獲得的特性曲線數(shù)據(jù)更加客觀、準確.

1 系統(tǒng)的搭建

參考汽車轉(zhuǎn)向器總成臺架試驗方法[3]，本測試系統(tǒng)主要實現(xiàn)轉(zhuǎn)向器輸入扭矩與系統(tǒng)油壓的特性曲線的測試與采集任務. 根據(jù)實現(xiàn)功能的要求，系統(tǒng)硬件的組成如圖1所示：

圖1 測試系統(tǒng)的硬件組成

1.1 硬件結構

1.1.1 運動控制硬件組成

該結構主要由伺服電機和運動控制卡組成. 伺服電機采用日本松下中慣量的MDMA302A1G交流伺服電機以及其配帶的驅(qū)動器；運動控制卡采用樂創(chuàng)公司生產(chǎn)的MPC2810，主接口為PCI. MPC2810配備了功能強大、內(nèi)容豐富的Windows驅(qū)動程序、DLL函數(shù)庫，通過LabVIEW的Call Library Function功能模板調(diào)用DLL函數(shù)庫，可以生成具有相同功能的LabVIEW接口. 板卡提供2種運動模式：批處理運動和立即運動. 本系統(tǒng)采用立即運動模式，脈沖輸出頻率最大為2×106Hz，最小頻率為0.2Hz，脈沖計數(shù)器范圍為32位符號數(shù)，所有輸入/輸出數(shù)字量均采用光電隔離，確保板卡的抗干擾性，并采用單軸數(shù)字式伺服控制.

1.1.2 數(shù)據(jù)采集硬件組成

將基于PCI總線的PCI8613數(shù)據(jù)采集卡置于工控機內(nèi)的任一PCI插槽，以此實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)處理. 系統(tǒng)具有12位AD轉(zhuǎn)換精度，采樣頻率最高可達1×105Hz，AD轉(zhuǎn)換時間≤10μs，非線性誤差為±1LSB（最大）. 本系統(tǒng)采用3路差分模擬量輸入，AD量程設置為±5V，采用頻率設為1×104Hz.

1.2 軟件平臺

軟件編程環(huán)境采用LabVIEW圖形化編程語言，提供程序框圖，并可方便地創(chuàng)建用戶界面[4]. LabVIEW可以方便地調(diào)用數(shù)據(jù)采集卡和運動控制卡提供的設備驅(qū)動DLL，并轉(zhuǎn)換成可用的函數(shù)控件，是一個標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件[5].

根據(jù)轉(zhuǎn)向器助力特性曲線測試系統(tǒng)的功能需求，軟件框圖如圖2所示，本測試系統(tǒng)程序包括信號的采集與處理、伺服電機的運動控制、助力特性曲線顯示等.

圖2 測試系統(tǒng)的軟件框圖

2 主要功能模塊

2.1 運動控制模塊

在運動控制模塊中，伺服電機是轉(zhuǎn)向軸輸入端的驅(qū)動部分. 程序通過運動控制卡MPC2810控制伺服系統(tǒng). 伺服電機采用位置控制模式，即電機的角度位移是根據(jù)脈沖的數(shù)量決定的；而電機的角速度是根據(jù)脈沖的頻率決定的. 因此，需要根據(jù)要求的速度和位置，設置脈沖的數(shù)量和頻率，具體驅(qū)動如下：

1）首先調(diào)用auto_set(void)，對板卡自動檢測和自動設置；

2）接著調(diào)用init_borar(void)，對控制卡硬件和軟件初始化，默認狀態(tài)下各軸的脈沖輸出模式為脈沖/方向，此處采用默認方式；

3）利用set_maxspeed(int ch，double speed)函數(shù)設定每個軸需要達到的最大輸出脈沖頻率，用來決定對應軸的最大角速度；

4）采用單軸點位運動中的常速模式，即被控軸以各自的速度分別移動指定的距離，到達目標位置時自動停止；

5）對位置以及速度進行設置，分別調(diào)用con_pmove(int ch，long step)和set_conspeed(int ch，double conspeed)實現(xiàn)對位置和速度的設定. 另外，con_pmove(int ch，long step)中的step是有正負的，正表示順時針，負則為逆時針.

電機運轉(zhuǎn)過程中，可通過check_done(int ch)來查詢一個軸是否完成指定的動作. 同時，可通過sudden_stop（int ch）來制動一個運動軸以及調(diào)用get_rel_pos(int ch，long *pos)實時獲知運動軸的絕對位置值，位置量通過*Pos參數(shù)返回.

2.2 信號的采集與處理

為了有效抑制共模干擾信號提高采樣精度，系統(tǒng)采用如圖3所示的模擬電壓雙端輸入方式，模擬輸入信號正端接AI0～AI7端，模擬輸入信號負端接AI8～AI15端，現(xiàn)場設備與PCI8613板共用模擬地AGND.選定物理連接方式后，開始采集信號. PCI8613數(shù)據(jù)采集卡查詢AD數(shù)據(jù)方式有：非空查詢方式、半滿查詢方式、DMA直接內(nèi)存方式、中斷方式，每種方式都有對應的函數(shù).考慮到實時性，本系統(tǒng)采用非空查詢方式讀取緩存區(qū)的AD數(shù)據(jù)，通過調(diào)用ReadDeviceProAD_ Npt()讀取采集到的數(shù)據(jù)，需要說明的是，在LabVIEW創(chuàng)建一個數(shù)組作為輸入?yún)?shù)，用于存儲數(shù)據(jù)采集卡緩存中的數(shù)據(jù)，在創(chuàng)建時需要指定數(shù)組的大小，稱為采樣點數(shù).

圖3 模擬電壓雙端輸入連接方式

采集到的數(shù)據(jù)要根據(jù)選定的模擬輸入量程進行相應的換算處理，模擬量輸入量程設定為±5V，需要通過碼值換算公式將原碼數(shù)據(jù)換算成電壓值：Volt=（10000/4096）×（ADBuffer［0］&0xFFF）-5000. 具體程序?qū)崿F(xiàn)如圖4所示.

從圖4可看到最終采集后的數(shù)據(jù)存放在Data變量中. 把上述程序?qū)崿F(xiàn)的數(shù)據(jù)采集功能封裝成一個數(shù)據(jù)采集子vi程序，可便于被數(shù)據(jù)處理模塊等上層應用調(diào)用.

完成數(shù)據(jù)的采集后，通過調(diào)用圖4的數(shù)據(jù)采集模塊，產(chǎn)生如圖5所示的數(shù)據(jù)處理模塊. 從傳感器等硬件設備到工控機數(shù)據(jù)采集卡的模擬量輸入通道之間一般會有一段距離，信號的傳輸途中不可避免地會混入各種干擾信號. 對于這些隨機產(chǎn)生的干擾，常采用RC濾波器過濾. 但針對頻率很低的噪聲，RC濾波器濾波性能很差.鑒于此，本系統(tǒng)使用數(shù)字濾波方法，通過軟件算法來實現(xiàn)濾波功能，即使用算術平均濾波來實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，去掉一個最大值和一個最小值后取平均值的方法，此程序算法的具體實現(xiàn)被封裝于圖5中的SUB_數(shù)據(jù)簡單處理.vi中，完成濾波處理后的數(shù)據(jù)要轉(zhuǎn)化成顯示在人機界面上的物理量.

圖4 數(shù)據(jù)采集模塊

圖5 數(shù)據(jù)處理模塊

另外需要說明的是圖5中的k0～k2和b0～b2是傳感器校正參數(shù)，是在數(shù)據(jù)采集之前，對各個傳感器進行校正歸零的過程中得到的.

3 助力特性曲線自動測試實現(xiàn)

完成信號采集處理模塊和運動控制模塊的后，通過對采集的數(shù)據(jù)進行計算比較來控制電機的運動，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向器控制閥總成助力特性的測試系統(tǒng)的自動化.

3.1 助力特性曲線的實現(xiàn)

通過組織上述的底層模塊，實現(xiàn)電機的運動控制，輸出助力特性曲線. 電機的運動過程，如圖6所示，可分為起點到左極限，左極限到起點，起點到右極限，右極限到起點4個階段. 其中第1階段和第3階段是特性曲線的上升過程，此時電機的角速度設置為w1，左右極限點處電機反向時的臨界參數(shù)取臨界最大油壓值，此外出于安全考慮還設有臨界最大扭矩值，防止損壞扭矩傳感器；第2階段和第4階段屬于曲線的下落階段，電機角速度設為w2（大于w1）.

通過調(diào)用MPC2810運動控制卡和PCI8613數(shù)據(jù)采集卡提供的DLL動態(tài)庫，曲線顯示部分程序如圖7所示.

圖6 助力曲線的4個階段

圖7 助力特性曲線顯示模塊

3.2 人機測試界面

本測試系統(tǒng)界面友好，可以方便地對系統(tǒng)參數(shù)進行設定和修改，同時可實時顯示測量數(shù)據(jù)，繪制助力特性曲線，給出測量結果.

人機界面如圖8所示，主要分為數(shù)據(jù)設置模塊、功能選擇模塊、數(shù)據(jù)圖形顯示模塊和運動狀態(tài)指示模塊等4個部分.

4 結論

本測試系統(tǒng)在完成對傳感器數(shù)據(jù)采集處理以及電機運動控制功能的基礎上，實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)向器控制閥總成助力特性的測試，解決了以往控制閥總成在測試過程中人為影響因素大、精度低的缺點，測試所獲數(shù)據(jù)更可靠，可以更好滿足汽車行業(yè)對轉(zhuǎn)向器性能測試的需要. 本系統(tǒng)已應用于實際的轉(zhuǎn)向器控制閥總成生產(chǎn)測試環(huán)節(jié)，具有良好的應用價值.

圖8 人機界面

[1] 黃成祥，吳軍，黃強. 汽車液壓助力轉(zhuǎn)向器計算機測控系統(tǒng)的研究[J]. 四川大學學報：工程科學版，2001, 33(1)： 96-99.

[2] 陳劍. 汽車動力轉(zhuǎn)向器性能測試系統(tǒng)的研究[D]. 長春：吉林大學，2006.

[3] 全國汽車標準化技術委員會. QC/T 529-2000，汽車動力轉(zhuǎn)向器總成臺架試驗方法[S]. 北京：中國標準出版社，2000.

[4] 解后循，張軍法，徐霆. 基于LabVIEW的汽車轉(zhuǎn)向試驗臺測試系統(tǒng)設計[J]. 裝備制造技術，2009(12)： 48-49.

[5] 戴鵬飛，王勝開，王格芳，等. 測試工程與LabVIEW應用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[責任編輯：韋 韜]

A Testing System for the Assisting Characteristics of the Steering Control Valve Assembly

TIAN Guo-liang, WANG Jian-sheng
(School of Mechanical-Electrical Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

In view of the deficiency of the manually achieved assistance characteristics curve of the steering control valve assembly, a system based on the LabVIEW software programming environment and combining the virtual instrument technology and servo control technology is designed to realize the automation of the testing system for the assisting characteristics of the control valve assembly. The system is stable, simple-to-operate, and high in test precision.

steering units; valve assemblies; assisting characteristics; data acquisition

TP23

A

1006-7302（2014）01-0010-06

2013-09-19

廣東省教育廳重點實驗室項目（GCZX-A1008）

田國良（1988—），男，山東臨沂人，在讀碩士生，主要研究方向為檢測技術與自動化裝置；王建生，教授，博士，碩士生導師，通信作者，研究方向為機電一體化與特種機械.