汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能測試系統(tǒng)設(shè)計

廖林清,石宏春,張 君,王 偉

(1 汽車零部件先進制造技術(shù)教育部重點實驗室, 重慶 400054；2.重慶理工大學(xué) 機械工程學(xué)院, 重慶 400054)

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(electric power-assistant sterring,EPS)相比液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)更節(jié)能、環(huán)保，并能兼顧汽車低速轉(zhuǎn)向輕便性和高速直線行駛穩(wěn)定性，因此得到了廣泛的應(yīng)用，是當前動力轉(zhuǎn)向技術(shù)研究的主要方向。國外開發(fā)的EPS能應(yīng)用到不同車型上，且技術(shù)成熟，搶占了EPS產(chǎn)品的主要市場。國內(nèi)EPS開發(fā)技術(shù)尚未成熟，性能檢測技術(shù)也還不完善，主要通過試驗的手段來對EPS進行開發(fā)以及產(chǎn)品性能驗證[1-2]。實車試驗往往受到投入時間、試驗場地和成本的限制。臺架試驗的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)向阻力的模擬，現(xiàn)有的EPS性能試驗臺以螺旋彈簧加載[3]、磁粉制動器加載[4]、伺服電機加載[5-6]方式為主來進行轉(zhuǎn)向阻力模擬。然而螺旋彈簧加載不能完全實現(xiàn)自動化，并且與磁粉制動器加載力一樣都是線性力，不能準確模擬實際工況的轉(zhuǎn)向阻力。伺服電機加載能取得較好的加載效果，但安裝精度要求和成本相對較高。本文綜合考慮成本、加載精度，采用電液比例加載方式來模擬轉(zhuǎn)向阻力，設(shè)計了1套以電液比例控制技術(shù)為核心的EPS性能測試系統(tǒng)，為EPS性能評價和性能改進提供參考。

1 試驗臺結(jié)構(gòu)總體方案

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能測試試驗臺結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。從機械結(jié)構(gòu)總體上來看，試驗臺主要包括輸入端加載裝置、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)固定夾具、輸出端加載裝置等。輸入端采用交流伺服電機加載的方式模擬駕駛員操縱方向盤動作，主要包括交流伺服電機、電磁離合器、聯(lián)軸器、編碼器、扭矩傳感器、減速機。電動助力轉(zhuǎn)向裝置通過夾具固定在臺架上，輸出端加載裝置通過控制液壓系統(tǒng)對不同工況下的轉(zhuǎn)向阻力進行模擬。在進行EPS性能測試前，電液比例溢流閥13處于全開狀態(tài)，系統(tǒng)所供給的液壓油不會進入液壓油缸，全部經(jīng)電液比例溢流閥流回液壓油箱，從而使液壓泵電機實現(xiàn)空載啟動。在測試過程中對輸出端裝置進行力加載時，關(guān)閉電磁閥，通過控制比例換向閥控制加載力方向，用電液比例溢流閥控制加載力大小，實現(xiàn)不同方向的力加載功能。單向節(jié)流閥用于系統(tǒng)調(diào)速和鎖緊回路。液壓缸加載力通過力等效機構(gòu)[7]實現(xiàn)與齒條端輸出力的大小一致。齒條輸出端15與左邊加載裝置布置情況一致，從而實現(xiàn)兩端同時加載。

1.伺服電機; 2.減速機; 3，5.聯(lián)軸器； 4.扭矩傳感器; 6.電磁離合器； 7.旋轉(zhuǎn)編碼器； 8.拉壓力傳感器； 9.比例換向閥；10，12.單向節(jié)流閥; 11.二位二通電磁閥; 13.壓力表；14.變量泵； 15.電液比例溢流閥；16.液壓油箱; 17.力傳遞等效機構(gòu); 18.直線位移傳感器

圖1 EPS性能試驗臺結(jié)構(gòu)簡圖

2 測試系統(tǒng)設(shè)計

EPS性能測試系統(tǒng)原理如圖2所示，測試系統(tǒng)主要包括液壓控制系統(tǒng)單元、數(shù)據(jù)采集單元、伺服電機控制單元、信號發(fā)送單元等。其原理為：上位機與下位機之間通過工業(yè)總線方式進行通信，上位機主要根據(jù)測試系統(tǒng)需求完成人機交互功能，下位機的主要功能是完成上位機指定的如伺服電機運動、液壓系統(tǒng)供油壓力、各傳感器信號采集、車速信號發(fā)送等任務(wù)。從功能上說，主要分為輸入端伺服電機控制單元、輸出端液壓系統(tǒng)控制單元、數(shù)據(jù)采集單元、信號發(fā)送單元等，從而更加真實地模擬實車環(huán)境下的EPS工作狀況，并完成自動化測試[8-9]。

圖2 測試系統(tǒng)原理

2.1 測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1.1 輸入端驅(qū)動控制單元

輸入端驅(qū)動控制單元用來模擬駕駛員操縱方向盤任務(wù)，完成輸入端速度、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角控制。采用交流伺服電機進行模擬加載。交流伺服電機為松下A4系列MHMD082P1U伺服電機，配套驅(qū)動器型號為MCDD3520。輸入電壓為200 V、分辨率可達10 000 p/r(脈沖/轉(zhuǎn))。通過轉(zhuǎn)接板與樂創(chuàng)MPC08SP運動控制器進行連接以實現(xiàn)不同控制模式下的閉環(huán)控制。由于要求輸出的扭矩遠大于伺服電機的額定扭矩、轉(zhuǎn)速遠小于伺服電機的額定轉(zhuǎn)速，故需要采用減速器來降低轉(zhuǎn)速、增大扭矩，滿足加載功能需求。綜合考慮成本、尺寸匹配等各方面因素，選擇德國精密MOTEC公司型號為APE80、減速比為20∶1的減速器。減速增扭后的額定輸出轉(zhuǎn)速為150 r/min，額定輸出扭矩為48 N·m，能很好地滿足試驗條件。

2.1.2 液壓系統(tǒng)控制單元

液壓控制系統(tǒng)主要用來對不同工況下的轉(zhuǎn)向阻力進行模擬。當工控機發(fā)送的指令，電壓信號經(jīng)配套電子放大器處理后作用于比例換向閥和比例溢流閥電磁鐵，使閥芯產(chǎn)生位移，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量和壓力。比例換向閥采用的是Atos公司生產(chǎn)的型號為DLHZO-TE-040-L5的高性能比例換向閥，其自帶位置傳感器，額定壓差為3 MPa時流量為18 L/min，輸出響應(yīng)時間小于10 ms。電液比例溢流閥為Atos公司生產(chǎn)的型號為RZMO-AE-010/210的錐閥型直動比例溢流閥,最大壓力為31.5 MPa，最大流量為4 L/min，響應(yīng)時間小于70 ms。系統(tǒng)通過將壓力信號轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電信號與指令電信號進行比較得到偏差信號，經(jīng)電子放大器處理后輸入到比例溢流閥，使加載力接近目標加載力，加載力大小接近實際工作狀況。

2.1.3 數(shù)據(jù)采集單元

測試系統(tǒng)需要對助力電機助力電流、輸入端輸入力矩、齒條位移等參數(shù)進行實時采集?？紤]到硬件性能及所能支持的開發(fā)軟件，采用研華公司的PCL-818HG型多功能數(shù)據(jù)采集卡。該卡擁有16路模擬量輸入通道，帶DMA自動通道，采樣速率達100 kHz，具備32路I/O通道，能滿足數(shù)據(jù)采集任務(wù)。通過驅(qū)動繼電器板控制電路的通斷來對電磁離合器和電磁閥的狀態(tài)進行控制。

2.1.4 信號發(fā)送單元

在進行臺架試驗時，需要模擬EPS控制器接收的發(fā)動機和信號，然后才能對不同車速下EPS性能進行測試。本試驗臺采用方波發(fā)生的方式進行模擬，車速大小與方波頻率成正比例關(guān)系。根據(jù)PCI-1721多功能輸出板的電壓范圍為-10～10 V,將方波幅值設(shè)定為5 V，占空比為0.5。給定一定信號頻率后，通過轉(zhuǎn)換產(chǎn)生一定的車速信號發(fā)送給EPS控制器。發(fā)動機信號處理方式相同。

2.2 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文測試系統(tǒng)軟件是以VB6.0作為開發(fā)工具進行開發(fā)的。為避免重復(fù)編寫程序，提高運行速度，整個系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計法將測試系統(tǒng)功能進行劃分，在編寫不同試驗項目程序時，可以分別調(diào)用模塊庫中已編寫好的各個分項程序來快速完成主程序編寫。結(jié)合Access數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)查詢等功能，整個軟件測試系統(tǒng)主要包括試驗項目管理、參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集及處理等功能模塊，測試系統(tǒng)軟件框圖如圖3所示。

圖3 測試系統(tǒng)軟件框圖

操作員可以通過軟件操作面板輸入操作員信息，根據(jù)更新功能將其自動存入到數(shù)據(jù)庫中。根據(jù)試驗項目進行相關(guān)試驗，試驗時將不同試驗項目數(shù)據(jù)分別存入數(shù)據(jù)庫不同表格中，并通過數(shù)據(jù)庫對試驗數(shù)據(jù)進行查詢、刪除等。

參數(shù)設(shè)置部分主要包括傳感器的標定、清零、通道設(shè)定、試驗參數(shù)設(shè)置。在試驗前，操作員先對傳感器信號進行檢查并對其進行標定和清零，再對試驗參數(shù)進行設(shè)置。試驗參數(shù)設(shè)置包括輸入軸轉(zhuǎn)速、換向力矩、試驗次數(shù)、試驗車速等。這些試驗參數(shù)通過文本框等控件進行輸入設(shè)置，在對參數(shù)設(shè)置模塊進行開發(fā)時，通過DataSource屬性將數(shù)值綁定到Data數(shù)據(jù)管理器，Data數(shù)據(jù)管理器所具備的Jet引擎與數(shù)據(jù)庫進行連接，從而實現(xiàn)試驗參數(shù)的實時更改。

系統(tǒng)控制部分包括輸入端驅(qū)動電機控制、比例換向閥控制、比例溢流閥控制、信號發(fā)生控制等。通過輸入端驅(qū)動電機運動控制器的運動指令函數(shù)來實現(xiàn)伺服電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角的控制，有效模擬不同方向盤輸入信號，并經(jīng)由編碼器所反饋的旋轉(zhuǎn)角度或經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集到的扭矩信號形成邏輯判斷來確定伺服電機的旋轉(zhuǎn)方向。在EPS性能測試過程中，設(shè)定液壓加載條件后，PCL-818HG數(shù)據(jù)采集卡所采集到的測力傳感器信號和PCI-1721輸出板D/A功能輸出電壓信號經(jīng)由系統(tǒng)后臺控制算法程序計算形成力閉環(huán)控制，實時調(diào)節(jié)加載力偏差來精確完成轉(zhuǎn)向阻力加載，實現(xiàn)不同行駛工況下轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來進行模擬加載。

數(shù)據(jù)采集及處理部分主要實現(xiàn)各個傳感器信號的實時采集及轉(zhuǎn)化為實際數(shù)值。系統(tǒng)根據(jù)不同需求進行處理后將結(jié)果實時保存在Access數(shù)據(jù)庫中，在需要進行數(shù)據(jù)采集時通過研華公司提供的數(shù)據(jù)采集卡初始化和增益/通道函數(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能。

3 臺架測試實例及結(jié)果分析

最終搭建好的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能測試平臺如圖4所示，測試系統(tǒng)主界面如圖5所示。為驗證測試系統(tǒng)性能，選用某技術(shù)先進且成熟的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行性能測試。

圖4 試驗臺實物

圖5 測試系統(tǒng)主界面

3.1 助力電流特性試驗

3.1.1 試驗方法與試驗條件

將被測電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安裝在臺架上，操作員通過上位機控制伺服電機將輸入端調(diào)整至中間位置。助力電機直流供電電壓調(diào)定在(12±0.5)V范圍。設(shè)置一定車速后開始試驗。由上位機控制伺服電機驅(qū)動輸入軸以0.5 r/min轉(zhuǎn)速勻速正轉(zhuǎn)，齒條輸出端施加額定負荷。當輸入軸輸入力矩達到換向力矩時，控制伺服電機以同樣速度反轉(zhuǎn)達到換向力矩，再反轉(zhuǎn)回到中間位置，記錄數(shù)據(jù)并繪制曲線。

3.1.2 試驗結(jié)果分析

按照上述試驗方法與試驗條件，將換向力矩設(shè)定為8 N·m后，連續(xù)進行車速分別為0、40、80、120 km/h的助力電流特性試驗，試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 助力電流特性

從圖6中可以看出：該EPS的助力控制類型為曲線型；當車速一定時，助力電流隨著輸入力矩的增大而增大；輸入力矩達到7 N·m后，助力電機電流基本維持不變，這是為了避免電流過大損壞電機而對助力電機輸出電流進行了限制；在輸入力矩較小時，存在1段電流為0的區(qū)域，助力電機無助力，此處為助力電流死區(qū)，且助力電流死區(qū)范圍隨著車速增高有所加寬；助力電流大小隨車速增高有所減小，這是為了保證良好的路感，使低車速時助力較大，高車速助力較小。

助力電流是表征EPS助力電機助力性能的主要性能參數(shù)之一。直流電機的特性是電流與輸出力矩成正比例關(guān)系，因此助力電流的對稱性反映了助力電機的輸出性能。如果在相同輸出電流下所需的輸入力矩偏差較大，則會使得駕駛員在進行左右轉(zhuǎn)彎行駛時的手感相差較大，影響駕駛員判斷能力而造成安全隱患。

傳統(tǒng)的對稱性經(jīng)驗算法不能對整個曲線進行評價，因此采用面積法來對其進行評價。圖7中，Sa、Sb分別表示向兩個方向轉(zhuǎn)動時助力電流達到最大值時與橫軸所圍成的面積[10-11]，其對稱性計算公式如下：

(1)

根據(jù)式(1)計算得0、40、80、120 km/h時的對稱性大小依次為96.58%、95.92%、94.96%、94.58%，滿足規(guī)定的對稱性大于90%的標準，符合助力電流特性曲線設(shè)計要求。

圖7 助力電流對稱性示意圖

3.2 輸入力矩/輸出力特性試驗

3.2.1 試驗方法與條件

輸入力矩/輸出力特性是指在不同車速工況及不同輸入力矩下輸入力矩與齒條輸出力之間的關(guān)系。將被測EPS總成固定在臺架上，調(diào)定助力電機直流供電電壓為(12±0.5)V。設(shè)定車速后，由上位機發(fā)送指令使左右液壓缸齒條輸出端達到額定輸出力，伺服電機模擬方向盤勻速轉(zhuǎn)動完成1個循環(huán)，記錄輸入力矩、齒條端輸出力數(shù)據(jù)并繪制試驗曲線。

3.2.2 試驗結(jié)果分析

分別對車速為0、40、80、120 km/h時輸入力矩/輸出力特性進行連續(xù)試驗，試驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 輸入力矩/輸出力特性

從圖8中可以看出：在不同車速下向極限位置轉(zhuǎn)動，輸入力矩大小為7 N·m時，車速為0、40、80、120 km/h的齒條端輸出力分別為7 856、5 624、4 347、3 462 N；在輸入力矩小于1 N·m時輸出力(即齒條端軸向力)基本為0，并且隨車速增高，輸出力為0的區(qū)間有所增大。這主要是由于中間位置存在一定間隙和摩擦力，輸入力矩較小，助力電機助力基本不助力造成的。當繼續(xù)增大輸入力矩時，齒條端軸向力也隨之增大。在低車速時，增大的速率明顯高于高車速，這能有效提高汽車在低速時的輕便性和高速時的路感。

齒條輸出力實際上是助力電機助力和方向盤輸入力矩合力與系統(tǒng)摩擦力的差值。在進行性能匹配時，主要考慮到前軸載荷，齒條最大輸出力越大，匹配車型的前軸載荷越大。除此之外，齒條軸向輸出力也反映左右助力大小的一致性，因此采用本文的面積法來計算對稱性，在0、40、80、120 km/h時的對稱性分別為94.46%、93.83%、95.12%、94.69%，滿足規(guī)定的大于90%的要求。

4 結(jié)束語

本文詳細闡述了以VB6.0為開發(fā)平臺的EPS性能測試系統(tǒng)設(shè)計，并通過對EPS進行臺架試驗，驗證了所設(shè)計的測試系統(tǒng)能精確、快速地完成EPS性能測試。該系統(tǒng)的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單、成本低、性能可靠、自動化程度較高，通過軟件控制就能完成不同的加載功能；軟件界面友好、圖形美觀，能進行數(shù)據(jù)存儲及分析，大大縮短臺架試驗時間，為EPS轉(zhuǎn)向器性能驗證提供基礎(chǔ)平臺。

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