基于LabVIEW的EPS性能試驗臺測控系統(tǒng)

李洪強，孟建兵，曲寶軍，董小娟，婁廣軍，黃丙琪

(山東理工大學 機械工程學院，山東 淄博 255049)

隨著汽車的普及和電子技術(shù)的廣泛應用，駕駛員對操縱汽車的輕便性、靈活性、穩(wěn)定性、安全性等要求越來越高，越來越多的電子控制技術(shù)被應用到汽車的各個系統(tǒng)中[1]。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Power Steering， EPS)是一種使用電機提供助力的新型動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。與液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，EPS可以提高車輛助力轉(zhuǎn)向的特性，保證汽車轉(zhuǎn)向輕便性和駕駛安全性[2-3]。EPS的成功研發(fā)必須依靠大量的實車試驗，將系統(tǒng)的各項性能調(diào)整到最優(yōu)的工作狀態(tài)[4-5]。對EPS進行實車試驗需要大量的人力、物力，試驗費用高，而且還有一定的危險性，而通過臺架性能試驗可以掌握EPS的基本特性,并有助于控制系統(tǒng)的測試和調(diào)試。臺架雖然不能精確模擬實際路面行駛工況力特性,但通過研究電機的控制規(guī)律以及參數(shù)的調(diào)整,分析EPS的綜合性能和控制參數(shù)變化對EPS綜合性能的影響，能為將來實車測試提供一些基本的參數(shù)和算法，可以降低實車路試的危險性和研究成本[6]。因此，開發(fā)出一套EPS的臺架試驗測控系統(tǒng)是非常有必要的。

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種用圖標來代替文本用以創(chuàng)建應用程序的計算機編程語言[7]，它是目前國際上首先推出并應用最廣的數(shù)據(jù)采集和控制開發(fā)環(huán)境之一，主要應用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示等領(lǐng)域,并適用于多種不同的操作系統(tǒng)平臺[8]。本文基于雙諾AC6614數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)卡與 LabVIEW 軟件開發(fā)一套對數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、監(jiān)控和顯示的EPS試驗臺測控系統(tǒng)。

1 EPS試驗臺的機械裝置

本文EPS試驗臺主要用于檢測和開發(fā)EPS的基礎(chǔ)性能試驗，是參照我國的《汽車電動助力轉(zhuǎn)向裝置技術(shù)條件與臺架試驗方法》手冊中對EPS基礎(chǔ)性能臺架試驗方法的要求設(shè)計的。EPS試驗臺的機械結(jié)構(gòu)包括試驗臺架、模擬轉(zhuǎn)向盤輸入裝置 (包括輸入端步進電機、輸入端伺服電機、減速器、輸入扭矩傳感器、聯(lián)軸器)、EPS轉(zhuǎn)向器總成(包括蝸輪蝸桿減速機構(gòu)、控制器、扭矩傳感器、直流電機)、輸出加載裝置(包括輸出端步進電機、輸出端伺服電機、減速器、輸出扭矩傳感器、聯(lián)軸器)等組件。其機械結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

試驗臺的主要作用是模擬汽車在不同的車速、實際轉(zhuǎn)向時所受轉(zhuǎn)向阻力矩大小等工況，通過信號采集系統(tǒng)采集和檢測助力電機電流、電壓、助力扭矩、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向盤扭矩等信號，實時處理、顯示，然后繪制成各種曲線顯示在屏幕上，并將處理后的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中，供試驗分析、研究EPS的性能參數(shù)，并對軟硬件的改進作出指導，同時也可用來研究控制系統(tǒng)的控制算法，并為將來實車試驗準備所需的一些數(shù)據(jù)。

圖1 EPS試驗臺機械結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic mechanical structure of EPS test bench

2 EPS試驗臺的硬件系統(tǒng)設(shè)計和工作原理

EPS試驗臺主要由轉(zhuǎn)向輸入驅(qū)動部分、EPS總成部分、輸出加載部分、轉(zhuǎn)速信號發(fā)生部分、數(shù)據(jù)采集部分、工控機等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。在EPS試驗過程中，工控機通過運動控制器向伺服驅(qū)動器發(fā)送指令控制輸入、輸出端伺服電機轉(zhuǎn)動方向、轉(zhuǎn)動角度和加載大小，按試驗要求進行試驗。同時工控機還會控制車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號發(fā)生器發(fā)出脈沖信號，經(jīng)信號調(diào)制器輸入到ECU中，EPS就會在相應車速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速工況下工作。各種不同功用的傳感器會根據(jù)采集卡的需要采集各種不同的信號，并且輸送到數(shù)據(jù)采集卡中，然后通過數(shù)據(jù)采集卡模擬量通道輸入工控機，經(jīng)工控機處理后實時顯示各種數(shù)據(jù)和繪制成各種曲線顯示在屏幕上。系統(tǒng)試驗程序運行在工控機上，通過程序來模擬實車測試的環(huán)境。

輸入、輸出端的連接與斷開均由步進電機的左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)完成，工控機通過程序控制運動控制器向步進電機驅(qū)動器發(fā)送指令，控制步進電機的左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)，帶動導軌的前進和后退，完成輸入、輸出端的斷開與連接，實現(xiàn)了連接和斷開的自動化，減少了手動連接與斷開，提高了工作效率。

轉(zhuǎn)向輸入驅(qū)動部分主要由輸入端伺服電機及伺服驅(qū)動器、輸入端減速器、輸入端扭矩傳感器等構(gòu)成。伺服電機控制器控制伺服電機轉(zhuǎn)動，可以準確得到轉(zhuǎn)動力矩的大小、轉(zhuǎn)動角度和輸入軸轉(zhuǎn)速，用來模擬在轉(zhuǎn)向時，駕駛員施加在方向盤上的手力、方向盤轉(zhuǎn)角的大小和方向盤轉(zhuǎn)動速度的快慢。

圖2 EPS試驗臺硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The schematic diagram of the structure of the EPS test bench

輸出加載部分主要由輸出端伺服電機及伺服驅(qū)動器、輸出端減速器、輸出端扭矩傳感器等構(gòu)成。在汽車的實際轉(zhuǎn)向過程中，輪胎會受到來自地面的轉(zhuǎn)向阻力，它受到車輛前橋載荷、輪胎與地面摩擦系數(shù)、輪胎內(nèi)壓、車輛行駛速度等因素的影響。輸出端的伺服電機可以加載不同比例系數(shù)的力矩，用來準確模擬汽車在不同車速時，轉(zhuǎn)向所受到的轉(zhuǎn)向阻力矩。

汽車實際轉(zhuǎn)向過程中是帶有車速的，而EPS試驗屬于臺架試驗，所以發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號和車速信號要利用轉(zhuǎn)速信號發(fā)生部分模擬。實際汽車的發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號和車速信號為脈沖信號，在EPS試驗中，發(fā)動機轉(zhuǎn)動速度、車速所需要的脈沖信號的頻率是由試驗程序來控制的，從而實現(xiàn)了對發(fā)動機轉(zhuǎn)動速度和車速的模擬。

數(shù)據(jù)采集卡、扭矩和轉(zhuǎn)角傳感器、電流傳感器等組成了信號采集部分，其所需采集的信號包括輸入、輸出端扭矩信號、EPS中的扭矩轉(zhuǎn)角信號、助力電機和ECU的電壓和電流信號。這些復雜的信號都會由不同功用的傳感器收集并輸送到數(shù)據(jù)采集卡中。本試驗臺所采用的數(shù)據(jù)采集卡為雙諾公司的AC6614數(shù)據(jù)采集卡，AC6614數(shù)據(jù)采集卡采集速率100 kHz,具有32路單端/16路差分模擬輸入、開關(guān)量16路輸入/16路輸出、2路靜態(tài)輸出DA、2路20位脈沖輸出和4路24位計數(shù)器。AC6614數(shù)據(jù)采集卡的采集通路和采集速率完全滿足EPS試驗臺的采集任務要求。

工控機實現(xiàn)對輸入、輸出端伺服電機的驅(qū)動控制，車速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號的模擬輸出，接收經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡收集轉(zhuǎn)換的各種數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)處理、分析、保存和實時顯示，同時將這些數(shù)據(jù)繪制為各種類型的曲線，以便于分析和研究。

3 EPS試驗臺的軟件實現(xiàn)

本EPS試驗臺軟件系統(tǒng)由虛擬儀器的LabVIEW實現(xiàn)。虛擬儀器是一種應用于計算機的儀器，當前，虛擬儀器發(fā)展的一個重點就是和計算機的緊密結(jié)合。結(jié)合方式共有兩種，一種是嵌入系統(tǒng)的儀器，另外一種便是將儀器安裝于計算機中，以計算機操作系統(tǒng)和硬件為依托，展現(xiàn)儀器的種種功能。EPS試驗臺軟件系統(tǒng)就是應用虛擬儀器技術(shù)來采集各類所需的數(shù)據(jù)，使試驗臺測控系統(tǒng)的準確性和工作效率得到提高[9]。LabVIEW是一種集圖形化編程語言和服務與測試測量于一體的軟件，具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和處理、產(chǎn)生信號、信號處理、輸入輸出控制等功能，提供處理信號的函數(shù)和從上層界面到驅(qū)動底層儀器等一系列的解決方案及應用于不同場合的工具包，同時它支持各種儀器接口，并提供一系列便捷的儀器調(diào)試工具[10]。EPS試驗臺測試系統(tǒng)程序設(shè)計包括以下幾個部分：

1)軟件主控制界面。EPS試驗臺軟件測試系統(tǒng)由參數(shù)設(shè)置、傳感器標定、數(shù)據(jù)處理、性能測試、元件測試等部分組成，軟件主控制界面主要是管理和進入測試系統(tǒng)的各個部分。軟件測試系統(tǒng)主控制界面如圖3所示。

圖3 軟件測試系統(tǒng)主控制界面Fig.3 Master control interface of software testing system

2)參數(shù)設(shè)置與傳感器的標定。參數(shù)設(shè)置包括合格標準、用戶信息、過程參數(shù)、車速選擇，可根據(jù)試驗要求對其中的一些參數(shù)進行更改。通過對各傳感器的參數(shù)進行標定，用以確保試驗中所采集數(shù)據(jù)的真實性。

3)伺服電機運動控制。利用運動控制器對EPS輸入、輸出端的伺服電機進行控制，使其按照試驗規(guī)定運動和加載，伺服電機的運動狀態(tài)由伺服電機上的編碼器反饋的信號監(jiān)控。

4)傳感器信號采集。負責采集的信號包括輸入、輸出端扭矩信號，EPS中的扭矩和轉(zhuǎn)角信號，助力電機和ECU的電壓和電流信號等。

此外，LabVIEW具有數(shù)據(jù)分析功能，可以用它對數(shù)據(jù)進行濾波處理、頻譜分析以及曲線擬合等。

5)圖形、數(shù)據(jù)顯示。將處理過的試驗數(shù)據(jù)實時顯示，并在LabVIEW前面板上繪制成各種曲線。

6)數(shù)據(jù)保存。保存試驗數(shù)據(jù)和結(jié)果，用戶可以通過數(shù)據(jù)庫操作界面對已保存的試驗數(shù)據(jù)進行查詢。

EPS試驗臺測試系統(tǒng)程序設(shè)計流程圖如圖4所示。

圖4 EPS試驗臺測試系統(tǒng)程序設(shè)計流程圖Fig.4 The programming flow diagram of the EPS test bench

在試驗測試過程中，實驗數(shù)據(jù)的采集、處理、分析等部分是在LabVIEW程序框圖面板上實現(xiàn)的。每個VI前面板和框圖程序面板的程序是一一對應的，通過在框圖程序面板的控件之間進行連線和添加程序來處理采集的實驗數(shù)據(jù)，并在前面板控件上進行顯示。測試系統(tǒng)正向空載試驗的部分框圖程序如圖5所示。

圖5 測試系統(tǒng)正向空載試驗的部分框圖程序Fig.5 Some block diagram procedure of the test system under forward to no-load test

4 EPS試驗臺試驗結(jié)果

本文以循環(huán)球式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為例進行測試，將測試EPS安裝到試驗臺上，測試系統(tǒng)正常工作，按照試驗要求對EPS試驗臺進行輸入扭矩/輸出扭矩試驗，方法如下：連接好輸入、輸出端，輸出端固定,汽車點火開關(guān)開啟，發(fā)動機信號開啟，設(shè)置0 km/h、20 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h 5個不同車速，輸入軸從中間位置以30°/s±5%的轉(zhuǎn)速順時針轉(zhuǎn)動，直到達到10 N·m的力矩時，以同樣的速度反轉(zhuǎn)回到初始位置，再以相同的速度逆時針轉(zhuǎn)動輸入軸，直到達到-10 N·m的力矩，最后輸入軸回到中間位置，試驗結(jié)束。圖6為輸入扭矩/輸出扭矩-速度特性曲線，在輸入扭矩/輸出扭矩試驗中，測得在車速為0 km/h、20 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h 5個不同車速時曲線的對稱度分別為96.94%、95.38%、94.14%、93.02%、91.89%，均在試驗測試要求的90%以上。試驗結(jié)果表明，本文所開發(fā)的電動助力轉(zhuǎn)向基礎(chǔ)性能試驗臺所測量的試驗數(shù)據(jù)可靠，能夠達到EPS基礎(chǔ)性能試驗要求的標準。

圖6 輸入扭矩/輸出扭矩-速度特性曲線圖Fig.6 Input torque / output torque-speed characteristic curve

5 結(jié)束語

本文基于LabVIEW開發(fā)了一套集數(shù)據(jù)采集、分析、處理、圖形繪制、數(shù)據(jù)顯示等一體的電動助力轉(zhuǎn)向性能試驗臺測試系統(tǒng)，該測控系統(tǒng)主要用于對EPS的輸入、輸出扭矩，電動機的吸收電流、馬達電流和電動機提供的助力扭矩等信號的檢測并對某型汽車的循環(huán)球式EPS系統(tǒng)進行基礎(chǔ)性能試驗。本文開發(fā)的電動助力轉(zhuǎn)向性能試驗臺架可以準確檢測汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)性能參數(shù)在滿足試驗要求的前提下是否符合標準，為進一步研究和開發(fā)EPS系統(tǒng)性能提供了方便。