底盤懸架K&C試驗(yàn)臺的電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及研究

摘 要：隨著我國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，人們生活水平的不斷提高。人們對汽車的舒適性、操控性等品質(zhì)要求也越來越高。相對發(fā)達(dá)國家汽車企業(yè)而言，國內(nèi)自主品牌汽車企業(yè)在底盤性能開發(fā)方面尤其是懸架系統(tǒng)研究方面仍存在嚴(yán)重不足。由于進(jìn)口的底盤懸架K&C（K即運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，Kinematic;C即動(dòng)力學(xué)特性，Compliance）測試設(shè)備價(jià)格非常昂貴，研發(fā)高性價(jià)比的自主底盤懸架K&C測試設(shè)備，縮小與發(fā)達(dá)國家汽車企業(yè)的技術(shù)差距，降低自主品牌汽車企業(yè)的試驗(yàn)開發(fā)成本，促進(jìn)本國汽車行業(yè)發(fā)展具有非常重要的意義。本公司在承襲多年汽車試驗(yàn)設(shè)備開發(fā)經(jīng)驗(yàn)以及參考國外相關(guān)先進(jìn)設(shè)備基礎(chǔ)上成功研制了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的底盤懸架K&C試驗(yàn)臺。文章主要介紹該設(shè)備的電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及研究分析。

關(guān)鍵詞：底盤;懸架;K&C;電控系統(tǒng)

0 引言

在科學(xué)技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，先進(jìn)的測試系統(tǒng)都離不開機(jī)電技術(shù)的高度融合，這種發(fā)展趨勢在汽車測試領(lǐng)域尤為突出。測試設(shè)備通常由機(jī)械系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)三大部分構(gòu)成。電控系統(tǒng)對測試設(shè)備的測量精度、可靠性、穩(wěn)定性等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)起著關(guān)鍵性作用。

1 測控需求分析

底盤懸架K&C試驗(yàn)臺廣泛適用汽車整車K&C性能測試，具體包括垂直運(yùn)動(dòng)測試、側(cè)向柔度測試、縱向柔度測試、側(cè)傾運(yùn)動(dòng)測試、回正力矩測試、轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)測試等試驗(yàn)內(nèi)容。試驗(yàn)臺還需具備車輪軸距輪距自動(dòng)調(diào)整以及車輛自動(dòng)對中等功能。使用環(huán)境為試驗(yàn)室內(nèi)常溫環(huán)境下，設(shè)備臺架布局于試驗(yàn)現(xiàn)場。主要構(gòu)成包括車身夾持系統(tǒng)、車身加載系統(tǒng)、車輪加載系統(tǒng)、方向盤位置與轉(zhuǎn)矩測量系統(tǒng)、車輪定位參數(shù)測試系統(tǒng)等。K&C試驗(yàn)臺的總體布局圖如下所示：

2 電控方案設(shè)計(jì)

根據(jù)底盤懸架K&C試驗(yàn)臺測控需求分析，按照其功能特性可以將試驗(yàn)臺的整個(gè)電控系統(tǒng)分解為傳感器系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、電控配電系統(tǒng)五大子系統(tǒng)。

2.1 傳感器系統(tǒng)

在測控技術(shù)領(lǐng)域里，傳感器是一種能把特定的被測信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號輸出的器件或裝置。根據(jù)測試任務(wù)的需要，傳感器主要設(shè)計(jì)布局在四個(gè)車輪平臺上，每個(gè)車輪平臺上的傳感器包括三分力傳感器、位移傳感器、角度傳感器。三分力傳感器安裝于車輪平臺的內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)Fx、Fy、Fz三個(gè)方向的加載測量。通過安裝在輪轂上的車輪定位輪盤連接六個(gè)高精度位移傳感器，根據(jù)位移傳感器變化，解算出角位移與線位移的變化量，測量車輪位置。角度傳感器安裝在輪轂上的車輪定位輪盤內(nèi)部，用于測量車輪轉(zhuǎn)角。

2.2 伺服控制系統(tǒng)

伺服控制系統(tǒng)是一種能夠跟蹤輸入的指令信號進(jìn)行動(dòng)作，從而獲得精確的位置、速度及動(dòng)力輸出的自動(dòng)控制系統(tǒng)。為在車身加載系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對車身的多自由度加載控制以及在車輪加載系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)車輪的定位控制及加載控制，需要考慮設(shè)計(jì)上采用伺服控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)需要的功能。伺服控制系統(tǒng)按驅(qū)動(dòng)元件的不同可以分為電氣伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)、氣動(dòng)伺服系統(tǒng)。電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)類型的不同又可分為直流伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)。根據(jù)各類伺服控制系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性、控制精度、響應(yīng)特性等特點(diǎn)，再結(jié)合測試臺架的具體需求，考慮采用交流伺服方式。

不同類型的測試車輛有著不同的軸距和輪距，四個(gè)車輪加載系統(tǒng)需具備根據(jù)整車軸距與輪距調(diào)節(jié)平臺位置，進(jìn)而準(zhǔn)確定位整車的位置中心的功能，據(jù)此每個(gè)車輪加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)了三套伺服系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)Fx、Fy、Mz三自由度的功能控制。車身加載系統(tǒng)根據(jù)功能要求共設(shè)計(jì)六套電動(dòng)伺服控制系統(tǒng)。其中三套用于垂直Z方向的運(yùn)動(dòng)加載控制;兩套用于縱向X方向的運(yùn)動(dòng)加載控制，一套用于Y方向的運(yùn)動(dòng)加載控制。整體形成一個(gè)六自由度加載平面，對車身進(jìn)行實(shí)際工況的加載，同時(shí)可以消除車輪加載產(chǎn)生的重力誤差，提高測量精度。

2.3 信號采集系統(tǒng)

信號采集系統(tǒng)主要是自動(dòng)獲得各類傳感器信號的系統(tǒng)。基于測試臺架的功能需要，傳感器主要設(shè)計(jì)有三分力、位移、角度等。結(jié)合設(shè)備應(yīng)用場景，為提高系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、測量精度，信號采集系統(tǒng)按照分布式設(shè)計(jì)，將其布局在臺架現(xiàn)場，盡量減少線纜長度，與控制計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)線通訊方式連接。位移傳感器、角度傳感器使用高精度A/B脈沖輸出類型，采用NI CompactRIO 分布式測量控制器及測試模塊組合實(shí)現(xiàn)。三分力、數(shù)字量輸入輸出、電機(jī)編碼器等，采用BeckHoff嵌入式控制器及其功能模塊組合實(shí)現(xiàn)。

2.4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以人機(jī)交互的形式來控制測試設(shè)備完成各測試任務(wù)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)建測試平臺的架構(gòu)形式很多，根據(jù)具體使用場景不同而不同。若測試系統(tǒng)為整體式臺架，采集控制線路較短，環(huán)境干擾影響較小時(shí)，通常適合將采集控制卡集成在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，如各種ISA卡、PCI卡等。若測試系統(tǒng)為分布式布局，采集控制線路較長，環(huán)境干擾嚴(yán)重時(shí)，則適合通過網(wǎng)絡(luò)通信的方式構(gòu)建控制系統(tǒng)。

基于底盤懸架K&C試驗(yàn)臺的使用場景，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通常布置在客戶的監(jiān)控室內(nèi)，與測試臺架的距離較遠(yuǎn)，使用了較多的伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器，整體電磁環(huán)境較復(fù)雜，干擾嚴(yán)重?？刂葡到y(tǒng)需要采用分布式布局，采用工業(yè)計(jì)算機(jī)與NI測量系統(tǒng)和BeckHoff控制系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)。

2.5 電控配電系統(tǒng)

配電系統(tǒng)是底盤懸架K&C試驗(yàn)臺的重要組成，完善的配電系統(tǒng)是保證設(shè)備穩(wěn)定可靠運(yùn)行的前提，熟悉各類用電負(fù)載的技術(shù)要求是設(shè)計(jì)配電系統(tǒng)的關(guān)鍵。在配電設(shè)計(jì)上需要考慮系統(tǒng)的漏電安全保護(hù)，考慮維護(hù)檢修的便利性，考慮各子系統(tǒng)之間的相互影響，考慮強(qiáng)弱電系統(tǒng)的隔離處理等。

基于其他子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，配電系統(tǒng)中強(qiáng)電部分主要包括四個(gè)車輪加載系統(tǒng)的Fx/Fy/Mz方向的伺服電機(jī)系統(tǒng)、車身加載系統(tǒng)的X1/X2/Y/Z1/Z2/Z3伺服電動(dòng)缸系統(tǒng)，共計(jì)18套伺服控制系統(tǒng)。弱電部分主要包括各傳感器、信號調(diào)理、分布式采集系統(tǒng)等。配電系統(tǒng)簡圖如下：

3 信號抗干擾處理

干擾信號是指對有用信號的接收造成損傷的信號。干擾信號按其來源不同可以劃分為外部傳導(dǎo)干擾、外部輻射干擾、內(nèi)部傳導(dǎo)干擾、內(nèi)部輻射干擾。傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)電介質(zhì)把一個(gè)電氣網(wǎng)絡(luò)中的信號耦合到另一個(gè)電氣網(wǎng)絡(luò)，輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合到另一個(gè)電氣網(wǎng)絡(luò)。為提高測試臺架的測量精度、穩(wěn)定性、可靠性。必須采取合理的抗干擾措施，減小干擾信號對測量系統(tǒng)的影響，同時(shí)也需要盡可能降低系統(tǒng)自身的干擾信號對外部環(huán)境的影響。

3.1 外部傳導(dǎo)干擾

外部傳導(dǎo)干擾的主要途徑是設(shè)備電源進(jìn)線。國內(nèi)通常設(shè)備配電采用的是三相五線制。干擾信號通常為50Hz電源中的諧波干擾，其主要來源于供電網(wǎng)絡(luò)中的其他用電設(shè)備。針對此類型的干擾，需要在配電設(shè)計(jì)中使用隔離變壓器，這樣也可以防止系統(tǒng)內(nèi)部的諧波干擾輸出影響供電網(wǎng)絡(luò)。

3.2 外部輻射干擾

外部輻射干擾的主要途徑是整個(gè)空間環(huán)境。輻射干擾源通常分為自然干擾源和人為干擾源兩大類。自然干擾源主要來源于大氣層的天電噪聲、地球外層空間的宇宙噪聲。人為干擾源主要來源于機(jī)器設(shè)備發(fā)射出的電磁信號，其中有部分是專門發(fā)射的電磁信號即有意發(fā)射干擾源，通常包括廣播、電視、導(dǎo)航等。另一部分為在完成自身功能的同時(shí)附帶發(fā)射的電磁信號即無意發(fā)射干擾源，通常包括輸電線、變頻器及電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)等。針對此類型的干擾，需要對臺架及柜體做可靠接地。

3.3 內(nèi)部傳導(dǎo)干擾

內(nèi)部傳導(dǎo)干擾主要來自伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)。針對此類型的干擾，需要在配電設(shè)計(jì)中伺服驅(qū)動(dòng)器必須使用噪聲濾波器以及電抗器，以消除其工作時(shí)產(chǎn)生的諧波干擾耦合到弱電系統(tǒng)中，同時(shí)也需要在弱電配電中加入隔離變壓器做進(jìn)一步的隔離處理。

3.4 內(nèi)部輻射干擾

內(nèi)部輻射干擾也主要來自伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)。為解決其工作時(shí)產(chǎn)生輻射干擾，需要將伺服驅(qū)動(dòng)器等強(qiáng)電系統(tǒng)和信號采集等弱電系統(tǒng)隔離布局安裝，整個(gè)設(shè)備的強(qiáng)電和弱電要分開布線，且留足夠間距，伺服驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)間的電纜需要采用多層屏蔽電纜。信號采集系統(tǒng)的電纜也要采用多層屏蔽電纜，多層屏蔽電纜還需可靠接地，關(guān)鍵信號做信號隔離處理，且選擇高品質(zhì)的元器件。

4 結(jié)語

底盤懸架K&C試驗(yàn)臺研制成功后進(jìn)行了廣泛的推廣及應(yīng)用。滿足了廣大的自主品牌汽車企業(yè)的汽車研發(fā)需求，目前已經(jīng)取得了不錯(cuò)的市場業(yè)績。在研發(fā)過程中，學(xué)習(xí)和總結(jié)的相關(guān)測試設(shè)備開發(fā)經(jīng)驗(yàn)可以很好地應(yīng)用在其他測試設(shè)備開發(fā)中，對提升整個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)的知識水平以及技術(shù)研發(fā)能力起到很好的促進(jìn)作用。

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作者簡介：龔杰（1979-），男，四川內(nèi)江人，碩士研究生，中級職稱，研究方向：檢測技術(shù)與自動(dòng)化裝置。