電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器疲勞測(cè)試臺(tái)架及方法研究

許曉舟，聶俊彥，胡沖，周平，董陽(yáng)，黃詳，佟遠(yuǎn)輝

博世華域轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司，上海 201521

0 引言

近年來(lái)，隨著汽車(chē)電子化、智能化程度的快速提升，各整車(chē)廠對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的需求也在日益加強(qiáng)。歷經(jīng)十?dāng)?shù)年的快速發(fā)展，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)成為乘用車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)配置。作為智能駕駛、自動(dòng)駕駛的重要組成零件，EPS更成了電動(dòng)車(chē)、智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)必不可少的組成部分。為了確保EPS的性能，各大主機(jī)廠均要求對(duì)EPS的控制單元（ECU）進(jìn)行長(zhǎng)周期的加速疲勞耐久試驗(yàn)，以驗(yàn)證產(chǎn)品的可靠性，比如大眾標(biāo)準(zhǔn)VW80000中就要求對(duì)ECU進(jìn)行高溫耐久試驗(yàn)（L-02: High temperature durability testing）和溫度循環(huán)耐久試驗(yàn)（L-03: Temperature cycle durability testing）。但是現(xiàn)有的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)只定義了疲勞測(cè)試的環(huán)境條件，對(duì)ECU在測(cè)試時(shí)的運(yùn)行工況和負(fù)載并沒(méi)有明確的規(guī)定，這也導(dǎo)致項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)測(cè)試工況過(guò)于嚴(yán)苛或者不合理的情況。此外,在對(duì)ECU進(jìn)行疲勞測(cè)試時(shí)，目前的測(cè)試臺(tái)架往往只搭載ECU本身進(jìn)行測(cè)試，無(wú)法模擬轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和整車(chē)實(shí)際的運(yùn)行工況和負(fù)載，這也在一定程度上限制了疲勞試驗(yàn)的有效性。

本文提出了一種全新的EPS ECU疲勞測(cè)試方法，并針對(duì)該方法設(shè)計(jì)了一種新型的疲勞測(cè)試臺(tái)架，使ECU的疲勞測(cè)試更加貼近車(chē)輛實(shí)際工況。

1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由電子系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)兩大部分組成，電子系統(tǒng)包含電子ECU、扭矩傳感器、電機(jī)角度傳感器、電機(jī)幾個(gè)主要部件；機(jī)械系統(tǒng)主要包括殼體、減速機(jī)構(gòu)等。當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)時(shí)，扭矩傳感器可以采集駕駛者施加的手力扭矩大小，并以模擬或者數(shù)字信號(hào)的形式發(fā)送至ECU；電機(jī)角度傳感器可以采集電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)角位置發(fā)送至ECU。ECU在收到傳感器采集的各類(lèi)信號(hào)后，可以基于預(yù)設(shè)的算法計(jì)算出所需要的電機(jī)助力，并控制電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的輸出助力扭矩，經(jīng)由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和減速機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)向機(jī)的齒條力，最終施加在汽車(chē)轉(zhuǎn)向輪上。

2 EPS ECU疲勞測(cè)試工況

為了更好地模擬轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)，本文設(shè)計(jì)的測(cè)試臺(tái)架不只搭載ECU進(jìn)行測(cè)試，而且使用驅(qū)動(dòng)單元作為被測(cè)樣件進(jìn)行測(cè)試。驅(qū)動(dòng)單元一般包括ECU和電機(jī)兩個(gè)部分。由表1可見(jiàn)，基于整車(chē)耐久試驗(yàn)采集的路譜數(shù)據(jù)估算出全生命周期中EPS工作的路況占比，包括高速公路、鄉(xiāng)村道路、山路、城市道路、駐車(chē)和原地轉(zhuǎn)向等。采集不同路況下EPS的轉(zhuǎn)速、負(fù)載情況，并基于產(chǎn)品模型，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算轉(zhuǎn)換成EPS的電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)負(fù)載大小。如圖1所示，橫軸為每個(gè)測(cè)試循環(huán)的運(yùn)行時(shí)間，實(shí)線型曲線對(duì)應(yīng)左側(cè)坐標(biāo)軸，代表EPS電機(jī)的轉(zhuǎn)速；虛線型曲線對(duì)應(yīng)右側(cè)坐標(biāo)軸，代表電機(jī)負(fù)載比例。

圖1 電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器疲勞測(cè)試工況

表1 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)全壽命周期路況占比情況

3 EPS ECU疲勞測(cè)試臺(tái)架介紹

3.1 臺(tái)架總體結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的EPS ECU疲勞測(cè)試臺(tái)架結(jié)構(gòu)如圖2所示，被測(cè)樣件以驅(qū)動(dòng)單元的形式放置在溫度箱中，以確保試驗(yàn)滿足測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求的環(huán)境實(shí)驗(yàn)條件。溫度箱原有門(mén)體被替換成特殊設(shè)計(jì)的機(jī)柜，伺服電機(jī)及其控制模塊、扭矩信號(hào)模擬裝置等均安裝在該機(jī)柜中。扭矩信號(hào)模擬裝置可以模擬EPS扭矩傳感器的信號(hào)，并發(fā)送至位于溫度箱內(nèi)部的ECU，該模擬裝置可通過(guò)模擬量控制。伺服電機(jī)在溫度箱外側(cè)，通過(guò)一系列機(jī)械傳動(dòng)裝置與位于溫度箱內(nèi)部的EPS電機(jī)相連，從而控制被測(cè)樣件轉(zhuǎn)速。被測(cè)樣件供電電源和信號(hào)采集模塊組成了一個(gè)額外的獨(dú)立機(jī)柜，信號(hào)采集模塊配備有CAN（controller area network）信號(hào)、模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)等各類(lèi)采集模塊，用于對(duì)被測(cè)樣件狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控[1]。此外，系統(tǒng)還配置有一臺(tái)冷水機(jī)，可以在系統(tǒng)過(guò)熱時(shí)對(duì)EPS電機(jī)進(jìn)行冷卻散熱。

圖2 EPS ECU疲勞測(cè)試臺(tái)架結(jié)構(gòu)

臺(tái)架的控制框圖及工作原理如圖3所示，中央控制臺(tái)一方面通過(guò)控制EPS扭矩信號(hào)模擬裝置，可以為被測(cè)EPS驅(qū)動(dòng)單元提供扭矩信號(hào)；另一方面也控制伺服電機(jī)，以便為被測(cè)樣件提供負(fù)載。被測(cè)件接收到輸入扭矩信號(hào)后，基于ECU內(nèi)置的扭矩控制算法，經(jīng)由驅(qū)動(dòng)電路控制EPS電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并輸出助力扭矩。在EPS電機(jī)輸出端利用電機(jī)角度傳感器和扭矩傳感器可以實(shí)時(shí)測(cè)量到EPS電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出扭矩，并反饋給中央控制臺(tái)，形成速度閉環(huán)控制和扭矩閉環(huán)控制。

圖3 電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器疲勞測(cè)試臺(tái)架工作原理

3.2 輸出加載裝置

本系統(tǒng)包括6套輸出加載裝置，其主要作用是給被測(cè)件施加動(dòng)態(tài)變化的扭矩負(fù)載，使其能夠更好地符合工作工況，更真實(shí)地還原實(shí)際工況。

如圖4所示，輸出加載裝置主要由伺服電機(jī)、扭矩傳感器、聯(lián)軸器、被測(cè)件夾具以及機(jī)構(gòu)件等組成，主要分為2個(gè)部分，環(huán)境箱內(nèi)部分以及環(huán)境箱外部分。被測(cè)件及聯(lián)軸器位于環(huán)境箱內(nèi)，需要對(duì)其施加-40～120℃的環(huán)境溫度。扭矩傳感器對(duì)大范圍的溫度變化比較敏感，因此被設(shè)計(jì)在環(huán)境箱外部。常規(guī)的伺服電機(jī)也無(wú)法在0℃以下及60℃以上的環(huán)境中工作，因此也被設(shè)計(jì)在環(huán)境箱外部。環(huán)境箱內(nèi)外部的接口部分，采用聚氨酯隔熱板制成，能夠有效地防止內(nèi)部高低溫對(duì)于外部器件的影響，同時(shí)有較好的保溫效果。為了便于維修，將每個(gè)輸出加載裝置設(shè)計(jì)為筒形結(jié)構(gòu)，后續(xù)任何一個(gè)工位出現(xiàn)故障，可以在環(huán)境箱外部松開(kāi)相應(yīng)的螺釘，整體取出整個(gè)工位，再進(jìn)行維修，而無(wú)須在狹小的環(huán)境箱內(nèi)部進(jìn)行任何維修工作，這大大提高了設(shè)備的可維護(hù)性。

圖4 2種不同電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)類(lèi)型的輸出驅(qū)動(dòng)加載裝置

3.3 伺服電機(jī)控制模塊

本測(cè)試系統(tǒng)采用了西門(mén)子SINAMICS-S120的伺服系統(tǒng)，其組件包括1個(gè)中央控制器、1個(gè)電源模塊和6個(gè)電機(jī)模塊（圖5）：

圖5 伺服電機(jī)控制模塊

（1）中央控制系統(tǒng)采用CU320模塊，利用了PROFIBUS的通信協(xié)議，控制器內(nèi)置了8個(gè)數(shù)字量輸入通道、8個(gè)數(shù)字量可編程雙向通道，其中有4個(gè)可配置為快速輸入通道；控制器采用24V的直流供電。

（2）電源模塊選用SLM電源模塊，可進(jìn)行100%的能量回饋，無(wú)需外置吸能模塊，經(jīng)過(guò)計(jì)算，采用16 kW的功率模塊可滿足6個(gè)伺服電機(jī)同時(shí)工作的要求[2]。

（3）電機(jī)模塊選用3個(gè)雙軸模塊，最大額定電流可達(dá)18 A，峰值電流為36 A，雙軸電源模塊可以很好地節(jié)省電器柜內(nèi)的空間。

3.4 信號(hào)采集模塊

測(cè)試系統(tǒng)需要同步對(duì)6個(gè)工位進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)工位需要采集記錄的信號(hào)數(shù)量超過(guò)20個(gè)。此外，信號(hào)采集系統(tǒng)還需要對(duì)測(cè)試曲線進(jìn)行實(shí)時(shí)閉環(huán)控制，對(duì)系統(tǒng)的算力和實(shí)時(shí)性要求較高。因此，本文選用NIPXIe實(shí)時(shí)系統(tǒng)，采用上下位機(jī)的架構(gòu)進(jìn)行控制。PXIRT 實(shí)時(shí)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)及主控板卡如圖6所示。上位機(jī)與用戶交互，編寫(xiě)測(cè)試模板，修改測(cè)試參數(shù)，儲(chǔ)存試驗(yàn)曲線和數(shù)據(jù)；下位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，保證臺(tái)架的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，下位機(jī)的計(jì)算資源不受上位機(jī)的操作影響，可很好地保證實(shí)時(shí)性。理論上的信號(hào)參考時(shí)鐘信號(hào)可達(dá)10 M Hz TTL，總線信號(hào)觸發(fā)可小于1 ns。該系統(tǒng)信號(hào)采集模塊主要由以下部分組成。

圖6 PXI-RT實(shí)時(shí)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)及主控板卡

（1）PXI機(jī)箱。選用PXIe-1084，考慮到后續(xù)的擴(kuò)展性，機(jī)箱為18槽，其中17個(gè)槽作為混合插槽使用，系統(tǒng)帶寬可達(dá)4 GB/s，每個(gè)插槽帶寬為500MB/s，功耗為58 W。

（2）PXI控制器。選用了PXIe-8821，其核心是基于Intel Core i3的PXI嵌入式控制器。該控制器包含1個(gè)10/100/1000 BASE-TX千兆以太網(wǎng)端口、2個(gè)高速USB端口、2個(gè)USB 3.0端口以及1個(gè)集成硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、串行端口、視頻、鍵盤(pán)/鼠標(biāo)及其他外設(shè)I/O。

（3）模擬量采集卡。PXIe-6349是多功能I/O模塊，其包含了32路16位AI，2路AO，24路DIO和4個(gè)32位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，可用于PWM、編碼器、頻率、事件計(jì)數(shù)等。該板卡利用高吞吐量PCIe總線、多核優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件，具有較高的性能，可很好地滿足實(shí)時(shí)性測(cè)試的要求。

（4）數(shù)字量采集卡。PXI-6514是基于PXI的數(shù)字I/O模塊，包含了64通道，可使用±30 V直流信號(hào)，32路Sink/Source輸入，32路Source輸出，具有分組隔離模塊，其I/O通道為可編程通道，在上電狀態(tài)可讓用戶使用軟件來(lái)配置初始輸出狀態(tài)，以確保在連接到工業(yè)執(zhí)行器時(shí)安全運(yùn)行。同時(shí)，板卡自帶數(shù)字I/O看門(mén)狗信號(hào)，以確保檢測(cè)到故障狀態(tài)后，可及時(shí)進(jìn)行安全恢復(fù)。可編程輸入濾波器可消除毛刺/尖峰，并通過(guò)軟件可選數(shù)字濾波器為數(shù)字開(kāi)關(guān)/繼電器提供去抖動(dòng)服務(wù)[3]。

（5）PXI-6733是基于PXI總線的模擬輸出模塊，分辨率為16位，有8個(gè)通道，每個(gè)通道的最大更新速率為1MS/s。PXI-6733是一款高速模擬輸出設(shè)備，專(zhuān)為激勵(lì)響應(yīng)測(cè)試和仿真等控制和波形輸出應(yīng)用提供多通道同步解決方案，非常適合此設(shè)備的應(yīng)用要求。此外，該設(shè)備還提供8條5VTTL/CMOS數(shù)字I/O線；兩個(gè)24位20 MHz計(jì)數(shù)器/定時(shí)器以及數(shù)字觸發(fā)和外部時(shí)鐘功能。PXI-6733可作為獨(dú)立式比例積分微分（PID）控制器、低速任意波形發(fā)生器和函數(shù)發(fā)生器使用。

（6）CAN通信模塊。PXI-8512/2是基于PXI總線的CAN接口模塊，雙端口，具有靈活數(shù)據(jù)速率的高速控制器局域網(wǎng)（CAN）接口，通過(guò)NI-XNET驅(qū)動(dòng)可進(jìn)行調(diào)用。PXI-8512非常適合需要對(duì)數(shù)百個(gè)CAN幀和信號(hào)進(jìn)行高速實(shí)時(shí)操作的應(yīng)用，NI-XNET設(shè)備驅(qū)動(dòng)的DMA引擎使板載處理器無(wú)須中斷CPU就能在接口和用戶程序之間傳輸CAN幀和信號(hào)，從而最小化消息延遲，使主機(jī)處理器有時(shí)間處理復(fù)雜的模型和應(yīng)用程序[4]。

3.5 軟件系統(tǒng)

本測(cè)試系統(tǒng)的軟件平臺(tái)采用美國(guó)NI公司開(kāi)發(fā)的LabVIEW軟件進(jìn)行編寫(xiě)，LabVIEW在測(cè)試行業(yè)使用廣泛，可以快速地開(kāi)發(fā)測(cè)試相關(guān)程序，同時(shí)圖形化的編程界面也大大簡(jiǎn)化了編程的難度。本系統(tǒng)屬于疲勞測(cè)試類(lèi)系統(tǒng)，需要長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行和記錄數(shù)據(jù)[5]。因此，軟件包含了系統(tǒng)配置模塊、傳感器配置模塊、測(cè)試曲線編輯模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊、運(yùn)行監(jiān)控模塊以及歷史數(shù)據(jù)查詢模塊。測(cè)試人員可在一個(gè)上位機(jī)軟件中使用圖形化界面，對(duì)測(cè)試曲線進(jìn)行編寫(xiě)，同時(shí)控制環(huán)境設(shè)備、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等執(zhí)行器，無(wú)須在多個(gè)軟件中切換。此設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)查詢模塊可在幾秒鐘內(nèi)調(diào)取半年甚至一年的測(cè)試曲線，并可快速查詢到每個(gè)時(shí)刻的記錄曲線，查詢功能實(shí)用且高效。測(cè)試系統(tǒng)軟件運(yùn)行界面如圖7所示。

圖7 測(cè)試系統(tǒng)軟件運(yùn)行界面

4 測(cè)試案例及結(jié)果分析

現(xiàn)以某轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)控制單元為例，安裝在臺(tái)架上進(jìn)行測(cè)試，導(dǎo)入圖1所示的曲線進(jìn)行測(cè)試，獲得的運(yùn)行結(jié)果如圖8所示，實(shí)線型曲線為實(shí)際的運(yùn)行曲線，虛線型曲線為理論曲線，兩條曲線的跟隨性很好，在高速段也未出現(xiàn)幅值和相位差，測(cè)試結(jié)果滿意，達(dá)到預(yù)期效果。

圖8 理論曲線與實(shí)測(cè)曲線對(duì)比

5 結(jié)論

隨著電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)的不斷升級(jí)和迭代，市場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，尤其是控制單元和電機(jī)助力系統(tǒng)的要求越來(lái)越細(xì)化和苛刻，不僅僅需要提高其可靠性，更需要保證高質(zhì)量，因此相應(yīng)的測(cè)試設(shè)備技術(shù)也需要不斷地演進(jìn)。本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制單元疲勞測(cè)試臺(tái)架提供了一種全新的試驗(yàn)思路、方法，能夠在真實(shí)的、更加復(fù)雜工況下對(duì)EPS ECU的可靠性和耐久性進(jìn)行研究。