電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)NVH特性數(shù)據(jù)采集與性能評價

楊金廣 蔣萍 于剛 張晴

文章編號：1671-3559（2024）03-0350-06DOI：10.13349/j.cnki.jdxbn.20240311.001

摘要： 針對汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)NVH特性數(shù)據(jù)存在多點位異步采樣誤差較大， 且選取性能評價依據(jù)單一的問題， 設(shè)計一種二十四通道NVH特性數(shù)據(jù)同步采集與多角度特性分析系統(tǒng)； 采用多個數(shù)據(jù)采集模塊聯(lián)結(jié)、 同步動態(tài)隨機(jī)存儲器讀寫、 高速串行計算機(jī)擴(kuò)展總線融合的方式， 實現(xiàn)二十四通道NVH特性數(shù)據(jù)的同步精確采集與快速傳輸； 從機(jī)械性能與聲振特性方面對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)NVH特性進(jìn)行多角度分析與評價。 結(jié)果表明， 與傳統(tǒng)測試方法相比， 所提方法可實現(xiàn)多點位同步高精度采樣與多角度信號時頻域分析， 每個通道數(shù)據(jù)采集速率可達(dá)200 kHz/s， 時頻域分析依據(jù)更豐富、 更全面。

關(guān)鍵詞： 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)； NVH特性； 數(shù)據(jù)采集； 性能評價

中圖分類號： TP29； U467

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

開放科學(xué)識別碼（OSID碼）：

Data Acquisition and Performance Evaluation of

NVH Characteristics of Electric Power Steering System

YANG Jinguanga， JIANG Pinga， b， YU Ganga， ZHANG Qingb

（a. School of Electrical Engineering， b. School of Information Science and Engineering，

University of Jinan， Jinan 250022， Shandong， China）

Abstract： To solve the problem that NVH characteristics data of automotive electric power steering system had a large multi-point asynchronous sampling error and the performance evaluation basis was single， a 24-channel synchronous data acquisition of NVH characteristics and multi-aspect characteristic analysis system was designed. By means of connecting multiple data acquisition modules， reading and writing by synchronous dynamic random-access memory， and fusing peripheral component interconnect express， the synchronous， accurate acquisition and fast transmission of 24-channel NVH characteristics data were realized. The NVH characteristics of electric power steering system were analyzed and evaluated from the aspects of mechanical property and noise and vibration characteristics. The results show that compared with the traditional test methods， the proposed method can realize multi-point synchronous high-precision sampling and multi-aspect signal time-frequency domain analysis， and the data acquisition rate of each channel can reach 200 kHz/s， and the time-frequency domain analysis basis is richer and more comprehensive.

Keywords： electric power steering system; NVH（noise-vibration-harshness） characteristics; data acquisition; performance evaluation

汽車的噪聲（noise）、 振動（vibration）和聲振粗糙度（harshness）統(tǒng)稱為汽車的NVH特性，是衡量現(xiàn)代汽車制造工藝水平的一個綜合性指標(biāo)。全球知名車輛品質(zhì)評價公司J.D.Power評估車輛質(zhì)量性能指

收稿日期： 2023-04-03????????? 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)時間：2024-03-11T15：02：04

基金項目： 國家自然科學(xué)基金項目（62271230）

第一作者簡介： 楊金廣（1998—），男，山東泰安人。碩士研究生，研究方向為智能信息處理。E-mail：2660166344@qq.com。

通信作者簡介： 蔣萍（1980—），女，山東菏澤人。教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向為智能信息處理。E-mail：cse_jiangp@ujn.edu.cn。

網(wǎng)絡(luò)首發(fā)地址： https：//link.cnki.net/urlid/37.1378.N.20240311.0949.002

標(biāo)中有近1/3的質(zhì)量要求與車輛的NVH特性直接相關(guān)［1］，汽車的NVH特性成為區(qū)分汽車品牌優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。汽車整車由多個復(fù)雜系統(tǒng)組成，且各個系統(tǒng)具有其獨特的NVH特征，整車NVH特性研究較為復(fù)雜，通常把整車NVH特性分成多個子系統(tǒng)分別進(jìn)行研究，主要集中在動力總成懸置NVH特性、 變速器振動噪聲、 制動振動噪聲等方面。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為汽車的轉(zhuǎn)向裝置，是車中距離駕駛者最近的噪聲源之一，在轉(zhuǎn)向時若產(chǎn)生異響或振動將嚴(yán)重影響駕駛者及乘客的乘坐舒適性，因此電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的NVH特性分析對于整車質(zhì)量性能評估具有重要意義。

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可追溯到1998年的鈴木Cervo輕型車， 至今已發(fā)展二十余年， 國內(nèi)外許多專家學(xué)者從不同角度對改善電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)NVH性能展開了相關(guān)研究。 Champagne［2］通過研究電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動與主觀額定值的相關(guān)性， 明確電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對方向盤振動的主觀反應(yīng)。 Ishii等［3］采用小波變換技術(shù)對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)械噪聲源進(jìn)行識別。 Besson等［4］建立非線性模型對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動態(tài)特性進(jìn)行研究。 Zeng等［5］基于MATLAB軟件對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行控制建模優(yōu)化及仿真。 Lennstrm等［6］給出了電動汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車內(nèi)噪聲聲學(xué)評價參量和聲學(xué)傳遞函數(shù)。 Freund等［7］建立電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型， 給出特征方程和振型的顯式表達(dá)式， 研究不同參數(shù)對固有頻率的影響。 Pietrusiak等［8］對存在沖擊或沖擊源問題的NVH進(jìn)行分析。 Wróbel等［9］采用有限元方法研究了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的噪聲和振動問題， 對NVH性能進(jìn)行了仿真研究。 曹瑞等［10］對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)共振頻率的測量和計算進(jìn)行了研究。 桑帥軍等［11］對某型電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行振動噪聲測試， 將測得的噪聲信號分頻段還原， 分析了產(chǎn)生異響的原因。 袁崇輝等［12］對汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了模態(tài)分析， 得出電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)力分布情況和固有頻率。 劉培培等［13］通過整車動力模型對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力特性進(jìn)行了研究。 李健等［14］對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的NVH性能進(jìn)行了仿真分析和試驗測試。 錢結(jié)苗［15］對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)噪聲部件的運轉(zhuǎn)規(guī)律進(jìn)行了研究。 夏薇等［16］研究了振動噪聲源對電動汽車NVH特性的影響規(guī)律。 于發(fā)加［17］提出了基于模糊控制的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制方法。

目前對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)NVH特性的研究主要集中在助力特性、動力學(xué)建模、 控制策略、 關(guān)鍵零部件等方面，分析方法多基于仿真數(shù)據(jù)或?qū)蛹鹦逗笾饌€點位依次采集，數(shù)據(jù)存在不完備、與實際數(shù)據(jù)偏差較大等問題，如采樣點位之間即使時間間隔較小，仍存在開始采樣時刻、 采樣時序不統(tǒng)一的問題，上述分析方法產(chǎn)生的誤差會對整個電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的NVH特性分析產(chǎn)生較大影響。另外，現(xiàn)有NVH特性分析方法多基于單一零部件的機(jī)械性能或聲振特性分析，不足以支撐電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)整體NVH性能評價。本文中設(shè)計一種適用于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的二十四通道NVH特性數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)，通過時頻域雙分析方法對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的NVH特性進(jìn)行性能評價，從而解決汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)NVH特性實驗存在多點位異步采樣誤差大，且選取性能評價依據(jù)單一等問題，對提升新能源汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)品質(zhì)，提高整車制造水平具有重要意義。

1? 數(shù)據(jù)采集點位布局

定義u1、 u2、 …、 up為測試部件，p可根據(jù)測試部件精度需求增加或刪減。本文定義p=6，其中u1為方向盤，u2為轉(zhuǎn)向管柱，u3為萬向節(jié)，u4為電動助力電機(jī)，u5為轉(zhuǎn)向器，u6為電子控制單元。其中電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及測試點位如圖1所示，共20個點位，取其20%作為通道裕量，共計24個采集通道。

所采集的NVH特性數(shù)據(jù)包括聲振數(shù)據(jù)（噪聲、 振動）、 機(jī)械數(shù)據(jù)（固有頻率、 逆向載荷、 輸入-輸出扭矩間隙檢測）等， 其中， 聲振數(shù)據(jù)表征電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)NVH品質(zhì)， 機(jī)械數(shù)據(jù)表征電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)合格性， 若樣件不合格則無法進(jìn)行NVH特性實驗。

由于測試點位較多，因此本文中選擇轉(zhuǎn)向管柱帶中間軸的間隙檢測扭矩特性作為機(jī)械性能分析數(shù)據(jù)，選擇電動助力電機(jī)聲學(xué)特性作為聲振特性分析數(shù)據(jù)，對應(yīng)圖1中的15、 20點位，其他點位分析方法與之類似。

1.1? 間隙檢測扭矩特性

轉(zhuǎn)向管柱帶中間軸間隙檢測扭矩特性輸出軸端安裝力矩傳導(dǎo)齒輪，扭矩傳感器連接相同力矩傳導(dǎo)齒輪且尾端固定，傳導(dǎo)齒輪相互嚙合。設(shè)定不同車速信號，完成“中—左—右—中—右—中”的扭矩輸入，記錄輸入扭矩與輸出扭矩關(guān)系曲線，此測試點位于轉(zhuǎn)向管柱末端，實現(xiàn)非拆卸測量，通過齒輪傳動實現(xiàn)輸出力矩數(shù)據(jù)采集。

由式（1）赫茲公式可得到齒輪在整個嚙合過程中齒面接觸應(yīng)力σh變化的解析解，進(jìn)而求得轉(zhuǎn)換后的扭矩。比較實際輸出力矩與理論結(jié)果，繪制間隙檢測扭矩特性曲線。

σh=

Fn1ρ1±1ρ2πL1-μ21E1+1-μ22E2 ，（1）

式中： σh為接觸應(yīng)力； Fn為法向力； L為接觸線長度； ρ1、 ρ2為2個齒廓在節(jié)點處的曲率半徑，取ρ1=ρ2； E1、 E2為2個齒輪材料的彈性模量； μ1、 μ2為2個齒輪材料的泊松比。

1.2? 電動助力電機(jī)聲學(xué)特性

電動助力電機(jī)噪聲測試點位于電動助力電機(jī)殼體上方，設(shè)置不同車速信號，對采集到的信號進(jìn)行時頻域分析，找出由內(nèi)部齒輪在嚙合傳動中所產(chǎn)生的振動激勵引起的中高頻嘯叫噪聲，并得出電動助力電機(jī)聲學(xué)特性的頻率范圍，確定電動助力電機(jī)齒輪嚙合是否合理。

2? 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)NVH特性數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖2所示，系統(tǒng)由采集端與現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（field programmable gate array，F(xiàn)PGA）主板組成。

采集端由數(shù)據(jù)采集模塊（本文中選用雙通道24位同步采集芯片PCM4220）、 時鐘晶振、 電源等組成，實現(xiàn)NVH數(shù)據(jù)的采集。FPGA主板由同步動態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存（synchronous dynamic random access memory，SDRAM）讀寫模塊、 高速串行計算機(jī)擴(kuò)展總線標(biāo)準(zhǔn)（peripheral component interconnect express，PCIe）數(shù)據(jù)傳輸模塊、 時鐘模塊等組成，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的邏輯控制和指令輸出。

FPGA—現(xiàn)場可編程邏輯門陣列； PCIe—高速串行計算機(jī)擴(kuò)展總線標(biāo)準(zhǔn)； IP—知識產(chǎn)權(quán)。

圖2? 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)NVH特性數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1? 數(shù)據(jù)采集端設(shè)計

本文中設(shè)計的NVH特性數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為二十四通道同步24位高速采集，采用12個數(shù)據(jù)采集模塊并聯(lián)且共用位時鐘與幀時鐘的方式實現(xiàn)二十四通道同步采集，其中模塊1—4、 5—8、 9—12分別構(gòu)成采集子模塊Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ。

由于采集的NVH特性信號源是浮動的，因此采用偽差分連接方式，每個信道時隙長32位，時隙中有24位數(shù)據(jù)左對齊，音頻數(shù)據(jù)首先為最高有效位，每個數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)備的子幀分配由相應(yīng)的引腳設(shè)置選擇。

2.2? 數(shù)據(jù)濾波處理

本文中采用π型的電阻-電容（RC）濾波方法濾除環(huán)境對硬件采集系統(tǒng)的干擾， 采用巴特沃斯濾波對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)NVH特性數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波， n階巴特沃斯低通濾波器的增益G（ω）如式（2）所示。

G2（ω）=H（jω）2=G201+ω/ωc2n ，（2）

式中： H（jω）為巴特沃斯濾波器的傳遞函數(shù)； G0為直流增益； ω為拉普拉斯變換的復(fù)頻域變量； ωc為截止頻率。

2.3? 數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)設(shè)計

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)NVH特性數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)如圖3所示。 采集的NVH特性數(shù)據(jù)通過SDRAM寫操作緩存到FPGA， 采集端與SDRAM寫操作共用頻率為200 kHz的時鐘和同步信號。 緩存的NVH特性數(shù)據(jù)通過SDRAM讀操作和PCIe總線高速傳輸?shù)椒治龆耍?PCIe數(shù)據(jù)傳輸模塊與SDRAM讀操作共用頻率為50 kHz的時鐘和同步信號， 其中分析端通過PCIe接口與PCIe數(shù)據(jù)傳輸模塊連接。

FPGA—現(xiàn)場可編程邏輯門陣列； SDRAM—同步動態(tài)

隨機(jī)存取內(nèi)存； PCIe—高速串行計算機(jī)擴(kuò)展總線標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.1? 數(shù)據(jù)SDRAM讀寫模塊設(shè)計

對采集到的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)NVH特性數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作需要用到高級可擴(kuò)展總線接口，該接口由讀地址、 讀數(shù)據(jù)、 寫地址、 寫數(shù)據(jù)、 寫響應(yīng)5個獨立的通道構(gòu)成。NVH特性數(shù)據(jù)寫傳輸用到寫地址、 寫數(shù)據(jù)、 寫響應(yīng)3個通道，主機(jī)在寫地址通道給出寫地址和控制信號，然后在寫數(shù)據(jù)通道連續(xù)突發(fā)寫4個數(shù)據(jù)，從機(jī)在接收數(shù)據(jù)之后，在寫響應(yīng)通道給出響應(yīng)信號。數(shù)據(jù)讀傳輸原理亦然。

NVH特性數(shù)據(jù)的寫入存儲和讀取發(fā)送流程如圖4所示。 對于讀寫數(shù)據(jù)操作， 接收開始指令后， FPGA為讀寫數(shù)據(jù)配置參數(shù)， 等待高級可擴(kuò)展總線主機(jī)讀寫數(shù)據(jù)模塊已準(zhǔn)備的響應(yīng)，F(xiàn)PGA收到響應(yīng)后， 配置工作模式、 采樣時鐘頻率等參數(shù)。 對于寫數(shù)據(jù)操作， 首先清空SDRAM內(nèi)存， 發(fā)送同步信號至采集端， 通過高級可擴(kuò)展總線接口將采集數(shù)據(jù)寫入FPGA， 解析數(shù)據(jù)后緩存至SDRAM中。 對于讀數(shù)據(jù)操作， FPGA發(fā)送同步信號至PCIe傳輸模塊， 接收同步信號后， 高級可擴(kuò)展總線接口進(jìn)行讀操作， 并將讀取的緩存數(shù)據(jù)通過PCIe總線傳輸給上位機(jī)。

SDRAM—同步動態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存；

PCIe—高速串行計算機(jī)擴(kuò)展總線標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.2? 數(shù)據(jù)PCIe傳輸模塊設(shè)計

NVH特性數(shù)據(jù)通過PCIe數(shù)據(jù)傳輸模塊從FPGA主板傳輸?shù)缴衔粰C(jī)分析端，模塊由PCIe總線、PCIe工作站、PCIe連接器等組成，實現(xiàn)NVH數(shù)據(jù)的高速率傳輸。

圖5為PCIe數(shù)據(jù)傳輸流程圖。由圖可知，上位機(jī)檢測到PCIe設(shè)備后，在上位機(jī)分析端選擇對應(yīng)通道數(shù)，此時會開辟相應(yīng)數(shù)量通道的緩存區(qū)，之后開啟33 ms定時器，最終通過PCIe讀取數(shù)據(jù)顯示到上位機(jī)窗口。

3? 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)NVH性能評價

3.1? 機(jī)械性能

選取點位15作為機(jī)械性能測試點。由于轉(zhuǎn)向管柱底端與萬向節(jié)連接不便拆卸，因此轉(zhuǎn)向管柱扭矩信號通過雙齒輪嚙合方式傳導(dǎo)。扭矩傳感器前端連接從動扭矩傳導(dǎo)齒輪中心軸，后端處于固定狀態(tài)，為了不影響雙齒輪嚙合運動，扭矩傳感器線束從外側(cè)引出。

點位15的轉(zhuǎn)向管柱末端間隙檢測扭矩特性曲線如圖6所示，其中間隙值等于左極限點橫坐標(biāo)絕對值與右極限點橫坐標(biāo)絕對值之和，由此可以得到點位15的機(jī)械性能的間隙檢測扭矩特性參數(shù)，判斷樣件是否可以進(jìn)行后續(xù)NVH特性實驗。

3.2? 聲振特性

選取點位20作為聲振特性測試點。該點位數(shù)據(jù)對電動助力電機(jī)嘯叫進(jìn)行診斷，采用TA143型三軸加速度計，點位20的電動助力電機(jī)殼體上方聲振特性數(shù)據(jù)曲線如圖7所示。通過該曲線可以直觀地理解電動助力電機(jī)聲振特性數(shù)據(jù)的變化趨勢。

選取點位20的電動助力電機(jī)殼體上方聲振特性數(shù)據(jù)的8～10 s電機(jī)無嘯叫區(qū)域，對該區(qū)域進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT），F(xiàn)FT變換結(jié)果如圖8所示。從圖中可以看到，各頻率的振幅分布相對平緩，不存在嘯叫尖峰。

選取點位20的電動助力電機(jī)殼體上方聲振特性數(shù)據(jù)的14～16 s電機(jī)存在嘯叫區(qū)域，對該區(qū)域進(jìn)行FFT變換，F(xiàn)FT變換結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看到，在600～1 400 Hz頻段內(nèi)的振幅分布較為陡峭，存在嘯叫尖峰。

回放音頻并觀看頻譜圖， 得出在嘯叫聲音存在時， 在頻率600～1 400 Hz處存在一個尖峰， 無嘯叫時， 不存在尖峰。 為了驗證600～1 400 Hz頻段存在訴求的嘯叫， 使用帶阻濾波， 過濾掉頻率600～1 400 Hz的聲音， 600～1 400 Hz頻段帶阻濾波結(jié)果

如圖10所示，由圖可以看出，600～1 400 Hz的頻率成分被完全過濾掉?；胤藕笳麄€音頻沒有聽到嘯叫，確認(rèn)嘯叫存在于600～1 400 Hz頻段，得出電動助力電機(jī)存在嘯叫時的聲振特性，找出由內(nèi)部齒輪在嚙合傳動中所產(chǎn)生的振動激勵引起的中高頻嘯叫噪聲并得出其頻率范圍。

4? 結(jié)論

本文中提出一種電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)NVH特性數(shù)據(jù)采集與性能評價方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)NVH特性數(shù)據(jù)的二十四通道同步24位高速采集和多角度特性進(jìn)行分析，能對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)NVH特性進(jìn)行有效的性能評估與改善。實驗結(jié)果表明，該方法在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)NVH特性數(shù)據(jù)同步采集與性能評價方面具有適用性，與傳統(tǒng)測試方法相比，該方法可實現(xiàn)多點位同步高精度采樣與多角度信號時頻域分析，每個通道數(shù)據(jù)采集速率可達(dá)200 kHz/s，時頻域分析依據(jù)更豐富、更全面。

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（責(zé)任編輯：劉建亭）