汽車電動助力轉向器性能試驗臺測控系統設計

鄧娥 趙燕 呂旺

（武漢理工大學）

電動助力轉向系統（EPS）是一種直接依靠電機提供輔助扭矩的新型動力轉向系統[1]。EPS 作為汽車的一個非常重要組成部分，其綜合性能關系著整個汽車的性能質量，同時又是維持汽車平穩、安全與可靠行駛能力的基本保障[1-3]。因此，研制精確度高且實時性好的EPS 試驗臺，對保障EPS 的性能有重要意義。文章設計了汽車EPS性能試驗臺測控系統，通過模擬汽車轉向時EPS 的工作狀態，并在此狀態下測試EPS 的各項性能指標。

1 EPS性能試驗臺硬件設計

根據國家標準《汽車電動助力轉向裝置技術條件與臺架試驗方法》（討論稿）的要求，文章設計的EPS 綜合性能試驗臺測控系統主要針對管柱式EPS 和小齒輪EPS，其總體設計框圖，如圖1 所示。

1.1 臺架部分

臺架部分主要作用：1）模擬汽車行駛的各種路面情況，模擬地面阻力；2）產生各種EPS 的輸入信號，包括方向盤輸入轉矩、車速及發動機信號等。試驗臺的臺架部分包括轉向盤加載、地面阻力加載、工裝夾具部分以及反向沖擊部分。

1）轉向盤加載機構。該機構主要模擬駕駛員在轉向時的手力大小[4]，設計采用伺服電機給EPS 轉向軸提供轉向力矩，用行星齒輪減速機傳遞并放大伺服電機的輸出扭矩，電機與減速機之間用波紋管聯軸器連接，轉向盤加載機構的最大輸出扭矩為50 N·m，最大驅動轉速為150 r/min。

2）地面阻力加載機構。該機構主要模擬汽車在不同工況下行駛的地面阻力[5]，主要由伺服電機、行星齒輪減速機、波紋管聯軸器及轉矩傳感器組成。設計中，地面阻力加載機構的最大輸出扭矩為100 N·m，最大驅動轉速為150 r/min。

3）反向沖擊部分。該部分主要作用是模擬汽車EPS 在經受逆向扭矩沖擊時的情況。反向沖擊部分的高度可以自由調節，通過更換沖擊錘的質量來改變沖擊量，模擬不同的逆向扭矩沖擊，以此適應不同型號的EPS 樣機。沖擊部分采用自動控制，電動機提供動力使沖擊錘運行到最高點，然后電機停止工作，沖擊錘自由落體；同時，沖擊部分具有安全防護裝置，沖擊塊與輸出加載部分由離合器連接，通過控制離合器的通斷來控制沖擊錘的沖擊方向，避免試驗時沖擊力對試驗臺其它部分的沖擊，造成不必要的損壞。

1.2 電氣控制部分

電氣控制部分的設計采用模塊化設計思想，主要包括信號調理板、A/D 接口模板、I/O 接口模板、運動控制卡及3 軸伺服電機驅動電路。采用交直流電路分開布線，強弱電間電氣隔離，EPS 試驗臺與被測EPS 樣機之間用航空插頭連接，所用各種傳感器及變送器均采用直流線性電源供電，以此減小電源波動系數過大對測量精度的影響。EPS 試驗臺電路控制部分框圖，如圖2 所示。

EPS 的各種測試信號（包括EPS 吸收電流、助力電機馬達電流、轉向盤輸入扭矩及輸出軸轉向扭矩等）經過信號調理單元進行初步處理，光隔A/D 接口模板將輸入信號由模擬量轉換為數字量輸入到工業控制機，工控機經過分析處理運算之后，得到各種輸出指令控制各部分單元的工作。如：通過控制繼電器和接觸器的通斷來控制加載機構、沖擊機構和夾緊機構的動作，通過運動控制卡來控制3 軸伺服電機轉動力矩的大小和轉動方向。

2 EPS性能試驗臺軟件設計

在LabVEIW 開發平臺上采用“自頂而下，逐層細分”的模塊化設計思想進行軟件設計。測試軟件主要包括數據采集模塊（數據讀取、數據存儲及數據顯示）、信號發生模塊、控制信號輸出模塊和數據分析處理模塊（數字濾波、數據平滑處理、相關分析及傅里葉分析）。試驗臺系統電源開啟后，首先進行參數設置，如車速大小、輸入軸、輸出軸加載大小及采樣頻率設置等。參數設置完成后，試驗臺將處于正常工作狀態，車速、輸入軸轉向扭矩及輸出軸阻力矩等信號，同時產生發動機電流信號。然后數據采集模塊將各種EPS 測試信號傳遞到計算機數據分析處理模塊，進行數據預處理以及二次處理操作。經處理的結果將由計算機保存并輸出至各執行機構，控制系統各部件的工作，顯示器顯示測試曲線結果。

2.1 數據采集模塊

試驗臺系統采用某公司的數據采集卡，系統軟件采用多線程編程思想以及DAQ 數據采集顯示。存儲分別為2 個不同的線程，一個負責EPS 各輸入模擬信號的采集，另一個負責采集數據的存儲。數據采集的過程主要包括DAQ 函數的安裝、參數設置、板卡測試、數據讀取以及數據存儲和顯示。采集的主要信號有EPS 的吸收電流、靜態電流、驅動電機的發動機電流、發動機、輸入軸轉角、輸入軸方向盤轉矩、輸出軸阻力轉矩及車速信號8 個模擬輸入信號。數據采集前面板界面，如圖3 所示。

2.2 信號發生模塊

采用LabVIEW 自帶信號生成的函數模塊中的子VI 來產生車速信號及發動機信號，在生成車速信號的過程當中，首先設計車速信號轉換為方波頻率的子VI，使得在前面板中輸入一個大小恒定的車速信號，對應轉換一個車速信號成為一定關系的頻率信號。同時根據數據采集卡的電壓工作范圍（-10～10）V，設置方波的幅值為5.0 V，占空比為50，采樣數為128 點，從而得到車速信號。

2.3 信號分析處理模塊

對于采集到的信號運用中值濾波法對其進行預處理，采樣后的數據在傳遞的過程中可能疊加各種噪聲，因此采用加權平均法平滑處理采樣數據。EPS 系統的檢測信號均為時域信號，應在時域范圍內對信號的波形、幅值及與幅值相關的統計特性等進行分析，在數據二次處理時主要進行時域內的相關性分析。利用Lab-VIEW 里提供的FFT 頻譜VI 得到車速信號與轉矩信號的顯示前面板界面，如圖4 所示。

2.4 信號輸出模塊

信號經過數據分析處理模塊后，需要根據車速、輸入軸方向盤轉矩及輸出軸轉矩等信號得到目標控制電流，并將此信號作為輸出信號，為EPS 的輸入軸伺服電機、各繼電器、EPS 離合器及輸出軸伺服電機提供激勵，因此需要系統軟件設計輸出模塊，將內部的數字信號轉換為模擬輸出信號傳遞給試驗臺的執行機構。

經過數據分析處理后的數據沿著輸出模塊創建的模擬輸入通道進行傳遞，DAQmx Write 寫入模塊對其進行連續采樣寫入。當輸出各環節都不出錯時，控制信號波形進行連續輸出，控制試驗臺進行工況轉換。

3 測試結果

試驗臺搭建成功后主要做了輸入扭矩/吸收電流曲線試驗和輸入/輸出扭矩特性試驗，并對上述典型試驗項目所得的數據進行分析以評價試驗臺的整體性能。試驗方法：輸入軸連接好，輸出軸固定，汽車點火開關處于開啟狀態，電源電壓為（12.5±0.5）V，發動機信號開啟，車速信號為0，以（1±0.05）（°）/s 的轉速順時針轉動輸入軸，直到達到（15±0.3）N·m 的力矩時，以同樣的速度反轉回到初始位置后，再以相同的速度逆時針轉動輸入軸，直到達到（-15±0.3）N·m 的力矩。車速信號按照40，80，120 km/h 變化，其余信號不變，按照以上車速重復上述運動，并記錄數據。得出輸入扭矩/吸收電流特性曲線，如圖5 所示，輸出曲線，如圖6 所示。

由圖5 可知，車速從0～120 km/h 變換的過程中，EPS 助力電機的發電機電流隨之減小，發電機電流與助力系統的助力成正比，說明汽車在低速下轉向時，所需的助力較大；而在高速下轉向時，需要的助力減少，此時需要保持汽車轉向的手感。因此得出結論：EPS 輸入扭矩/發電機電流特性試驗設計標準，同時也驗證了試驗臺系統設計的正確性。

圖6 中，輸出軸扭矩即為阻力矩，輸入軸扭矩則為助力扭矩與方向盤力矩之和。1，3 區間曲線分別為方向盤正轉和反轉時輸入扭矩隨輸出扭矩的變化曲線。由圖6 可知，當輸出軸扭矩增加時，輸入軸扭矩相應增大，此時助力電機助力電流較大，提供較大的助力，因此能提高轉向的輕便性。而當輸入扭矩＞7 N·m 時，助力電機的輸出電流基本維持不變，即此時電機助力基本維持不變。當輸出扭矩稍微增加時，輸入軸將快速增大，即方向盤力矩將快速增加，以保持汽車轉向時的穩定性。

4 結論

經過對EPS 系統總成臺架試驗，可以看到試驗臺系統的軟硬件設計符合設計規范，其精度及實時性基本能達到設計標準，這將為汽車EPS 及其試驗臺系統的研究提供一定的參考依據。但由于汽車行駛的過程中路面情況較為復雜，其真實路況路譜數據難以在試驗臺上完美呈現，雖然文章采用伺服電機來模擬地面助力情況，與汽車行駛真實路況相比還存在一定差距。此外，文章主要采用實驗手段來得到汽車EPS 的性能數據，若能結合實車測試對EPS 系統進行全方位的測試，提出更全面及合理的汽車EPS 性能評價體系，將為汽車EPS 的性能研究提供更加準確的數據保證。