轉向系統中間軸耐久性測試機控制系統研發

林礪宗，韓 帥，陳建峰，黃 超，周永欣

LIN Li-zong, HAN Shuai, CHEN Jian-feng, HUANG Chao, ZHOU Yong-xin

（華東理工大學 機械與動力工程學院，上海 200237）

0 引言

相比較傳統的機械轉向系統、液壓轉向系統，電動助力轉向系統（Electric Power Steering System，EPS）具有節能環保、布置靈活、性能拓展性強等優點，在各級別乘用車中應用普遍[1,2]。且具備完全取代傳統液壓助力轉向系統的趨勢[3]?，F今乘用車一般所用電動助力轉向系統為管柱式電動助力轉向系統（Column type Electric Power Steering，C-EPS）[4]，但在實際使用中其中間軸比較容易出現失效而對人的生命安全產生重大的威脅[5]。汽車設計和制造缺陷是影響汽車安全的重要因素，我國法律要求汽車制造商以召回的方式消除缺陷[6]。

2012年3月，東南（福建）汽車工業有限公司決定召回2008年6月4日至2012年1月5日期間生產的三菱君閣，共計7127輛。召回原因：轉向柱中間軸在生產過程中焊接不良，導致中間軸和轉向柱焊接強度不足，車輛在極端行駛情況下，該焊接處存在開裂的隱患，影響車輛正常行駛。極端情況，有可能導致轉向操控失效。

2012年12月，四川一汽豐田汽車有限公司長春豐越公司、豐田汽車（中國）投資有限公司決定召回部分缺陷汽車，共計3833輛。召回原因：由于車輛轉向裝置中連接方向盤與轉向機的零件（中間軸）的齒形花鍵強度不足。如果在低速行駛中重復強力打滿舵，零件的連接部位會發生松動。

由此可以看出對C-EPS中間軸進行耐久性測試具有重大的意義，但國內企業并沒有對這方面測試技術給予足夠的重視，也很少有相關的研究人員對其進行研究，并生產制造相應的測試設備。這主要因為在對中間軸進行測試時需要高頻率大位移的來回運動，而國內這方面的技術并不成熟。

圖1 中間軸結構

1 硬件部分

中間軸通常由一對可滑動的內、外軸和兩個十字軸萬向節組成，如圖1所示。

1.1 測試機結構

測試機分為兩個工位，工位A和工位B，內軸部分經過萬向節和夾具固定在基座1上，外軸部分經過萬向節和夾具固定在伸縮缸上，伸縮缸和伺服電機組成一個整體定位于基座2之上，由此通過伺服電機的旋轉動作即能帶動外軸部分進行高頻率大位移的伸縮動作，進行中間軸的耐久性測試，如圖2所示。整套設備固定于底座上保證整個系統的穩定，可靠。機器上輔助器件有原點傳感器，平恒桿，拉壓力傳感器等，分別用于機器回機械原點，保證中間軸的平恒和實時壓力的顯示。

圖2 測試機結構

1.2 電機選型計算

依據測試設備的要求，要滿足測試機對中間軸進行高頻率大位移的耐久性測試，對電機的選型至關重要。結合絲杠以及其他設備的一些相關參數和計算，對試驗臺電機的選型計算作如下處理。已知條件如表1所示，計算公式及結果如表2所示。

表1 實驗測試已知參數

根據以上計算結果，我們選擇了性能良好的交流伺服電機，電機的額定角加速度為31000rad/s2，額定扭矩2.39N.m，加速度314rad/s2，同時該電機從啟動到達到最大角速度的時間為0.01s。設備在實際運行中發現，所選電機完全滿足要求。

1.3 控制系統硬件

工作臺的控制系統采用工控機與運動控制器相結合的模式。運動控制器采用一種可編程的運動控制卡，它是用脈沖輸出的方式，對伺服控制器進行位置控制，實現多軸聯動，以滿足實驗測試機的要求。其功能還包括脈沖計數、數字輸入、數字輸出以及模擬量輸入。它可以發出連續的、高頻率的脈沖串，通過改變發出脈沖的頻率來控制電機的速度，改變發出脈沖的數量來控制電機的位置，它的脈沖輸出模式包括脈沖/方向、正負脈沖方式。脈沖計數可用于編碼器的位置反饋，提供機器準確的位置，糾正傳動過程中產生的誤差。專用數字輸入/輸出口可用于限位、原點開關的控制，通用數字輸入/輸出口用于控制一些開關量，以實現加工中的一些輔助功能。

表2 計算公式及結果

在控制系統的設計方案中，PC機和運動控制卡構成主從式控制結構。當運動控制卡接收PC機的運動命令后，把命令轉換成與運動參數相關的一定頻率脈沖串，來控制交流伺服驅動器，這些脈沖經過伺服控制器處理后驅動電機，使電機按照相應的頻率運行至目標位置。運動控制系統結構圖如圖3所示。

圖3 運動控制系統結構圖

2 軟件部分

2.1 理論基礎

系統采用的是位置控制方式。位置控制器的作用是通過比較設定的目標位置與電機的實際位置，產生電機的速度指令并使電機準確定位和跟蹤。

在本工作臺中，為了提高測試效率，有時需要兩個工位同步工作。所以，當需要兩工位同步運動時，將A工位設置為主工位，B工位設置為從動工位跟隨主工位A的運動。

主工位A的運動模式采用的是PT（位置和時間）模式，PT模式非常靈活，能夠實現任意速度規劃，可以用輸入的位置和時間參數來描述運動規律。該模式使用一系列“位置、時間”數據點描述速度規劃。例如現在將速度曲線分割成5段，如圖4所示。

圖4 4PT模式運動圖解

整個速度曲線被分成5段，第一段起點速度為0，經過時間T1運動位移P1，因此第一段的終點速度為第二段起點的速度為v1，經過時間T 2 運動位移P 2，因此第2 段的終點速度為第3、4、5段以此類推。我們只需要給出每段所需的時間和位移，運動控制器會算出計算段內各點的速度和位移，生成一條光滑的速度曲線。為了得到光滑的速度曲線，可以增加速度曲線的分割段數。一次完整的PT運動，第一段的起點位置和時間被設定為0，各段的終點的位置和時間都是相對于第一段的起點的絕對值。位置的單位是脈沖，時間的單位是毫秒。

為了將B工位的運動跟A工位的運動同步，本文中將B工位設置為電子齒輪模式。電子齒輪模式可以將2工位或者多工位聯系起來，實現精確的同步運動，從而替代傳統的機械齒輪連接。同時電子齒輪模式能夠靈活的設置傳動比，節省機械系統的安裝時間。在該模式下，一個主軸可以驅動多個從軸，從軸可以跟隨主軸的規劃位置以及編碼器位置。

當B工位單獨進行運動時，B工位的運動模式也采用PT模式。

由于要使得各個工位的運動路徑為正弦波形，同時速度又需要滿足要求，在本文中采取將每個周期的正弦波形分成40段。如圖5所示，一個周期T等分為40份，所以t=T/40，由此構成一個周期的運動序列。

式中Pi為運動控制器PT模式中的Position，Ti'為運動控制器運動PT模式中的Time，A為振幅，i為(0～40)（每個周期的分割段數），t為周期的1/40。計算過程軟件代碼如下：

圖5 正弦曲線位移分割

圖6 擬合后曲線

為了驗證本文中采用的分割方法與理想條件的誤差，現以振幅為3mm頻率為5Hz為例對一個周期進行分析。在此分析中將一個周期按時間等分為40份。所得時間與位移均保留16位小數以OriginPro8畫出折線圖，并以方程y=y0+A×sin(pi×(x-xc)/w)對折線進行非線性擬合[7]，所得結果如圖6所示，黑色小方塊為41個獨立的點，紅線為擬合后的正弦曲線。因為分析曲線的振幅為3mm頻率為5Hz，所以原曲線方程為y=A×sin(x×pi/100)，經過擬合所得曲線方程為：y=(1.33694E-16)+3×sin(pi(x+(2.66454E-15)/100)參數及標準誤差如圖7所示。而41個點相對于曲線所形成的誤差如圖8所示，從圖中可以看出誤差絕對值小于5.00E-0.15完全能滿足測試的要求。

圖7 擬合結果參數

圖8 變量殘余

圖9 參數設置界面

2.2 參數設置及實現

中間軸的耐久性測試過程分為多個Loop，每個loop包含多個Step。軟件實現如圖9所示。本機可以設置多達65535個Loop，每個Loop可以由65535個Step組成，每個Loop的循環次數最高可達231次。而在對Loop中Step設置中可以對Step進行循環次數設定，最高次數可達32767次。

Step最高頻率可達15Hz，最大位移為10mm。因為頻率越高時位移越小，經過對實際機器測試，對參數的設置必須做如下的限制：

1～5Hz最大位移10mm；

6～9Hz最大位移8mm；

10～12Hz最大位移5mm；

13～15Hz最大位移2mm。

當參數設置好后，把參數保存入數據庫，而在運動過程中將先對參數進行如上一節所述的計算，而后通過軟件寫入運動控制器中開始運動。

2.3 軟件結構及流程

上位機選用通用操作系統Windows XP作為開發平臺，該平臺支持豐富的軟件開發工具，采用模塊化的軟件設計方法，利用VC++6.0編寫上位機控制程序。其主要包括初始化模塊，設置模塊，狀態顯示模塊等，初始化模塊包括軟件初始化，運動控制器初始化；設置模塊包括參數修改及運動工位選??；顯示模塊包括測試過程中運動狀態顯示，實時運動波形顯示，以及實時拉/壓力波形顯示等。具體控制流程如圖10所示。

圖10 程序流程圖解

2.4 軟件界面及功能簡介

軟件界面分為運動工位選取區，Loop設置區，運動曲線顯示區，執行狀態顯示區，Step設置區，壓力狀態顯示區，功能區。

運動工位的選取區：可以單獨選擇A工位或B工位也可以同時選擇。

Loop設置區：軟件可以設置65535個Loop，每個Loop中可以設置65535個STEP。

運動曲線顯示區：可以顯示當前運動中的正弦曲線波形并提示當前運動幅度和運動頻率；執行狀態顯示區：顯示當前運動的Step及Loop，以及當前的運動次數。

圖11 程序界面及功能

Step設置區：設置每一個Step的振幅，頻率，及相應的執行次數，最大設置振幅為5mm，最高設置頻率為15Hz。

拉/壓力狀態顯示區：顯示當前中間軸所受到的拉/壓力，并以波形顯示。

功能區：此區包括對設置數據庫的保存及對實驗結果的報表導出，運動的回零，開始，停止及暫停等。

3 結束語

汽車中間軸測試系統已經于2013年12月設計安裝完成并交付生產使用，完成了多種型號的汽車中間軸多次的試驗檢測，目前機器運行正常，功能完善，測試數據準確，操作簡便，可靠性高，為工廠的生產發展提供了有力的監測手段。

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