液壓助力轉向泵模擬加載裝置測控系統開發

牟一今， 滕勤， 溫吉輝， 王善強

(1.合肥工業大學機械與汽車工程學院， 安徽 合肥 230009； 2.安徽江淮汽車股份有限公司技術中心， 安徽 合肥 230601)

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·測試與診斷·

液壓助力轉向泵模擬加載裝置測控系統開發

牟一今1， 滕勤1， 溫吉輝1， 王善強2

(1.合肥工業大學機械與汽車工程學院， 安徽 合肥 230009； 2.安徽江淮汽車股份有限公司技術中心， 安徽 合肥 230601)

為了在發動機臺架試驗中能夠按照試驗規范控制液壓助力轉向泵的載荷，研制了轉向泵模擬加載裝置測控系統。該系統由基于16位微控制器的測控單元、伺服驅動器和工控機組成，利用以太網實現上、下位機通信，實時測量油壓、油溫和轉向阻力等參數，根據獲取的發動機臺架控制系統試驗開始標志來保持時間同步，通過控制機械轉向器的轉角來調節轉向泵的載荷。試驗結果表明，測控系統完全滿足發動機試驗中對轉向泵連續加載要求。

發動機； 液壓助力轉向泵； 加載裝置； 測控系統

液壓助力轉向泵為汽車助力轉向系統提供動力，由發動機曲軸通過皮帶驅動。實際工作時，轉向泵對發動機施加不規則變化的負載，直接影響發動機的可靠性，嚴重時將導致發動機曲軸前端斷裂和前罩殼出現裂紋[1-2]。傳統的發動機臺架試驗由于受臺架硬件的限制，轉向泵一般處于空載狀態，試驗條件與發動機實際工作狀況存在差異。隨著對發動機可靠性要求的不斷提高，需要在發動機耐久性(特別是交變載荷)試驗中使轉向泵帶載運行，因此，需要單獨開發一套轉向泵模擬加載裝置及其相應的測控系統。

轉向泵模擬加載通常利用各種控制閥調節泵輸出端油壓來實現，按照試驗規范在發動機不同的穩態工況點施加周期性載荷或恒定載荷。陳翠翠等提出了一種液壓泵交變加載方案，由設置在高壓油路上的直動式比例溢流閥來產生轉向泵阻力，利用時間繼電器控制電磁三通閥切換高、低壓油路，形成恒定頻率和幅值的沖擊載荷[3]。盧洪泉提出一種轉向泵模擬加載方案，上位機實時監測泵轉速、油壓和油溫，利用PLC分別控制電磁換向閥和電液比例溢流閥，開環控制交變載荷頻率和幅值，閉環控制恒定載荷壓力[1,4-5]。王雷鳴等提出一種轉向泵輸出壓力幅值分級調節的加載方案，加載單元由一個電磁閥和一個調壓閥組成，根據發動機工況，臺架控制系統控制油路在4個加載單元之間切換，得到不同的轉向泵輸出壓力。智能控制儀表通過比例開度閥控制液壓油冷卻器的水流量以控制油溫[6]。杜瑋珂等提出一種轉向泵載荷連續可調的方案，電控箱監測油壓和油溫并控制壓力控制閥，實現轉向泵加減載和保持設定的壓力，帶有板式熱交換器的冷卻系統通過電磁閥控制冷卻水流量，以保持規定的液壓油溫度[7]。

為了使液壓助力轉向泵加載試驗更貼近整車真實運行狀況，并能夠按照試驗規范與發動機臺架控制系統協同工作，實現轉向泵壓力的同步連續調節，本研究基于自行研制的轉向泵模擬加載裝置開發了相應的測控系統。

1 系統基本結構

1.1 轉向泵模擬加載裝置

轉向泵模擬加載裝置由直流伺服電機、減速器、動力轉向系統、阻力彈簧、冷卻器和測控系統組成(見圖1)。

系統采用產品汽車上的整體式動力轉向器，由齒輪齒條式機械轉向器、控制閥、動力缸和轉向橫拉桿組成。伺服電機通過行星減速器和萬向節驅動轉向器轉向軸旋轉，模擬駕駛員的轉向動作。橫拉桿的一端安裝有阻力彈簧，用于模擬車輪轉向阻力。當電機驅動轉向軸旋轉一定角度時，彈簧對橫拉桿施加相應的阻力，轉向泵需提供相應的輸出油壓，使動力缸活塞兩端壓差產生的推力與阻力平衡。通過控制轉向軸的旋轉角，使彈簧產生不同的阻力，即可控制轉向泵輸出不同的壓力，從而調節轉向泵的載荷。冷卻液經熱交換器帶走液壓油熱量，確保油溫保持在合理范圍內，冷卻速率通過管路閥門的開度來調節。在轉向泵輸出油路上安裝壓力和溫度傳感器，用于測量油壓和油溫。橫拉桿上安裝拉壓力傳感器，用于測量轉向阻力。限位開關用于保證轉向橫拉桿不超出極限位置。

1.2 測控系統

如圖2所示，測控系統由傳感器、前臺測控單元、伺服驅動器和工控機組成，對采集的拉力、油壓和油溫等試驗數據進行分析、處理、顯示和存儲，控制直流伺服電機使轉向角達到設定的位置。

拉壓力、油壓和油溫傳感器輸出的信號經變送器轉換成4～20 mA的電流信號輸入至測控單元。測控單元基于16位微控制器MC9S12XET256開發，負責采集、處理傳感器數據和電機控制。測控單元通過以太網接口與工控機相連，通過RS-232接口與伺服驅動器相連。伺服驅動器接收測控單元的控制指令，結合增量式光電編碼器對伺服電機進行閉環控制。工控機通過兩個RS-232接口分別偵聽發動機臺架控制系統上、下位機的通信內容，獲取試驗循環開始標志、發動機轉速、扭矩和油門開度等信息。系統基于時間同步的方式，由試驗循環開始標志觸發，使測控系統與臺架控制系統同步進入試驗循環。測控系統主要部件技術參數見表1。

表1 測控系統主要部件技術參數

2 測控系統硬件設計

測控系統硬件主要由核心電路、模擬信號調理電路和通信接口電路組成。

2.1 模擬信號調理與通信接口

模擬信號調理電路負責對傳感器輸入信號進行轉換、濾波和阻抗變換。變送器輸出的4～20 mA電流信號由測控單元內部的I/V變換電路轉換成電壓信號，通過一階低通濾波器濾波，再經過由運算放大器MCP6004構成的電壓跟隨器進行阻抗變換后輸入到單片機A/D轉換通道。

通信接口電路包括RS-232接口電路和以太網接口電路。RS-232接口采用MAX232芯片對單片機SCI模塊的CMOS電平和伺服驅動器的RS-232電平進行變換，用于單片機與伺服驅動器的通信。以太網通信接口采用RTL8019AS以太網控制器[8]，以太網全雙工峰值通信速率可達10 Mbit/s，選用16位數據總線模式，單片機通過可編程外部總線與以太網控制器總線連接[8]。

2.2 伺服驅動器

系統選用MOTEC α MLD系列伺服驅動器實現對轉向器的控制。驅動器具有位置控制模式、速度控制模式和轉矩控制模式，集成PLC功能，帶有8個數字輸入、3個數字輸出和1個模擬輸入，支持增量式編碼器，并具有過流、過壓、欠壓、溫度保護和I2T電流限制等功能。

選擇伺服驅動器位置控制模式來控制電機，驅動轉向器到達不同的角位置后鎖定，轉角位置由光電編碼器反饋至伺服驅動器，并將限位開關信號接入驅動器數字輸入接口，用于實現遇限停機功能。驅動器采用編碼器4倍頻技術以提高電機角位置的測量和控制精度，角位置測量和控制精度為2′。

伺服驅動器的操作模式有網絡控制模式、脈沖控制模式和模擬量控制模式。為了便于控制電機和獲取伺服電機的角位置、限位開關狀態等信息，選擇網絡控制模式，以命令應答的方式控制驅動器。

3 伺服驅動器閉環控制系統

3.1 控制原理

MLD系列伺服驅動器采用PID加前饋的控制模式，通過編碼器反饋電機實際位置，實際位置與目標位置的偏差經過PID控制器調節后輸出電壓控制信號，經功率放大后驅動電機。驅動器控制回路如圖3所示，其外環為位置環，中間為速度環，內環為電流環。通過控制位置和速度兩個狀態變量，使位置回路得到較好的性能。速度前饋和加速度前饋控制功能可以加快大慣量系統的動態響應性能。

電機的電流和電壓為

Kd·ΔPerr+Kvp·Verr+Kap·Aerr+

Kvf·Vset+Kaf·Aset，

(1)

(2)

3.2 驅動器控制器參數整定

為了保證控制器具有最佳的調節能力，需根據實際系統對控制器參數進行整定，為此借助montionStrater軟件[9]整定驅動器控制器參數。montionStrater是一款基于PC的MOTEC α系統調試軟件，用于驅動器控制器參數整定時，可實時顯示目標值與實際值曲線以便于評估控制器性能。

參數整定時，先進行電流環參數整定，較好的電流環控制性能是良好的電機控制性能的基礎。在此基礎上，再進行速度/位置閉環的調節。每個環參數整定按照先整定比例增益，再整定積分增益，最后整定微分增益的順序進行。整定時，觀察系統的運行情況，根據響應曲線對參數反復調節，直至系統響應情況良好，得到滿意的調節效果[10]。整定后的參數見表2。

表2 控制器參數值

4 測控系統軟件設計

測控單元軟件基于任務優先級的模塊化結構設計，根據任務的優先級來調度任務，提高軟件的執行效率。主要任務包括A/D數據采集、以太網通信、伺服電機位置獲取、伺服電機故障信息獲取、伺服電機位置控制和伺服電機位置回零等。

系統啟動后，主函數巡檢各個任務的標志位并進行函數調用，定時器模塊中斷函數負責精確計時，并觸發以太網通信任務、伺服電機位置獲取任務、伺服電機故障信息獲取任務和A/D轉換。A/D數據采集任務負責將采集到的數據進行讀取和轉換，由A/D轉換完成中斷觸發。以太網通信任務負責命令接收和數據上傳，處理來自上位機的命令，根據命令觸發相應的伺服電機控制任務。

4.1 伺服電機位置回零

伺服電機采用絕對運動的控制方式驅動轉向軸，使橫拉桿運動，為此，以橫拉桿軸線為坐標軸，彈簧處于自由狀態的位置為坐標軸零點位置，此時編碼器計數為零。當橫拉桿向彈簧被壓縮的方向運動時，編碼器計數值增加，反之，計數值減小，每一個計數值對應一個坐標位置。開機時，編碼器計數值為零，但橫拉桿不一定在零點位置，這時需要將橫拉桿復零，并將編碼器計數歸零。

伺服電機回零函數流程見圖4。當測控單元接收到來自上位機電機回零的命令時，向伺服驅動器發送命令使能電機，并獲取限位開關的狀態，若低限位開關未觸發，說明橫拉桿未處在零點位置，則令伺服電機以相對運動的方式往回旋轉并判斷限位開關的狀態，直至橫拉桿回到零點位置觸發低限位開關，歸零編碼器計數值。

4.2 后臺管理軟件

測控系統后臺管理軟件基于面向對象的可視化編程環境VB6.0開發，借助虛擬儀表、數字顯示和控制旋鈕等模塊，操作人員可在控制的同時，實時觀測系統運行時的參數變化情況。軟件功能包括用戶管理、試驗圖譜參數設置、自動加載控制、網絡通信、數據處理、數據實時顯示、數據自動保存和動態回放等，其主界面見圖5。

試驗時可根據發動機不同工況設定轉向角大小來調節加載量，也可根據試驗前預先設定的試驗圖譜進行自動同步加載。試驗圖譜參數主要包括轉角和時間，手動和自動加載均采用壓力開環控制的方式。自動同步加載時，后臺管理軟件監聽臺架控制系統的通信指令，進入等待狀態，當收到試驗循環開始標志后，立刻與臺架控制系統同步進入試驗循環，并按照試驗圖譜參數中的加載時刻，自動調取相應參數向測控單元發送轉向控制命令，對轉向泵施加相應的載荷。

5 測試實例

試驗用發動機為某型號直列4缸柴油機，其配置的轉向泵最大壓力為 9 MPa，發動機臺架配置FST2C發動機數控系統。

5.1 轉向泵恒定加載試驗

將發動機臺架控制系統設置為恒轉調位模式，在發動機油門位置固定和轉速恒定的條件下，通過軟件設置對轉向泵進行加載。

發動機轉速為1 200 r/min、油門開度為12%時的試驗結果見圖6。圖中可見，隨著轉角的不斷增大，轉向泵的輸出壓力不斷增大，同時，發動機曲軸輸出扭矩隨之減小，說明轉向泵加載到發動機上的載荷不斷增大；當轉角逐漸減小時，油壓逐漸減小，扭矩逐漸增大，轉向泵加載到發動機上的載荷逐漸減小。由此表明，測控系統能夠按照任意設定的轉向角來調節轉向泵的壓力載荷。

5.2 自動同步加載試驗

試驗時選擇自動加載模式與臺架控制系統協同進行試驗，試驗結果見圖7。按照試驗規范設置的試驗圖譜參數，發動機試驗一個循環歷時1 200 s，轉向泵在一個試驗循環內加載兩次，第一次加載設置在第270 s(此時發動機轉速剛過渡至2 600 r/min)開始，轉向角控制在300°，第480 s(此時發動機轉速剛過渡至4 000 r/min)結束；第二次加載設置在第805 s(此時發動機轉速為2 600 r/min，即將過渡至4 000 r/min)開始，轉向角控制在200°，第 1 015 s(此時發動機轉速為4 000 r/min，即將過渡至750 r/min)結束。由圖可見，測控系統能夠與臺架控制系統同步，按照預先設置的加載參數對轉向泵加載進行試驗。

6 結束語

基于16位單片機設計了測控單元，通過上下位機協同控制的方式，進行試驗中傳感器數據采集、電機控制和數據通信。利用伺服電機系統驅動轉向器，并采用光電編碼器4倍頻技術，提高了角位置的控制精度，電機角位置控制精度可達2′。后臺管理軟件通過識別試驗開始標志的方式實現兩個系統時間軸的同步，有效解決了轉向泵同步加載的問題；軟件主界面以數字和圖表的形式顯示測量結果，便于簡單直觀地觀測系統的運行狀態。實際測試結果表

明，液壓助力轉向泵模擬加載裝置測控系統能夠滿足轉向泵壓力連續調節和自動同步加載的要求，可用于發動機臺架可靠性試驗，使臺架試驗環境更加貼近實際駕駛狀況。

[1] 盧洪泉. 汽車轉向助力模擬加載系統的設計研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2005.

[2] Sonchal C, gajankush J, Kulkarni A, et al, Energy Efficient Hydraulic Power Assisted Steering System (E2HPAS) [C].SAE Paper 201-01-0976.

[3] 陳翠翠，李文廣.液壓泵模擬加載系統：中國，203348220[P].2013-06-19.

[4] 盧洪泉. 汽車液壓轉向助力臺架模擬加載試驗設備：中國，101865782[P]. 2010-05-31.

[5] 盧洪泉. 汽車液壓轉向助力臺架模擬加載試驗方法：中國，101846583[P]. 2010-05-31.

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[編輯: 李建新]

Development of Measurement and Control System for Simulation Loading Device of Hydraulic Power Steering Pump

MU Yijin1, TENG Qin1, WEN Jihui1， WANG Shanqiang2

(1.School of Mechanical and Automotive Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China；2. Technical Center, Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Hefei 230601, China)

In order to control the load of hydraulic power steering pump according to the test specifications in engine test, a measurement and control system for a loading device was developed. The system was composed of measurement and control unit with a 16 bit microcontroller, servo motor driver and industrial control computer. Using Ethernet to realize the communication between upper and lower computer, the parameters such as the oil pressure, oil temperature and steering resistance were measured in real time. The synchronization time was defined according to the start flag from engine test bench system and the steering pump load was adjusted by controlling the angle of power steering gear. The test results show that the measurement and control system can meet the requirements of continuous loading for the steering pump in engine test

engine; hydraulic power steering pump; loading device; measurement and control system

2016-01-29;

2016-03-10

牟一今(1990—)，男，碩士，主要研究方向為發動機測試與控制技術； yijin116@163.com。

滕勤(1962—)，男，副教授，主要研究方向為發動機測試與控制技術；tengqin_7348@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.03.017

U463.4

B

1001-2222(2016)03-0088-05