基于虛擬儀器的汽車轉(zhuǎn)向泵測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳松　張仁杰

摘 要：汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要部件， 其應(yīng)用范圍極其廣泛。汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵工作性能影響汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的操作性與安全性，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向泵測試方式是通過人工手動(dòng)加載實(shí)現(xiàn)，效率低下、勞動(dòng)強(qiáng)度大且難以保證產(chǎn)品質(zhì)量，在很大程度上制約企業(yè)發(fā)展。因此，對轉(zhuǎn)向泵的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測與評價(jià)，成為制造商與主機(jī)廠商非常重視的一項(xiàng)工作。基于虛擬儀器技術(shù)，采用PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡與各指標(biāo)數(shù)據(jù)傳感器，設(shè)計(jì)一種汽車轉(zhuǎn)向泵測試系統(tǒng)，對轉(zhuǎn)向泵性能參數(shù)測試方法進(jìn)行分析與研究，提出了基于虛擬儀器的汽車轉(zhuǎn)向泵測試方案。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向泵；虛擬儀器；PCI-6251；傳感器；測試系統(tǒng)

DOI：10.11907/rjdk.171476

中圖分類號：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2017）009-0104-04

Abstract：Automobile power steering pump is an important part of vehicle steering system. Automobile power steering pump work performance affect interoperability and security of the automobile steering system. The traditional way of steering pump test is achieved by manual loading， its efficiency is low， the intensity of labor is heavy， and hard to ensure the quality of products. It restricted the development of the enterprise in some way. Therefore， the test and evaluation of various indicators of steering pump have become a very important work for manufacturers and enterprises. Based on Virtual Instrument technology， using the PCI-6251 data acquisition card and the index data sensor， we design a car steering pump testing system， the steering pump performance parameters of the test methods for the analysis and research， put forward the automobile steering pump test scheme based on virtual instrument.

Key Words：steering pump；virtual instrument； PCI-6251； sensor； testing system

0 引言

轉(zhuǎn)向泵是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)力源，其性能直接影響汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)行。轉(zhuǎn)向泵由汽車發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)其主軸旋轉(zhuǎn)，泵輸出壓力油供給汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，使汽車在轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生油壓助力作用，減輕駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度[1]。采用基于LabVIEW的汽車轉(zhuǎn)向泵測試系統(tǒng)，能夠克服傳統(tǒng)液壓檢測系統(tǒng)的不足，通過直觀的人機(jī)界面，檢測人員只需對控制面板進(jìn)行簡單操作，就能夠方便地讀取數(shù)據(jù)進(jìn)而判定被測試轉(zhuǎn)向泵是否合格。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關(guān)鍵零部件之一，汽車工業(yè)發(fā)展對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及轉(zhuǎn)向泵性能提出了嚴(yán)格的要求，其性能檢測非常重要[2]。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及功能介紹如圖1、表1所示。

液壓系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)與要求為：液壓油過濾精度：≥25μm；儀表測量精度等級：B 級以上；進(jìn)口溫度：50±5℃；最大公稱壓力：20MPa；液壓油型號：N46號普通液壓油[3]。

1.1 參數(shù)計(jì)算

被測泵最大壓力為9MPa，考慮到過載，各個(gè)液壓元件設(shè)計(jì)壓力為：9×1.25=11.25MPa。

液壓系統(tǒng)最大流量為10±2L/min，由參數(shù)分析可知，液壓系統(tǒng)最高工作壓力p=11.5MPa，各個(gè)液壓元件設(shè)計(jì)壓力p=11.25MPa；液壓系統(tǒng)最大流量Q=8～12L/min，按這些參數(shù)選擇液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)[4]。

液壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率公式為：P=pQ/（60η）

（1） 其中P為驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率，kW；p為液壓泵壓力，MPa；η為液壓泵總效率，取η≥81%。可知，流量與壓力乘積最大時(shí)，計(jì)算出的功率即為電機(jī)最高工作功率，取系統(tǒng)壓力P=14.4MPa，Q=12L/min，η=81%，代入計(jì)算得P≈30kW。根據(jù)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速，選擇Y200L1-2型電機(jī)，該電機(jī)轉(zhuǎn)速n=2 950r/min，功率P=30kW。所選電機(jī)符合本液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

汽車轉(zhuǎn)向泵試驗(yàn)項(xiàng)目需測試的量有溫度、流量、壓力、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，被測量分布廣，多為動(dòng)態(tài)信號。因此，要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量，滿足對測試系統(tǒng)的精度與實(shí)時(shí)性要求，實(shí)現(xiàn)對參量實(shí)時(shí)觀測與數(shù)據(jù)的顯示、處理與存儲以及測試結(jié)果自動(dòng)打印，本文確定方案如下：試驗(yàn)臺動(dòng)力源采用雙輸出并變頻調(diào)速交流電機(jī)；試驗(yàn)臺液壓試驗(yàn)回路采用功率回收的閉式回路，有液壓馬達(dá)加載；采用LabVIEW 2014開發(fā)平臺。

1.2 系統(tǒng)組成與總體方案

如圖2所示，數(shù)據(jù)采集時(shí)，系統(tǒng)采用的各類傳感器除轉(zhuǎn)速傳感器外都帶變送器，可輸出4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號，到端子板后，經(jīng)I/U轉(zhuǎn)換與屏蔽電纜，通過數(shù)據(jù)采集卡傳至計(jì)算機(jī)；轉(zhuǎn)速信號可由采集卡的計(jì)數(shù)器測量頻率而求得轉(zhuǎn)速。endprint

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集（DAQ）是測量實(shí)際信號，并發(fā)送到計(jì)算機(jī)用于處理、分析等數(shù)據(jù)操作的過程。物理現(xiàn)象代表實(shí)際需要測量的信號，用傳感器感應(yīng)物理現(xiàn)象并按比例產(chǎn)生電信號。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡選用NI公司PCI-6251板卡，它是一款高速M(fèi)系列多功能DAQ板卡。該設(shè)備采用18位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，分辨率高[5]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)工作流程如下：①傳感器將被測信號轉(zhuǎn)化為電信號；②信號處理電路將輸出信號進(jìn)行整形、濾波處理，轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號；③數(shù)據(jù)采集卡采集、處理信號并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并導(dǎo)入計(jì)算機(jī)；④在軟件平臺下，調(diào)用信號處理模塊，編寫功能流程、算法，形成不同功能的應(yīng)用程序。

2.1 基于LabVIEW的后臺程序設(shè)計(jì)方案

數(shù)據(jù)流編程以流的形式傳送，由于LabVIEW不是文本編程語言，其代碼不能“逐行”執(zhí)行。管理G程序執(zhí)行的規(guī)則稱為數(shù)據(jù)流。對于節(jié)點(diǎn)，只有當(dāng)所有輸入端子數(shù)據(jù)全部到達(dá)時(shí)才執(zhí)行；執(zhí)行完畢，將節(jié)點(diǎn)提供的數(shù)據(jù)傳送到輸出端子，并從源端子傳遞到目的端子（見圖4）。

2.2 傳感器選擇與信號處理

被測泵的具體參數(shù)為：壓力：<20MPa；流量：轉(zhuǎn)向泵柱塞數(shù)量7，直徑d=18，行程l=4.5mm；溫度：<100℃；轉(zhuǎn)矩：100N·m；轉(zhuǎn)速：1 500～3 000r/min；精度：0.5%。

①流量傳感器，根據(jù)精度與測量方式要求，一般采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置配差壓流量傳感器；②溫度傳感器，指能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器，傳感器輸出電流是以絕對溫度零度（-273℃）為基準(zhǔn)，每增加1℃，它會增加1μA輸出電流，因此在室溫25℃時(shí)，其輸出電流Iout=（273+25）=298μA。測量Vo時(shí)，不可分出電流，所以在應(yīng)用時(shí)還要通過運(yùn)算放大器作相應(yīng)處理（見圖5）；③轉(zhuǎn)矩傳感器，CYB-803型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器應(yīng)用于測量轉(zhuǎn)矩，抗干擾能力強(qiáng)，使用方便；④壓力傳感器，系統(tǒng)采用AK-1型壓電式壓力傳感器，測量范圍0～5MPa[6]。

根據(jù)被測對象選擇傳感器，完成非電量到電量轉(zhuǎn)換，經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后的量，很難直接進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，需將這些信號放大，I/U轉(zhuǎn)換和濾波[7]。

（1）信號放大。設(shè)計(jì)中會遇到微弱信號，它不能直接變換，需經(jīng)運(yùn)算放大器放大成標(biāo)準(zhǔn)信號。反相放大器是一個(gè)比例放大器（見圖6），同相放大器如圖7所示。

（2）電流/電壓轉(zhuǎn)換。最基本的I/U變換可以用電阻來完成。為保證輸出電壓不受輸入阻抗影響，一般采用由運(yùn)算放大器構(gòu)成的I/U變換電路，輸出電壓大小為：U0=-R*i1。

（3）信號濾波。輸入信號中，通常疊加噪聲與頻率分量。采樣時(shí)，它們會引起系統(tǒng)誤差，采用低通濾波器去除噪聲與頻率分量。

2.3 脈沖信號與模擬信號調(diào)理

速度與扭矩傳感器輸出的脈沖信號經(jīng)過放大、限幅、整形后，被傳送到PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡相應(yīng)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器輸入端口進(jìn)行計(jì)數(shù)，最后傳至PC機(jī)中（見圖8）。在本系統(tǒng)中，壓力傳感器輸出的是模擬信號，對其進(jìn)行低通濾波與限幅處理后，輸入相應(yīng)的采集通道。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，借助軟件與傳感器產(chǎn)生的信號，通過PC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理。

3.1 軟件模塊劃分與系統(tǒng)總體流程

測試軟件主要包括兩部分：上層管理程序與硬件驅(qū)動(dòng)程序（見圖9）。程序運(yùn)行后，首先進(jìn)行用戶身份鑒別，當(dāng)為非法用戶時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出警告；當(dāng)為合法用戶時(shí)，系統(tǒng)正常運(yùn)行。隨后系統(tǒng)初始化，進(jìn)入主控界面后，點(diǎn)擊按鈕進(jìn)入相應(yīng)模塊[8]（見圖10）。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

（1）模擬信號采集。模擬信號采集是 NI 數(shù)據(jù)采集卡的基本功能。一般由多路開關(guān)、放大器、采樣保持電路與模數(shù)轉(zhuǎn)換傳感器實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)用連續(xù)采樣[9]。連接采集卡，運(yùn)行程序，在前面板中得到正弦波、鋸齒波、方波3種波形，其結(jié)果如圖11所示。

（2）數(shù)字信號采集。在信號處理中，數(shù)字信號發(fā)揮著重要作用，只要能用數(shù)學(xué)公式表示解決方法，就能用計(jì)算機(jī)處理代表物理量的數(shù)字信號，將傳感器獲得的信號通過采集卡輸入計(jì)算機(jī)，通過軟件實(shí)現(xiàn)對信號的顯示與分析（見圖12）[10]。

（3）脈沖信號采集。脈沖信號是一種離散信號，與普通模擬信號相比，波形之間在時(shí)間軸不連續(xù)，但具有周期性。為測量方便，采用高低電平的方式控制指示燈亮與滅，檢測到高電平指示燈亮，低電平指示燈滅。4 結(jié)語

轉(zhuǎn)向泵測試系統(tǒng)是確保轉(zhuǎn)向泵工作穩(wěn)定、延長轉(zhuǎn)向泵壽命、發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向泵問題的重要工具。本文建立了基于LabVIEW2014的轉(zhuǎn)向泵測試系統(tǒng)，基于轉(zhuǎn)向泵性能評價(jià)相關(guān)理論，采用LabVIEW2014平臺開發(fā)測試程序，系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，具有快速、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。該測試系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)與虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地對其各性能參數(shù)進(jìn)行采集，既降低了成本，又縮短了時(shí)間。充分利用PC-DAQ方式能夠滿足要求，LabVIEW2014具有對操作要求較簡單的優(yōu)勢，使得系統(tǒng)通用性強(qiáng)。系統(tǒng)將硬件、軟件技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能控制及測量采集、顯示與存儲，測試數(shù)據(jù)精度高，克服人為誤差， 提高測試效率，實(shí)現(xiàn)多功能、高精度與自動(dòng)化。當(dāng)然，本系統(tǒng)僅僅是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下實(shí)施，在工業(yè)操作中還有一定差距。

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（責(zé)任編輯：何 麗）endprint