汽車側滑門疲勞耐久試驗臺控制系統設計

李偉 馬祥 冀照通

（中國汽車技術研究中心有限公司）

汽車側滑門作為商務車和七座MPV的重要組成部分，其疲勞耐久性直接影響到客戶的使用體驗。側滑門耐久試驗臺是一種在汽車開發流程中，驗證側滑門疲勞耐久性的專用試驗工具。國內現有側滑門疲勞耐久試驗設備主要分為氣動和電動2種。氣動耐久試驗設備以氣缸為驅動元件，采用繼電器形式進行控制，但是由于氣缸本身精度較差并且高低溫環境中不夠穩定，因此逐漸被電機形式的耐久試驗臺所取代。部分電動側滑門耐久試驗臺無法滿足高配MPV的電動側滑門的試驗要求，因此文章提出了一種基于LabVIEW操作系統的耐久試驗臺，它集手動側滑門和電動側滑門為一體，并且具有較強的可視性，根據試驗標準能夠實現同時調節汽車與試驗臺的坡度，可為側滑門的疲勞耐久性分析提供較為準確科學的試驗依據，達到提升側滑門產品質量的目的。

1 試驗臺的組成及原理

汽車側滑門耐久試驗臺總體結構流程，如圖1所示。手動側滑門耐久試驗臺主要由控制、執行及外部調節3個系統組成。它的開閉耐久循環功能是靠執行系統進行開閉動作實現的，執行系統是以伺服電機為執行機構的加載體結構，系統通過設定“解鎖—開啟—解鎖復位—關閉”的工作流程，實現控制手動側滑門開閉耐久試驗的功能。

圖1 汽車側滑門耐久試驗臺總體結構流程圖

由于試驗車與試驗臺架放置于同一工作臺面內，因此通過外部調節系統，可以滿足同時調整試驗汽車與試驗臺架的角度的要求，實現試驗標準中要求的坡度條件下的耐久試驗的功能。

手動側滑門耐久試驗臺的控制系統主要由工控機、運動控制器及數據采集卡構成。數據采集卡采集試驗中側滑門的運動狀態信息，如操作力和關閉速度等關鍵數據；工控機通過數據采集卡反饋的側滑門的關鍵信息向運動控制器發出相應的指令提示；運動控制器根據收到的指令提示，向伺服電動的驅動器發出相應的脈沖信號，實現對伺服電機的控制，使整個系統處于閉環控制之內。

電動側滑門耐久試驗臺的控制系統主要由工控機和CAN/LIN協議收發器組成。通過試驗車相關DBC文件和LDF文件獲取執行電動側滑門開閉動作的代碼，工控機發送相關代碼指令到CAN/LIN收發器，通過CAN/LIN收發器發送執行信號到電動側滑門中，相關反饋信號通過CAN/LIN收發器反饋到工控機。工控機根據反饋信號，通過DBC文件和LDF文件中相關代碼判定該循環是否符合邏輯要求，并發出執行下一動作的指令。

2 試驗臺總體設計方案和硬件選擇

2.1 試驗臺總體方案

試驗臺主要實現的是對汽車進行側滑門疲勞耐久驗證。控制系統是試驗臺重要的組成部分，閉環反饋控制可以使驗證試驗具有較高的試驗精度，使試驗臺系統更穩定，對試驗設備、試驗樣車及試驗人員起到安全保護的作用。通過以伺服電機為主的執行機構，實現模擬客戶在實際使用中對側滑門進行的開閉動作，從而檢驗汽車側滑門的疲勞耐久壽命，為疲勞耐久可靠性分析提供更為科學的試驗數據。

試驗臺的控制主要圍繞伺服電機進行，通過脈沖和方向信號控制，使伺服電機按照規定的運動軌跡以要求的速度和方向執行動作。解鎖機構與開啟手柄通過彈簧繩連接，彈簧繩與解鎖機構之間連接一個帶角度傳感器的力傳感器。它可以測量解鎖力、車門開啟力及車門關閉力，通過角度傳感器可以計算出法向和切向力，能夠得出更為準確的試驗依據。車門外部粘貼一個拉線位移傳感器，通過該拉線位移傳感器可以監測到車門的實時位置，并且通過位移變化與時間的關系，計算出車門的開啟速度和關閉速度，能夠使試驗更符合規定的試驗標準。

工控機作為試驗臺的運算主機，搭載數據采集卡、運動控制器及CAN/LIN收發器等，控制側滑門的位置輸出。

2.2 試驗臺控制系統硬件選擇

2.2.1 信號采集硬件

根據側滑門耐久試驗臺設計方案，試驗臺需要采集的數據主要有力和位移。力傳感器選擇壓電式力傳感器，壓電式力傳感器具有可以在高低溫工況下工作、體積小、質量輕、結構簡單及工作可靠的優勢。數據采集卡選擇NI USB-6351型號采集卡，具有24路數字量輸入輸出，以及2路模擬量輸入輸出功能。拉線位移傳感器選用絕對值編碼器類型，該類型編碼器便于選取零位，方便操作。

2.2.2 伺服電機控制系統

伺服電機通過電機轉動與齒輪的配合帶動直線導軌實現直線往復運動，直線導軌的傳動皮帶帶動直線導軌上的解鎖執行機構，實現直線往復運動。解鎖執行機構帶動側滑門執行開閉動作，實現開閉耐久試驗。試驗臺采用CJ1W系列運動控制器，該運動控制器可以精確地發出高速脈沖信號，通過脈沖信號中脈沖的數量和頻率，精確地控制伺服電機運動。

2.2.3 CAN/LIN總線收發器

CAN/LIN總線收發器應用于電動側滑門耐久試驗中，電動側滑門是由CAN/LIN總線進行控制，根據DBC/LDF文件中的指令，模擬BCM的信號，控制ECU，向電動側滑門發送執行命令，進行開閉耐久試驗。CAN/LIN總線收發器采用德國某公司生產的VN8970型號的硬件收發器，內置4路CAN信號收發器，1路LIN信號收發器，并且有I/O接口和數字量擴展模塊，軟件采用CANoe，CANoe廣泛應用于汽車總線開發中，被汽車電器工程師所認可，具有模塊化和穩定性高的優點，并且能夠識別所有相關試驗報文，方便記錄并分析試驗數據。VN8970通過I/O接口與LabVIEW的數據采集器進行輸入輸出等數字量信號的數據交換，使不同的硬件與軟件能夠集成到同一試驗臺的控制系統內。

3 系統軟件設計

3.1 LabVIEW概述

LabVIEW是美國NI公司推出的一款功能強大的可視化軟件開發工具，編程人員在不需要懂得太多復雜的命令語句和控制算法的基礎上，利用該軟件自帶的圖標，通過連線的方式就可以完成編程工作。經過數十年的發展，LabVIEW已經被廣泛地應用在汽車技術、航空航天及電氣控制等領域，主要應用于數據采集和儀器、儀表控制等方面[1]。

3.2 控制系統開發流程

側滑門耐久試驗臺根據實際功能分成數據采集、數據處理、信號發送及伺服驅動4個模塊。通過軟件控制界面，選擇不同類型的側滑門和相應的耐久試驗程序，執行試驗標準中所需的耐久試驗。根據控制系統開發流程設計思路，控制系統流程，如圖2所示。

圖2 汽車側滑門耐久試驗臺控制系統流程圖

3.3 控制系統界面設計

控制系統軟件主要分為5個部分，如圖3所示。

圖3 汽車側滑門耐久試驗臺控制系統軟件主界面圖

其中主檢測窗口界面主要體現的是側滑門耐久試驗中側滑門的運動狀態和試驗臺的運行狀態，用戶可以根據試驗條件設定試驗循環次數，并通過當前運行狀態欄監測試驗臺的運行狀態，根據報警記錄表格，獲得試驗的停止原因。

在示教模式中，用戶可以根據試驗條件中規定的試驗內容，通過模擬人實際開啟和關閉側滑門的動作，帶動直線導軌上的伺服電機，使系統記錄下側滑門的“解鎖、開啟及關閉”等位置，伺服電機在耐久試驗中根據示教學習的位置，執行開閉側滑門的動作；用戶在電機參數設置界面中，根據試驗實際情況，設定電機的初速度、加速度、減速度及運動時間等參數，從而使試驗能夠滿足規定的關閉速度和運行時間等條件；在操作力數據采集界面，用戶可以設定操作力和解鎖力的閾值，根據帶角度傳感器的力傳感器，采集到耐久試驗中的操作力和解鎖力，并根據需求生成力與時間的相關曲線，圖4示出數據采集結構圖。

圖4 汽車側滑門耐久試驗臺控制系統操作力數據采集結構顯示界面

在速度數據采集界面，用戶根據拉線位移傳感器采集到的側滑門的實時位置，結合測量時間，計算得知車門的開啟和關閉速度，也可以將計算出的速度數據保存記錄到指定的Excel文件中。

4 結論

文章設計的側滑門耐久試驗臺是基于LabVIEW軟件開發的，通過結合數據采集系統和運動控制系統，達到了實現耐久試驗功能的要求，并且通過布置的傳感器能夠測量到更符合試驗需求的試驗數據。實現了集手動側滑門和電動側滑門為一體的目的，利用同時調節汽車與試驗臺坡度的功能，滿足了試驗標準中的坡度要求。

基于LabVIEW的側滑門耐久試驗臺采用伺服電機控制，與市場上電動側滑門耐久試驗設備精度一致，結合力傳感器、角度傳感器及拉線位移傳感器等，提高了測量精度，結合CAN/LIN設備，填補了部分設備中電動側滑門耐久試驗的空缺。

未來將會更進一步深入對客戶體驗的研究，更加注重通過人體仿生和設計機械手臂來進行側滑門耐久試驗，使得驗證更加符合客戶體驗要求。