基于LabVIEW的EPS性能試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)

李洪強(qiáng)，孟建兵，曲寶軍，董小娟，婁廣軍，黃丙琪

(山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

隨著汽車的普及和電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，駕駛員對(duì)操縱汽車的輕便性、靈活性、穩(wěn)定性、安全性等要求越來(lái)越高，越來(lái)越多的電子控制技術(shù)被應(yīng)用到汽車的各個(gè)系統(tǒng)中[1]。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Power Steering， EPS)是一種使用電機(jī)提供助力的新型動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。與液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，EPS可以提高車輛助力轉(zhuǎn)向的特性，保證汽車轉(zhuǎn)向輕便性和駕駛安全性[2-3]。EPS的成功研發(fā)必須依靠大量的實(shí)車試驗(yàn)，將系統(tǒng)的各項(xiàng)性能調(diào)整到最優(yōu)的工作狀態(tài)[4-5]。對(duì)EPS進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)需要大量的人力、物力，試驗(yàn)費(fèi)用高，而且還有一定的危險(xiǎn)性，而通過(guò)臺(tái)架性能試驗(yàn)可以掌握EPS的基本特性,并有助于控制系統(tǒng)的測(cè)試和調(diào)試。臺(tái)架雖然不能精確模擬實(shí)際路面行駛工況力特性,但通過(guò)研究電機(jī)的控制規(guī)律以及參數(shù)的調(diào)整,分析EPS的綜合性能和控制參數(shù)變化對(duì)EPS綜合性能的影響，能為將來(lái)實(shí)車測(cè)試提供一些基本的參數(shù)和算法，可以降低實(shí)車路試的危險(xiǎn)性和研究成本[6]。因此，開(kāi)發(fā)出一套EPS的臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)是非常有必要的。

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種用圖標(biāo)來(lái)代替文本用以創(chuàng)建應(yīng)用程序的計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言[7]，它是目前國(guó)際上首先推出并應(yīng)用最廣的數(shù)據(jù)采集和控制開(kāi)發(fā)環(huán)境之一，主要應(yīng)用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示等領(lǐng)域,并適用于多種不同的操作系統(tǒng)平臺(tái)[8]。本文基于雙諾AC6614數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)卡與 LabVIEW 軟件開(kāi)發(fā)一套對(duì)數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、監(jiān)控和顯示的EPS試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)。

1 EPS試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械裝置

本文EPS試驗(yàn)臺(tái)主要用于檢測(cè)和開(kāi)發(fā)EPS的基礎(chǔ)性能試驗(yàn)，是參照我國(guó)的《汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向裝置技術(shù)條件與臺(tái)架試驗(yàn)方法》手冊(cè)中對(duì)EPS基礎(chǔ)性能臺(tái)架試驗(yàn)方法的要求設(shè)計(jì)的。EPS試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)包括試驗(yàn)臺(tái)架、模擬轉(zhuǎn)向盤輸入裝置 (包括輸入端步進(jìn)電機(jī)、輸入端伺服電機(jī)、減速器、輸入扭矩傳感器、聯(lián)軸器)、EPS轉(zhuǎn)向器總成(包括蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)、控制器、扭矩傳感器、直流電機(jī))、輸出加載裝置(包括輸出端步進(jìn)電機(jī)、輸出端伺服電機(jī)、減速器、輸出扭矩傳感器、聯(lián)軸器)等組件。其機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

試驗(yàn)臺(tái)的主要作用是模擬汽車在不同的車速、實(shí)際轉(zhuǎn)向時(shí)所受轉(zhuǎn)向阻力矩大小等工況，通過(guò)信號(hào)采集系統(tǒng)采集和檢測(cè)助力電機(jī)電流、電壓、助力扭矩、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向盤扭矩等信號(hào)，實(shí)時(shí)處理、顯示，然后繪制成各種曲線顯示在屏幕上，并將處理后的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，供試驗(yàn)分析、研究EPS的性能參數(shù)，并對(duì)軟硬件的改進(jìn)作出指導(dǎo)，同時(shí)也可用來(lái)研究控制系統(tǒng)的控制算法，并為將來(lái)實(shí)車試驗(yàn)準(zhǔn)備所需的一些數(shù)據(jù)。

圖1 EPS試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic mechanical structure of EPS test bench

2 EPS試驗(yàn)臺(tái)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工作原理

EPS試驗(yàn)臺(tái)主要由轉(zhuǎn)向輸入驅(qū)動(dòng)部分、EPS總成部分、輸出加載部分、轉(zhuǎn)速信號(hào)發(fā)生部分、數(shù)據(jù)采集部分、工控機(jī)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。在EPS試驗(yàn)過(guò)程中，工控機(jī)通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送指令控制輸入、輸出端伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)動(dòng)角度和加載大小，按試驗(yàn)要求進(jìn)行試驗(yàn)。同時(shí)工控機(jī)還會(huì)控制車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)發(fā)生器發(fā)出脈沖信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)制器輸入到ECU中，EPS就會(huì)在相應(yīng)車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速工況下工作。各種不同功用的傳感器會(huì)根據(jù)采集卡的需要采集各種不同的信號(hào)，并且輸送到數(shù)據(jù)采集卡中，然后通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡模擬量通道輸入工控機(jī)，經(jīng)工控機(jī)處理后實(shí)時(shí)顯示各種數(shù)據(jù)和繪制成各種曲線顯示在屏幕上。系統(tǒng)試驗(yàn)程序運(yùn)行在工控機(jī)上，通過(guò)程序來(lái)模擬實(shí)車測(cè)試的環(huán)境。

輸入、輸出端的連接與斷開(kāi)均由步進(jìn)電機(jī)的左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)完成，工控機(jī)通過(guò)程序控制運(yùn)動(dòng)控制器向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送指令，控制步進(jìn)電機(jī)的左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)，帶動(dòng)導(dǎo)軌的前進(jìn)和后退，完成輸入、輸出端的斷開(kāi)與連接，實(shí)現(xiàn)了連接和斷開(kāi)的自動(dòng)化，減少了手動(dòng)連接與斷開(kāi)，提高了工作效率。

轉(zhuǎn)向輸入驅(qū)動(dòng)部分主要由輸入端伺服電機(jī)及伺服驅(qū)動(dòng)器、輸入端減速器、輸入端扭矩傳感器等構(gòu)成。伺服電機(jī)控制器控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，可以準(zhǔn)確得到轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的大小、轉(zhuǎn)動(dòng)角度和輸入軸轉(zhuǎn)速，用來(lái)模擬在轉(zhuǎn)向時(shí)，駕駛員施加在方向盤上的手力、方向盤轉(zhuǎn)角的大小和方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)速度的快慢。

圖2 EPS試驗(yàn)臺(tái)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The schematic diagram of the structure of the EPS test bench

輸出加載部分主要由輸出端伺服電機(jī)及伺服驅(qū)動(dòng)器、輸出端減速器、輸出端扭矩傳感器等構(gòu)成。在汽車的實(shí)際轉(zhuǎn)向過(guò)程中，輪胎會(huì)受到來(lái)自地面的轉(zhuǎn)向阻力，它受到車輛前橋載荷、輪胎與地面摩擦系數(shù)、輪胎內(nèi)壓、車輛行駛速度等因素的影響。輸出端的伺服電機(jī)可以加載不同比例系數(shù)的力矩，用來(lái)準(zhǔn)確模擬汽車在不同車速時(shí)，轉(zhuǎn)向所受到的轉(zhuǎn)向阻力矩。

汽車實(shí)際轉(zhuǎn)向過(guò)程中是帶有車速的，而EPS試驗(yàn)屬于臺(tái)架試驗(yàn)，所以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)和車速信號(hào)要利用轉(zhuǎn)速信號(hào)發(fā)生部分模擬。實(shí)際汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)和車速信號(hào)為脈沖信號(hào)，在EPS試驗(yàn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度、車速所需要的脈沖信號(hào)的頻率是由試驗(yàn)程序來(lái)控制的，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度和車速的模擬。

數(shù)據(jù)采集卡、扭矩和轉(zhuǎn)角傳感器、電流傳感器等組成了信號(hào)采集部分，其所需采集的信號(hào)包括輸入、輸出端扭矩信號(hào)、EPS中的扭矩轉(zhuǎn)角信號(hào)、助力電機(jī)和ECU的電壓和電流信號(hào)。這些復(fù)雜的信號(hào)都會(huì)由不同功用的傳感器收集并輸送到數(shù)據(jù)采集卡中。本試驗(yàn)臺(tái)所采用的數(shù)據(jù)采集卡為雙諾公司的AC6614數(shù)據(jù)采集卡，AC6614數(shù)據(jù)采集卡采集速率100 kHz,具有32路單端/16路差分模擬輸入、開(kāi)關(guān)量16路輸入/16路輸出、2路靜態(tài)輸出DA、2路20位脈沖輸出和4路24位計(jì)數(shù)器。AC6614數(shù)據(jù)采集卡的采集通路和采集速率完全滿足EPS試驗(yàn)臺(tái)的采集任務(wù)要求。

工控機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入、輸出端伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的模擬輸出，接收經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡收集轉(zhuǎn)換的各種數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)處理、分析、保存和實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)將這些數(shù)據(jù)繪制為各種類型的曲線，以便于分析和研究。

3 EPS試驗(yàn)臺(tái)的軟件實(shí)現(xiàn)

本EPS試驗(yàn)臺(tái)軟件系統(tǒng)由虛擬儀器的LabVIEW實(shí)現(xiàn)。虛擬儀器是一種應(yīng)用于計(jì)算機(jī)的儀器，當(dāng)前，虛擬儀器發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)就是和計(jì)算機(jī)的緊密結(jié)合。結(jié)合方式共有兩種，一種是嵌入系統(tǒng)的儀器，另外一種便是將儀器安裝于計(jì)算機(jī)中，以計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)和硬件為依托，展現(xiàn)儀器的種種功能。EPS試驗(yàn)臺(tái)軟件系統(tǒng)就是應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)來(lái)采集各類所需的數(shù)據(jù)，使試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和工作效率得到提高[9]。LabVIEW是一種集圖形化編程語(yǔ)言和服務(wù)與測(cè)試測(cè)量于一體的軟件，具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和處理、產(chǎn)生信號(hào)、信號(hào)處理、輸入輸出控制等功能，提供處理信號(hào)的函數(shù)和從上層界面到驅(qū)動(dòng)底層儀器等一系列的解決方案及應(yīng)用于不同場(chǎng)合的工具包，同時(shí)它支持各種儀器接口，并提供一系列便捷的儀器調(diào)試工具[10]。EPS試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)部分：

1)軟件主控制界面。EPS試驗(yàn)臺(tái)軟件測(cè)試系統(tǒng)由參數(shù)設(shè)置、傳感器標(biāo)定、數(shù)據(jù)處理、性能測(cè)試、元件測(cè)試等部分組成，軟件主控制界面主要是管理和進(jìn)入測(cè)試系統(tǒng)的各個(gè)部分。軟件測(cè)試系統(tǒng)主控制界面如圖3所示。

圖3 軟件測(cè)試系統(tǒng)主控制界面Fig.3 Master control interface of software testing system

2)參數(shù)設(shè)置與傳感器的標(biāo)定。參數(shù)設(shè)置包括合格標(biāo)準(zhǔn)、用戶信息、過(guò)程參數(shù)、車速選擇，可根據(jù)試驗(yàn)要求對(duì)其中的一些參數(shù)進(jìn)行更改。通過(guò)對(duì)各傳感器的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，用以確保試驗(yàn)中所采集數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

3)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制。利用運(yùn)動(dòng)控制器對(duì)EPS輸入、輸出端的伺服電機(jī)進(jìn)行控制，使其按照試驗(yàn)規(guī)定運(yùn)動(dòng)和加載，伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由伺服電機(jī)上的編碼器反饋的信號(hào)監(jiān)控。

4)傳感器信號(hào)采集。負(fù)責(zé)采集的信號(hào)包括輸入、輸出端扭矩信號(hào)，EPS中的扭矩和轉(zhuǎn)角信號(hào)，助力電機(jī)和ECU的電壓和電流信號(hào)等。

此外，LabVIEW具有數(shù)據(jù)分析功能，可以用它對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理、頻譜分析以及曲線擬合等。

5)圖形、數(shù)據(jù)顯示。將處理過(guò)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，并在LabVIEW前面板上繪制成各種曲線。

6)數(shù)據(jù)保存。保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果，用戶可以通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)操作界面對(duì)已保存的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。

EPS試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

圖4 EPS試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程圖Fig.4 The programming flow diagram of the EPS test bench

在試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、處理、分析等部分是在LabVIEW程序框圖面板上實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)VI前面板和框圖程序面板的程序是一一對(duì)應(yīng)的，通過(guò)在框圖程序面板的控件之間進(jìn)行連線和添加程序來(lái)處理采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并在前面板控件上進(jìn)行顯示。測(cè)試系統(tǒng)正向空載試驗(yàn)的部分框圖程序如圖5所示。

圖5 測(cè)試系統(tǒng)正向空載試驗(yàn)的部分框圖程序Fig.5 Some block diagram procedure of the test system under forward to no-load test

4 EPS試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果

本文以循環(huán)球式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為例進(jìn)行測(cè)試，將測(cè)試EPS安裝到試驗(yàn)臺(tái)上，測(cè)試系統(tǒng)正常工作，按照試驗(yàn)要求對(duì)EPS試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行輸入扭矩/輸出扭矩試驗(yàn)，方法如下：連接好輸入、輸出端，輸出端固定,汽車點(diǎn)火開(kāi)關(guān)開(kāi)啟，發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)開(kāi)啟，設(shè)置0 km/h、20 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h 5個(gè)不同車速，輸入軸從中間位置以30°/s±5%的轉(zhuǎn)速順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，直到達(dá)到10 N·m的力矩時(shí)，以同樣的速度反轉(zhuǎn)回到初始位置，再以相同的速度逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)輸入軸，直到達(dá)到-10 N·m的力矩，最后輸入軸回到中間位置，試驗(yàn)結(jié)束。圖6為輸入扭矩/輸出扭矩-速度特性曲線，在輸入扭矩/輸出扭矩試驗(yàn)中，測(cè)得在車速為0 km/h、20 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h 5個(gè)不同車速時(shí)曲線的對(duì)稱度分別為96.94%、95.38%、94.14%、93.02%、91.89%，均在試驗(yàn)測(cè)試要求的90%以上。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文所開(kāi)發(fā)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向基礎(chǔ)性能試驗(yàn)臺(tái)所測(cè)量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠，能夠達(dá)到EPS基礎(chǔ)性能試驗(yàn)要求的標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 輸入扭矩/輸出扭矩-速度特性曲線圖Fig.6 Input torque / output torque-speed characteristic curve

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于LabVIEW開(kāi)發(fā)了一套集數(shù)據(jù)采集、分析、處理、圖形繪制、數(shù)據(jù)顯示等一體的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向性能試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)，該測(cè)控系統(tǒng)主要用于對(duì)EPS的輸入、輸出扭矩，電動(dòng)機(jī)的吸收電流、馬達(dá)電流和電動(dòng)機(jī)提供的助力扭矩等信號(hào)的檢測(cè)并對(duì)某型汽車的循環(huán)球式EPS系統(tǒng)進(jìn)行基礎(chǔ)性能試驗(yàn)。本文開(kāi)發(fā)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向性能試驗(yàn)臺(tái)架可以準(zhǔn)確檢測(cè)汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)性能參數(shù)在滿足試驗(yàn)要求的前提下是否符合標(biāo)準(zhǔn)，為進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)EPS系統(tǒng)性能提供了方便。