電動助力轉向系統NVH特性數據采集與性能評價

楊金廣 蔣萍 于剛 張晴

文章編號：1671-3559（2024）03-0350-06DOI：10.13349/j.cnki.jdxbn.20240311.001

摘要： 針對汽車電動助力轉向系統NVH特性數據存在多點位異步采樣誤差較大， 且選取性能評價依據單一的問題， 設計一種二十四通道NVH特性數據同步采集與多角度特性分析系統； 采用多個數據采集模塊聯結、 同步動態隨機存儲器讀寫、 高速串行計算機擴展總線融合的方式， 實現二十四通道NVH特性數據的同步精確采集與快速傳輸； 從機械性能與聲振特性方面對電動助力轉向系統NVH特性進行多角度分析與評價。 結果表明， 與傳統測試方法相比， 所提方法可實現多點位同步高精度采樣與多角度信號時頻域分析， 每個通道數據采集速率可達200 kHz/s， 時頻域分析依據更豐富、 更全面。

關鍵詞： 電動助力轉向系統； NVH特性； 數據采集； 性能評價

中圖分類號： TP29； U467

文獻標志碼： A

開放科學識別碼（OSID碼）：

Data Acquisition and Performance Evaluation of

NVH Characteristics of Electric Power Steering System

YANG Jinguanga， JIANG Pinga， b， YU Ganga， ZHANG Qingb

（a. School of Electrical Engineering， b. School of Information Science and Engineering，

University of Jinan， Jinan 250022， Shandong， China）

Abstract： To solve the problem that NVH characteristics data of automotive electric power steering system had a large multi-point asynchronous sampling error and the performance evaluation basis was single， a 24-channel synchronous data acquisition of NVH characteristics and multi-aspect characteristic analysis system was designed. By means of connecting multiple data acquisition modules， reading and writing by synchronous dynamic random-access memory， and fusing peripheral component interconnect express， the synchronous， accurate acquisition and fast transmission of 24-channel NVH characteristics data were realized. The NVH characteristics of electric power steering system were analyzed and evaluated from the aspects of mechanical property and noise and vibration characteristics. The results show that compared with the traditional test methods， the proposed method can realize multi-point synchronous high-precision sampling and multi-aspect signal time-frequency domain analysis， and the data acquisition rate of each channel can reach 200 kHz/s， and the time-frequency domain analysis basis is richer and more comprehensive.

Keywords： electric power steering system; NVH（noise-vibration-harshness） characteristics; data acquisition; performance evaluation

汽車的噪聲（noise）、 振動（vibration）和聲振粗糙度（harshness）統稱為汽車的NVH特性，是衡量現代汽車制造工藝水平的一個綜合性指標。全球知名車輛品質評價公司J.D.Power評估車輛質量性能指

收稿日期： 2023-04-03????????? 網絡首發時間：2024-03-11T15：02：04

基金項目： 國家自然科學基金項目（62271230）

第一作者簡介： 楊金廣（1998—），男，山東泰安人。碩士研究生，研究方向為智能信息處理。E-mail：2660166344@qq.com。

通信作者簡介： 蔣萍（1980—），女，山東菏澤人。教授，博士，碩士生導師，研究方向為智能信息處理。E-mail：cse_jiangp@ujn.edu.cn。

網絡首發地址： https：//link.cnki.net/urlid/37.1378.N.20240311.0949.002

標中有近1/3的質量要求與車輛的NVH特性直接相關［1］，汽車的NVH特性成為區分汽車品牌優劣的重要標準之一。汽車整車由多個復雜系統組成，且各個系統具有其獨特的NVH特征，整車NVH特性研究較為復雜，通常把整車NVH特性分成多個子系統分別進行研究，主要集中在動力總成懸置NVH特性、 變速器振動噪聲、 制動振動噪聲等方面。電動助力轉向系統作為汽車的轉向裝置，是車中距離駕駛者最近的噪聲源之一，在轉向時若產生異響或振動將嚴重影響駕駛者及乘客的乘坐舒適性，因此電動助力轉向系統的NVH特性分析對于整車質量性能評估具有重要意義。

電動助力轉向系統可追溯到1998年的鈴木Cervo輕型車， 至今已發展二十余年， 國內外許多專家學者從不同角度對改善電動助力轉向系統NVH性能展開了相關研究。 Champagne［2］通過研究電動助力轉向系統振動與主觀額定值的相關性， 明確電動助力轉向系統對方向盤振動的主觀反應。 Ishii等［3］采用小波變換技術對電動助力轉向系統機械噪聲源進行識別。 Besson等［4］建立非線性模型對電動助力轉向系統的動態特性進行研究。 Zeng等［5］基于MATLAB軟件對電動助力轉向系統進行控制建模優化及仿真。 Lennstrm等［6］給出了電動汽車電動助力轉向系統的車內噪聲聲學評價參量和聲學傳遞函數。 Freund等［7］建立電動助力轉向系統的數學模型， 給出特征方程和振型的顯式表達式， 研究不同參數對固有頻率的影響。 Pietrusiak等［8］對存在沖擊或沖擊源問題的NVH進行分析。 Wróbel等［9］采用有限元方法研究了電動助力轉向系統中的噪聲和振動問題， 對NVH性能進行了仿真研究。 曹瑞等［10］對電動助力轉向系統共振頻率的測量和計算進行了研究。 桑帥軍等［11］對某型電動助力轉向系統進行振動噪聲測試， 將測得的噪聲信號分頻段還原， 分析了產生異響的原因。 袁崇輝等［12］對汽車電動助力轉向系統進行了模態分析， 得出電動助力轉向系統應力分布情況和固有頻率。 劉培培等［13］通過整車動力模型對電動助力轉向系統的助力特性進行了研究。 李健等［14］對轉向系統的NVH性能進行了仿真分析和試驗測試。 錢結苗［15］對電動助力轉向系統噪聲部件的運轉規律進行了研究。 夏薇等［16］研究了振動噪聲源對電動汽車NVH特性的影響規律。 于發加［17］提出了基于模糊控制的電動助力轉向系統控制方法。

目前對電動助力轉向系統NVH特性的研究主要集中在助力特性、動力學建模、 控制策略、 關鍵零部件等方面，分析方法多基于仿真數據或將樣件拆卸后逐個點位依次采集，數據存在不完備、與實際數據偏差較大等問題，如采樣點位之間即使時間間隔較小，仍存在開始采樣時刻、 采樣時序不統一的問題，上述分析方法產生的誤差會對整個電動助力轉向系統的NVH特性分析產生較大影響。另外，現有NVH特性分析方法多基于單一零部件的機械性能或聲振特性分析，不足以支撐電動助力轉向系統整體NVH性能評價。本文中設計一種適用于電動助力轉向系統的二十四通道NVH特性數據同步采集系統，通過時頻域雙分析方法對電動助力轉向系統的NVH特性進行性能評價，從而解決汽車電動助力轉向系統NVH特性實驗存在多點位異步采樣誤差大，且選取性能評價依據單一等問題，對提升新能源汽車電動助力轉向系統品質，提高整車制造水平具有重要意義。

1? 數據采集點位布局

定義u1、 u2、 …、 up為測試部件，p可根據測試部件精度需求增加或刪減。本文定義p=6，其中u1為方向盤，u2為轉向管柱，u3為萬向節，u4為電動助力電機，u5為轉向器，u6為電子控制單元。其中電動助力轉向系統結構及測試點位如圖1所示，共20個點位，取其20%作為通道裕量，共計24個采集通道。

所采集的NVH特性數據包括聲振數據（噪聲、 振動）、 機械數據（固有頻率、 逆向載荷、 輸入-輸出扭矩間隙檢測）等， 其中， 聲振數據表征電動助力轉向系統NVH品質， 機械數據表征電動助力轉向系統合格性， 若樣件不合格則無法進行NVH特性實驗。

由于測試點位較多，因此本文中選擇轉向管柱帶中間軸的間隙檢測扭矩特性作為機械性能分析數據，選擇電動助力電機聲學特性作為聲振特性分析數據，對應圖1中的15、 20點位，其他點位分析方法與之類似。

1.1? 間隙檢測扭矩特性

轉向管柱帶中間軸間隙檢測扭矩特性輸出軸端安裝力矩傳導齒輪，扭矩傳感器連接相同力矩傳導齒輪且尾端固定，傳導齒輪相互嚙合。設定不同車速信號，完成“中—左—右—中—右—中”的扭矩輸入，記錄輸入扭矩與輸出扭矩關系曲線，此測試點位于轉向管柱末端，實現非拆卸測量，通過齒輪傳動實現輸出力矩數據采集。

由式（1）赫茲公式可得到齒輪在整個嚙合過程中齒面接觸應力σh變化的解析解，進而求得轉換后的扭矩。比較實際輸出力矩與理論結果，繪制間隙檢測扭矩特性曲線。

σh=

Fn1ρ1±1ρ2πL1-μ21E1+1-μ22E2 ，（1）

式中： σh為接觸應力； Fn為法向力； L為接觸線長度； ρ1、 ρ2為2個齒廓在節點處的曲率半徑，取ρ1=ρ2； E1、 E2為2個齒輪材料的彈性模量； μ1、 μ2為2個齒輪材料的泊松比。

1.2? 電動助力電機聲學特性

電動助力電機噪聲測試點位于電動助力電機殼體上方，設置不同車速信號，對采集到的信號進行時頻域分析，找出由內部齒輪在嚙合傳動中所產生的振動激勵引起的中高頻嘯叫噪聲，并得出電動助力電機聲學特性的頻率范圍，確定電動助力電機齒輪嚙合是否合理。

2? 數據采集系統設計

電動助力轉向系統NVH特性數據采集系統如圖2所示，系統由采集端與現場可編程邏輯門陣列（field programmable gate array，FPGA）主板組成。

采集端由數據采集模塊（本文中選用雙通道24位同步采集芯片PCM4220）、 時鐘晶振、 電源等組成，實現NVH數據的采集。FPGA主板由同步動態隨機存取內存（synchronous dynamic random access memory，SDRAM）讀寫模塊、 高速串行計算機擴展總線標準（peripheral component interconnect express，PCIe）數據傳輸模塊、 時鐘模塊等組成，實現對整個系統的邏輯控制和指令輸出。

FPGA—現場可編程邏輯門陣列； PCIe—高速串行計算機擴展總線標準； IP—知識產權。

圖2? 電動助力轉向系統NVH特性數據采集系統

2.1? 數據采集端設計

本文中設計的NVH特性數據采集系統為二十四通道同步24位高速采集，采用12個數據采集模塊并聯且共用位時鐘與幀時鐘的方式實現二十四通道同步采集，其中模塊1—4、 5—8、 9—12分別構成采集子模塊Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ。

由于采集的NVH特性信號源是浮動的，因此采用偽差分連接方式，每個信道時隙長32位，時隙中有24位數據左對齊，音頻數據首先為最高有效位，每個數據采集模塊設備的子幀分配由相應的引腳設置選擇。

2.2? 數據濾波處理

本文中采用π型的電阻-電容（RC）濾波方法濾除環境對硬件采集系統的干擾， 采用巴特沃斯濾波對電動助力轉向系統NVH特性數據進行濾波， n階巴特沃斯低通濾波器的增益G（ω）如式（2）所示。

G2（ω）=H（jω）2=G201+ω/ωc2n ，（2）

式中： H（jω）為巴特沃斯濾波器的傳遞函數； G0為直流增益； ω為拉普拉斯變換的復頻域變量； ωc為截止頻率。

2.3? 數據采集控制系統設計

電動助力轉向系統NVH特性數據采集控制系統如圖3所示。 采集的NVH特性數據通過SDRAM寫操作緩存到FPGA， 采集端與SDRAM寫操作共用頻率為200 kHz的時鐘和同步信號。 緩存的NVH特性數據通過SDRAM讀操作和PCIe總線高速傳輸到分析端， PCIe數據傳輸模塊與SDRAM讀操作共用頻率為50 kHz的時鐘和同步信號， 其中分析端通過PCIe接口與PCIe數據傳輸模塊連接。

FPGA—現場可編程邏輯門陣列； SDRAM—同步動態

隨機存取內存； PCIe—高速串行計算機擴展總線標準。

2.3.1? 數據SDRAM讀寫模塊設計

對采集到的電動助力轉向系統NVH特性數據進行讀寫操作需要用到高級可擴展總線接口，該接口由讀地址、 讀數據、 寫地址、 寫數據、 寫響應5個獨立的通道構成。NVH特性數據寫傳輸用到寫地址、 寫數據、 寫響應3個通道，主機在寫地址通道給出寫地址和控制信號，然后在寫數據通道連續突發寫4個數據，從機在接收數據之后，在寫響應通道給出響應信號。數據讀傳輸原理亦然。

NVH特性數據的寫入存儲和讀取發送流程如圖4所示。 對于讀寫數據操作， 接收開始指令后， FPGA為讀寫數據配置參數， 等待高級可擴展總線主機讀寫數據模塊已準備的響應，FPGA收到響應后， 配置工作模式、 采樣時鐘頻率等參數。 對于寫數據操作， 首先清空SDRAM內存， 發送同步信號至采集端， 通過高級可擴展總線接口將采集數據寫入FPGA， 解析數據后緩存至SDRAM中。 對于讀數據操作， FPGA發送同步信號至PCIe傳輸模塊， 接收同步信號后， 高級可擴展總線接口進行讀操作， 并將讀取的緩存數據通過PCIe總線傳輸給上位機。

SDRAM—同步動態隨機存取內存；

PCIe—高速串行計算機擴展總線標準。

2.3.2? 數據PCIe傳輸模塊設計

NVH特性數據通過PCIe數據傳輸模塊從FPGA主板傳輸到上位機分析端，模塊由PCIe總線、PCIe工作站、PCIe連接器等組成，實現NVH數據的高速率傳輸。

圖5為PCIe數據傳輸流程圖。由圖可知，上位機檢測到PCIe設備后，在上位機分析端選擇對應通道數，此時會開辟相應數量通道的緩存區，之后開啟33 ms定時器，最終通過PCIe讀取數據顯示到上位機窗口。

3? 電動助力轉向系統NVH性能評價

3.1? 機械性能

選取點位15作為機械性能測試點。由于轉向管柱底端與萬向節連接不便拆卸，因此轉向管柱扭矩信號通過雙齒輪嚙合方式傳導。扭矩傳感器前端連接從動扭矩傳導齒輪中心軸，后端處于固定狀態，為了不影響雙齒輪嚙合運動，扭矩傳感器線束從外側引出。

點位15的轉向管柱末端間隙檢測扭矩特性曲線如圖6所示，其中間隙值等于左極限點橫坐標絕對值與右極限點橫坐標絕對值之和，由此可以得到點位15的機械性能的間隙檢測扭矩特性參數，判斷樣件是否可以進行后續NVH特性實驗。

3.2? 聲振特性

選取點位20作為聲振特性測試點。該點位數據對電動助力電機嘯叫進行診斷，采用TA143型三軸加速度計，點位20的電動助力電機殼體上方聲振特性數據曲線如圖7所示。通過該曲線可以直觀地理解電動助力電機聲振特性數據的變化趨勢。

選取點位20的電動助力電機殼體上方聲振特性數據的8～10 s電機無嘯叫區域，對該區域進行快速傅里葉變換（FFT），FFT變換結果如圖8所示。從圖中可以看到，各頻率的振幅分布相對平緩，不存在嘯叫尖峰。

選取點位20的電動助力電機殼體上方聲振特性數據的14～16 s電機存在嘯叫區域，對該區域進行FFT變換，FFT變換結果如圖9所示。從圖中可以看到，在600～1 400 Hz頻段內的振幅分布較為陡峭，存在嘯叫尖峰。

回放音頻并觀看頻譜圖， 得出在嘯叫聲音存在時， 在頻率600～1 400 Hz處存在一個尖峰， 無嘯叫時， 不存在尖峰。 為了驗證600～1 400 Hz頻段存在訴求的嘯叫， 使用帶阻濾波， 過濾掉頻率600～1 400 Hz的聲音， 600～1 400 Hz頻段帶阻濾波結果

如圖10所示，由圖可以看出，600～1 400 Hz的頻率成分被完全過濾掉。回放后整個音頻沒有聽到嘯叫，確認嘯叫存在于600～1 400 Hz頻段，得出電動助力電機存在嘯叫時的聲振特性，找出由內部齒輪在嚙合傳動中所產生的振動激勵引起的中高頻嘯叫噪聲并得出其頻率范圍。

4? 結論

本文中提出一種電動助力轉向系統NVH特性數據采集與性能評價方法，能夠實現對電動助力轉向系統NVH特性數據的二十四通道同步24位高速采集和多角度特性進行分析，能對電動助力轉向系統NVH特性進行有效的性能評估與改善。實驗結果表明，該方法在電動助力轉向系統NVH特性數據同步采集與性能評價方面具有適用性，與傳統測試方法相比，該方法可實現多點位同步高精度采樣與多角度信號時頻域分析，每個通道數據采集速率可達200 kHz/s，時頻域分析依據更豐富、更全面。

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（責任編輯：劉建亭）