電動助力轉向測試系統設計

劉規劃

（1.東華大學信息科學與技術學院，上海 200051；2.天合汽車零部件（上海）有限公司，上海 201814）

電動助力轉向測試系統設計

劉規劃1，2

（1.東華大學信息科學與技術學院，上海 200051；2.天合汽車零部件（上海）有限公司，上海 201814）

在介紹汽車電動助力轉向(EPS)測試系統的基本原理和基本構成的基礎上，針對電動助力轉向性能評估與測試的需要，提出了一種基于虛擬儀器技術的測試系統平臺構建實現方式。采用本測試系統可以采集電動助力轉向控制過程中的各種信號，為電動助力轉向控制策略和控制參數的優化提供依據。測試結果表明該測試系統測試數據精準度高，處理結果穩定可靠。

電動助力轉向；測試系統；虛擬儀器；LabVIEW；數據采集

汽車電動助力轉向系統是汽車的重要安全部件之一，其持續耐久的正常工作是汽車行駛安全性與可靠性的有力保障。而要驗證該系統的可靠性及評估其性能是否能達到要求，需要具備電動助力轉向系統的測試平臺來執行驗證和評估。目前，盡管國內外EPS技術已經比較成熟，但對提高電動助力轉向的核心部件電子控制器（ECU）的綜合性能上，還有很廣的研究空間。且隨著該技術的成熟，如何進一步的降低成本、減少安全風險、縮短開發周期也成為新的關注點。基于虛擬儀器技術依靠LabVIEW編程平臺和NI數據采集模塊構建測試測控平臺，能夠便捷準確地獲得EPS的基本性能參數與數據，對EPS特性進行深度分析，利用這些參數、數據及分析結果，對深入研究EPS自身工作特性、優化EPS控制器控制邏輯和算法[1]、縮短EPS的開發周期等都是非常有益的。

1 測試系統原理

檢測EPS系統的工作特性是EPS設計開發的重要環節之一。EPS測試系統工作時，測控系統軟件控制伺服電機，使伺服電機輸出轉動扭矩給電動助力轉向系統的方向盤輸入端，EPS控制器根據采集到的扭矩傳感器的扭矩信號、NI采集卡發出的模擬車速信號、發動機引擎轉速信號等按照控制器中設定的軟件助力策略控制電機電流的幅值和方向，輸出轉向助力，后端磁粉制動器模擬車輛的前輪與地面摩擦力產生的阻力矩加載在電動助力轉向系統的輸出端，從而形成一個完全模擬整車實車環境的測試環境。

2 測試系統機械結構設計

本文設計構建的EPS測試系統平臺機械結構包括測試臺架，模擬轉向盤裝置（包括伺服電機、輸入扭矩傳感器、聯軸器），待測EPS（包括渦輪蝸桿減速機構、扭矩傳感器、控制器、直流有刷電機）、轉向傳動軸、加載裝置（包括輸出扭矩傳感器、磁粉制動器）等組件。測控系統機械結構見圖1。

圖1 EPS測試系統臺架機械結構圖

3 測試系統硬件設計

測試系統的硬件電氣部分由輸入端轉向驅動模塊、輸出端轉向阻力加載模塊和測控模塊構成。

3.1 轉向驅動模塊和阻力加載模塊

EPS輸入端轉向驅動模塊由安裝在測試臺架上的伺服電機和安裝在測試機柜中的電機伺服驅動板兩部分組成。工業控制計算機經由屏蔽信號線纜連接電機伺服驅動板，根據上位機軟件中設定的伺服電機旋轉角度、扭矩和轉速的參數，由驅動電路驅動伺服電機按測試要求運轉，來模擬駕駛人員實際駕駛車輛時轉動方向盤的動作[3]。EPS輸出端轉向阻力加載模塊由磁粉制動器模擬為自動測試提供轉向阻力矩。測控軟件界面中設置加載參數并通過多功能采集卡輸出控制信號以控制磁粉控制器加載需要的阻力矩。

3.2 測控模塊

測控模塊置于測試機柜中，由工控機、數據采集模塊、信號轉接板和程控電源等組成，見圖2。測控模塊以工業控制計算機為核心，結合多功能數據采集卡和LabVIEW測控軟件實現具有測控測量功能的虛擬儀器。計算機控制伺服電機提供轉向輸入端的輸入扭矩，同時以數據采集卡采集輸入和輸出扭矩傳感器信號、電流傳感器信號和輸入轉角信號，作為上位機軟件計算和評估的數據基礎。

工業計算機為虛擬儀器提供硬件平臺支持，其PCI插槽用于插接多功能數據采集卡，其串口與伺服電機模塊通信，其USB接口與可編程直流電源通信。該測控平臺工業計算機采用研華IPC-610L，其CPU是奔騰雙核E7400，主頻2.8 GHz，內存4 GB，500 G硬盤，具有4個高速PCI插槽。這款工業計算機性能穩定，能適應較惡劣的環境，可滿足測試的需要。數據采集卡采用NI PCI-9229多功能卡，該卡具有250 kS/s的采樣率和16位A/D轉換器分辨率，并具有32路16位模擬輸入、4路16位模擬輸出(833 kS/s)、48路數字I/O，2個32位計數器和一個頻率發生器，能對測試中的各種信號進行高效地實時采集[4]。用于采集助力電機電流的電流傳感器采用LEM CS050EK1型號，其原邊額定輸入電流為50 A，線性度≤1%FS，響應時間≤7μs，滿足電機最大30 A電流的測量需要。對扭矩傳感器，輸入端采用JN338AE-50，其轉矩準確度≤0.5%，測量轉矩范圍是≤50 N·m，輸出端采用JN338AE-100，其轉矩準確度≤0.5%，測量轉矩范圍是≤100 N·m。

圖2 測控模塊硬件構成圖

3.3 信號轉換電路

測控系統對信號的采集和供給是通過插在工控機PCI插槽上的NI數據采集卡實現，由于采集卡的數字信號I/O電平是標準TTL電平（0 V和+5V），模擬信號的采集和輸出最大峰值是+10 V電壓，但對于EPS系統點火信號需要12 V模擬信號，引擎信號和車速信號需要0 V/5 V的PWM方波信號，而且NI采集卡的AO信號端口最大驅動電流為5 mA，DO信號端口最大驅動電流為24 mA，不能滿足EPS控制器的信號驅動能力。這就需要有一塊用于匹配NI數據采集卡和控制器之間信號電平轉換的電路板，如下是對此信號轉換電路的設計。

NI多功能采集卡輸出+5 V時由轉接板轉換為輸出+12 V電路如圖3。

圖3 +5 V轉換為轉接板輸出+12 V電路

圖3轉換電路采用NPN型三極管作為開關電路，使用+5 V驅動三極管接通和關閉上拉的+12 V電源，當三極管基極由NI采集卡輸入+5 V時，三極管導通，則電路輸出0 V。而當三極管基極由NI采集卡輸入0 V時，三極管截止（不導通），輸出端由上拉電源提供12 V。此電路為輸入和輸出反向邏輯關系的電路，需要在使用時由上位機LabVIEW程序做反向處理。

NI多功能采集卡采集+12 V信號時由轉接板轉換為采集+5 V電路如圖4。

此轉換電路采用二極管作為開關電路，當輸入端是0 V時，二極管導通，則輸出端為0V（VCC為+5 V）。當輸入端為12 V，二極管不導通，則輸出端輸出上拉電源的+5 V。此輸入輸出為正向邏輯關系，不需上位機程序做反向處理。

圖4 12 V信號轉換為+5 V電路

4 測試系統軟件設計

本測試系統采用虛擬儀器技術，以LabVIEW為軟件編程平臺，實現數據采集、信號的產生和設備的控制。LabVIEW（Laboratory Virtual Instru? ment Engineering Workbench）是一種用圖標代替文本代碼行創建應用程序的圖形化編程平臺，它具有一個可以完成任何測量編程任務的龐大函數庫，LabVIEW的函數庫包括數據采集、GPIB控制、串口控制、數據分析、數據顯示及數據存儲等等，因此在測試測量領域具有明顯的優勢，是在工業領域和研究實驗室應用十分廣泛的數據采集和儀器控制軟件[5]。

4.1 測控軟件基本功能

使用LabVIEW編制的上位機軟件實現如下的功能：控制測試系統的供電電源，設置伺服電機和磁粉制動器工作參數并控制其運行，輸出EPS控制器需要的信號，采集扭矩傳感器和電流傳感器的信號，繪制特性曲線和顯示評估指標等[2]。基于這些軟件基本功能實現測試輸入輸出特性曲線、助力電流特性曲線、主動回正特性曲線、最大助力電流、最大/最小轉動力矩、空載轉動力矩、功效測量曲線、磁滯現象評價曲線、K因子曲線等評價EPS性能參數的特性測試并在虛擬儀器界面上實時顯示測量數據及性能分析評估結果。

測控軟件界面上需要顯示的信息如下：

（1）輸入轉矩值、輸出轉矩值、輸入軸轉速、磁粉制動器制動力矩；（2）車速值、引擎轉速值、點火開關狀態；（3）輸入輸出特性和助力電流特性曲線對稱度計算值；

（4）空載左/右轉輸入力矩值；

（5）EPS控制器當前診斷代碼（通過CAN總線發出）；

（6）測試曲線結果；

（7）最大助力電流值；

（8）位置傳感器信號采集值；

（9）伺服電機轉動角度值；

軟件界面采用虛擬儀表呈現，所有數據實時顯示，500 ms刷新一次。

4.2 信號采集與輸出

本測試系統需要軟件驅動多功能采集卡提供給EPS系統使其正常運行的信號有：模擬車速信號、發動機引擎轉速信號，發動機點火開關信號；針對測試臺的控制輸出信號有：為EPS系統提供輸入扭矩的伺服電機控制信號、試驗臺模擬負載磁粉制動器加載扭矩調整信號等。測試系統需要采集的數據有：EPS系統工作電壓、助力馬達電流、EPS系統輸入輸出端扭矩和轉動角度等。

上位機軟件通過NI采集卡輸出和采集信號，并實現對設備的控制，圖5是信號采集與輸出框圖。

圖5 信號采集與輸出框圖

4.3 測控軟件模塊框圖

本電動助力轉向測試系統采用LabVIEW圖形化編程平臺編制測控軟件實現對信號的采集和輸出，對數據的采集與輸出在硬件上依賴于NI多功能數據采集卡，軟件上依賴于硬件驅動程序和數據采集庫函數。數據采集卡都有自己的驅動程序，硬件驅動程序是應用軟件對硬件的編程接口，它包含了特定硬件可以接受的操作命令，完成與硬件間的數據傳遞。采用NI的數據采集卡的好處就是廠家已經提供了驅動程序及與LabVIEW的接口程序，無需再自己編寫，作者則側重在如何在LabVIEW中編寫測控程序實現儀器控制和數據采集。依據實現功能不同來劃分的軟件功能模塊圖如圖6。

圖6 軟件功能模塊圖

5 結論

本文提出了一種汽車電動助力轉向的性能測試系統設計方案，采用LabVIEW編制的測控系統上位機軟件控制伺服電機和磁粉制動器提供驅動和加載扭矩進行電動助力轉向系統性能測試。經測試驗證，該測試系統能有效地進行電動助力轉向系統的各種性能測試及對電動助力轉向系統的持續耐久的工作性能進行評估，為電動助力轉向系統開發研究及進一步性能優化提供數據依據。

［1］Yasuo Shimizu，Toshitake Kawai.Development of elec?tricpowersteering［J］.In： SAE Paper［C］. 910014：551-556.

［2］季學武，馬小平，陳奎元.EPS系統性能試驗研究［J］.江蘇大學學報：自然科學版，2004，25（2）：116-119.

［3］王其東，楊孝劍，陳無畏，等.電動助力轉向系統控制的臺架試驗研究［J］.汽車工程，2004，26（5）：553-555.

［4］施國標，林逸，鄒常豐，等.汽車電動助力轉向試驗臺測試系統開發［J］.測控技術，2005，24（3）：23-25.

［5］程壽國，陳小龍.汽車電動助力轉向系統改裝技術研究［J］.機電工程，2013（3）：314-317.

［6］白云，高育鵬，胡小江.基于LabVIEW的數據采集與處理技術［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2009.

Design of Measurement System for Electric Power-Assisted Steering

LIU Gui-hua1，2
（1.College of Information Science&Technology，Donghua University，Shanghai 200051，China；2.TRW Automotive Components Shanghai Co.，Ltd.，Shanghai 201814，China）

The article introduces the operating principle and elementary structure of the measurement system for electric power-assisted steering(EPS).Based on the need for EPS performance evaluation and measurement，an approach which is to build the EPS measurement system based on virtual instrument technology is proposed.The measurement system can acquire various signals from electric power-assisted steering system，which supports to do research on control strategy and control parameter.The measurement result indicates that test data is of high accuracy and the measurement system is stable and reliable.

measurement system；virtual instrument；LabVIEW；data acquisition

U463.4

A

1009－9492(2014)09－0031－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.09.008

劉規劃，男，1980年生，河南上蔡人，碩士，高級工程師。研究領域：控制工程。 (編輯：阮 毅)

2014－03－04