基于xPC的阻尼可調減振器測試臺設計與試驗研究*

謝方偉 宣芮 張兵 王存堂 張凱

（江蘇大學）

基于xPC的阻尼可調減振器測試臺設計與試驗研究*

謝方偉 宣芮 張兵 王存堂 張凱

（江蘇大學）

為滿足阻尼可調汽車減振器對測試臺架頻率響應快和精度高的要求，設計了一種電液伺服式減振器測試臺架。該測試臺架電控部分基于xPC Target快速控制原型思想，利用上下位機聯合工作分別實現監控和控制。利用該測試臺架對阻尼可調汽車減振器的性能進行了測試，結果表明，該測試臺架可完全替代現有的機械式測試臺架，且能夠滿足阻尼可調汽車減振器對測試臺架響應和精度的要求。

1 前言

汽車減振器是實現汽車行駛舒適性和平穩性的主要部件，同時也是汽車懸架系統的重要組成部分[1]。近年來，阻尼可調汽車減振器日益受到業界推廣[2]，其不僅具備多級阻尼可變模式，還具有同一模式下壓縮狀態和回彈狀態不同的阻尼可變特性[3]。

在阻尼可調汽車減振器研發和試制過程中，對檢測產品性能的測試臺提出了更高的要求。我國減振器生產廠家大多使用傳統機械式測試臺，此種類型的測試臺通過電機帶動曲柄連桿機構將旋轉運動變為減振器活塞的直線往復運動，形成正弦激勵，進而驅動減振器主活塞做壓縮和回彈往復運動[4]。這種測試臺的頻寬和精度較低并且操作繁瑣，不能滿足阻尼可調汽車減振器的測試要求；當需要更改激勵信號參數時，必須停機更換機械裝置，操作相當不便[5]。電液伺服式減振器測試臺由于頻寬大、精度高，可以產生多種激勵信號，還能對信號的幅值、頻率等參數進行實時修改，越來越受到人們的重視[6]。

針對當前所研制的阻尼可調汽車減振器，本文設計了一種基于xPC快速控制原型思想的電液伺服式測試臺，該測試臺可完全替代機械式測試臺，能夠滿足阻尼可調汽車減振器對測試臺高頻響和高精度的要求。

2 測試臺總體方案

汽車減振器的測試臺是按照減振器的性能測試要求來設計的，主要依據汽車行業標準《QC/T 545—1999汽車筒式減振器臺架實驗方法》繪制出所研制的阻尼

可調汽車減振器的示功圖，即阻尼力F與位移x關系曲線[7]，同時，為測試車身負載的振動衰減性能，設計了模擬1/4車輛負載加速度衰減特性試驗。減振器測試臺組成如圖1所示。

從圖1可看出，該測試臺由機械、液壓和電控3個部分構成。機械部分主要由臺架和連接件組成，該部分是測試臺功能實現的基礎，其中臺架由導軌、滑套及支座組成，連接件用來連接液壓缸與減振器。液壓部分主要由油源、電液伺服閥和液壓缸等組成，是測試臺的驅動控制核心，圖中作動器即為閥控缸模塊，其中液壓缸為非對稱伺服液壓缸，活塞桿行程為120 mm，最高速度為0.6 m/s。電控部分主要由監控器、控制器和相關傳感器組成，利用數據采集與驅動板卡完成力、加速度和位移等信號的采集，同時驅動伺服閥控制液壓缸給減振器以激勵。

該測試臺的開發基于xPC Target快速控制原型設計思想，可以將控制策略直接應用于實物裝置，快速地進行半物理在線仿真和調試[8]。工程師只需要掌握Simulink和LabVIEW等相關軟件，就可以在項目開發階段使用Simulink所開發的控制策略進行實物驗證[9]。設計思想的優點在于考慮了被控對象的擾動、噪聲等實際因素，能夠快速發現模型的缺陷，仿真結果更接近實際應用效果，從而提高了項目開發效率。下面將對減振器測試臺的電控部分進行重點闡述。

3 電控部分硬件構成

為了繪制減振器示功圖和加速度特性曲線，根據測試臺的組成，需要采集減振器活塞桿的位移信號、減振器的阻尼力信號和車身負載的加速度信號，同時將系統控制信號送到伺服閥對作動器進行實時驅動。位移信號采用位移傳感器DA-75采集，DA-75的量程為150 mm，精度為1%FS，輸出電壓為-5～+5 V；阻尼力信號采用拉壓力傳感器RZZSA采集，RZZSA的量程為1 000 kg，精度為0.05%FS，輸出電流為4～20 mA；加速度信號采用加速度傳感器BZ1186采集，其量程為40 ms-2，精度為1%FS，輸出電流為4～20 mA；采用電液伺服閥FF106-100驅動作動器，FF106-100的額定電流為40 mA。根據測控系統采集信號的數量，采用的數據采集與驅動板卡包括六路模擬量輸入通道和三路模擬量輸出通道。減振器測試臺電控部分硬件組成如圖2所示。

該系統采用了2臺計算機，其中一臺作為上位機監控器，可運行Matlab R2011b、LabVIEW8.2和VC2005等軟件，負責數據存儲、顯示和控制參數實時修正等；另一臺采用研祥PC104-1812CN作為下位機控制器，采集傳感器數據和發送伺服閥驅動信號。

4 電控部分軟件結構

電控部分軟件由下位機和上位機兩部分程序組成，分別以Simulink和LabVIEW為編程工具。

4.1 下位機程序

下位機程序主要實現測試臺的伺服控制，其組成和Simulink模型分別如圖3和圖4所示。

從圖3和圖4可知，邏輯保護模塊產生控制信號，對測試臺進行初始化（如使作動器的活塞桿至中間位置），

并且根據現場的工作狀況進行故障診斷，確保測試臺處于安全狀態；信號發生模塊利用Simulink代碼產生常用的測試信號（如正弦、方波、掃頻和隨機等），這些信號的幅值、頻率和相位等參量可以實時修改；數據采集與驅動模塊包括AD和DA，負責將采集到的傳感器信號反饋至控制模塊，同時將控制模塊的驅動信號傳給伺服作動器。控制模塊是伺服控制的核心，利用位移、速度和加速度3個狀態前饋及反饋的控制策略，實現高頻、高精度控制；通訊模塊負責上位機與下位機的數據傳輸，并將參考信號和反饋信號上傳至監控器。

4.2 上位機程序

上位機程序與下位機程序的數據交互由Matlab提供的動態鏈接庫文件xpcapi.dll中相應xPC Target API接口函數實現[10]。下位機程序編譯后生成model.dlm、modelbio.m和modelpt.m等3個文件。上位機程序開始運行后首先對相關變量初始化，使得所有控件工作在確定狀態；然后打開網絡端口，建立通訊連接，下載model.dlm文件到下位機，再取得相應參數的操作標識符；最后運行下位機程序，觸發雙緩沖區，進行數據操作和參數修改。上位機程序流程如圖5所示。

對采集到的阻尼力和加速度數據運用算術平均濾波法去除高頻雜波后，在監控器上進行顯示、存儲或頻域分析操作。數據顯示模塊能夠顯示位移、力和加速度信號；數據存儲模塊可以保存需要離線分析的數據，以便后期處理；頻域分析模塊能夠明確所調試參數對系統性能指標的影響；參數修改模塊實時監測激勵信號的參數，若發生變化則調用動態鏈接庫中相應的函數進行修改。LabVIEW參數修改程序如圖6所示。

5 測試臺應用測試

選用帶空氣彈簧的四擋阻尼可調汽車減振器作為試驗對象，通過上位機程序修改激勵信號的幅值和頻率，并手動開關調節減振器的阻尼狀態。減振器測試臺、控制器和上位機操作界面分別如圖7～圖9所示。

5.1 示功試驗

進行示功試驗時，首先啟動液壓泵，調節手動開關使減振器處于1擋阻尼狀態；然后運行上位機，將閉環形式選為位置閉環控制，信號發生器選正弦信號；再設定正弦信號的幅值為0.025 m、頻率為0.331 Hz；點擊READY按鈕，等待伺服缸活塞桿升到中位；最后點擊START按鈕開始試驗。試驗過程中，減振器活塞桿以0.025 m行程、0.052 m/s速度進行壓縮和復原運動，點擊保存按鈕可保存位移和阻尼力數據。一組試驗結束后，關閉START，保持激勵信號的幅值不變，通過改變頻率使減振器活塞桿速度分別為0.131 m/s、0.393 m/s和0.520 m/s，再按照上述步驟重復試驗。根據保存的位移和阻尼力數據繪制示功圖，如圖10所示。由圖10可看出，減振器活塞桿以相同行程、不同速度運行時，速度越快，阻尼力越大，做功越多。

按照上述操作步驟，調節手動開關使減振器處于1擋阻尼狀態，設定激勵正弦信號幅值為0.025 m、頻率為3.31 Hz進行試驗，試驗后保存位移和阻尼力數據。再保持激勵信號不變，依次使減振器處于2、3、4擋阻尼狀態，分別進行試驗并保存數據，根據數據繪制示功圖，如圖11所示。由圖11可看出，該減振器在不同阻尼擋位下，壓縮阻尼力與復原阻尼力變化明顯，其中壓縮行程阻尼力＜0，復原行程阻尼力＞0；曲線1壓縮行程與復原行程的阻尼力均為最大值，減振器處于最硬狀態；曲線2壓縮行程比復原行程的阻尼力大，減振器處于硬壓縮、軟復原狀態；曲線3復原行程比壓縮行程的阻尼力大，減振器處于硬復原、軟壓縮狀態；曲線4壓縮行程與復原行程的阻尼力均為最小值，減振器處于最軟狀態。

5.2 振動試驗

進行振動試驗時，首先啟動液壓泵，調節手動開關使減振器處于1擋阻尼狀態；其次運行上位機，將閉環形式調節到位置閉環控制；然后點擊READY按鈕，此時伺服缸活塞桿升到中位；再選閉環形式為加速度閉環控制，信號發生器選正弦信號，設定幅值為20 m/s2、頻率為8 Hz；最后點擊START按鈕開始試驗。試驗過程中，減振器活塞桿在幅值為20 m/s2、頻率為8 Hz的加速度信號激勵下進行往復運動，點擊保存按鈕保存時間和負載加速度數據。一組試驗結束后關閉START，保持激勵信號幅值不變，分別使頻率為12 Hz和20 Hz，再按照上述步驟重復試驗。根據保存的時間和負載加速度數據繪制負載加速度特性曲線，如圖12所示。由圖12可看出，隨著激勵加速度信號的頻率增加，負載加速度分別由20 m/s2衰減到7.5 m/s2、3.0 m/s2和1.0 m/s2，分別衰減了62.5%、85%和95%，激勵信號的頻率越大，負載加速度越小，減振器效果更明顯。

按照上述操作步驟，調節手動開關使減振器處于1擋阻尼狀態，設定激勵加速度信號幅值為20 m/s2、頻率為10 Hz進行試驗并保存時間和負載加速度數據。再保持激勵信號不變，依次使減振器處于2、3、4擋阻尼狀態分別進行試驗并保存數據，繪制負載加速度特性曲線如圖13所示。由圖13可看出，該減振器在不同阻尼擋位下，負載加速度最大值變化明顯，在第4擋阻尼狀態下檢測到的負載加速度最小，激勵加速度值被衰減的最多，減振效果最好。

6 結束語

設計了一種基于xPC的電液伺服式減振器測試臺，與傳統機械式的減振器測試臺相比，所研制的汽車減振器測試臺頻寬大、精度高，完全滿足阻尼可調汽車減振器的性能測試要求。另外，該測試臺還能對激勵信號的幅值和頻率進行實時修改，模擬任意工況，顯示了基于xPC Target快速控制原型設計思想的優越性。試驗結果表明，根據試驗數據所繪制的減振器示功圖和負載加速度特性圖，曲線平滑流暢，沒有空程和畸變，完全符合國家標準的要求。

1 Milecki A，Hauke M.Application of magnetorheological flu? id in industrial shock absorbers.Mechanical Systems and Signal Processing,2012,28:528～541.

2 Fischer D，Isermann R.Mechatronic semi-active and active vehicle suspensions.Control Engineering Practice,2004,12（11）:1353～1367.

3 陳龍,喻力,崔曉利.阻尼多狀態切換減振器的性能仿真與試驗.江蘇大學學報（自然科學版）,2013,34（3）.

4 D'Elboux J E，Kliewer M，Adas C A，et al.Fatigue Table Test for Internal Parts of Shock Absorbers in Commercial Vehicles.SAE Technical Paper,2013.

5 曲承童,姜濤.減振器測試臺兩種不同機械加振方式的討論.長春理工大學學報(自然科學版)，2013（3）:92～94.

6 QC/T545-1999,汽車筒式減振器臺架試驗方法,1999.

7 劉學軍,劉存香.誤差補償PID調節的電液伺服減振器測試臺設計.測控技術，2010,29（7）:80～83.

8 WANG C,WANG S,LIU Z.Research on Real Time Simula?tion System Based on Matlab/xPC Target.Control Engineer?ing of China,2007:S2.

9 陸獻標.基于xPC目標的實時仿真系統驗證平臺開發：[學位論文].長春：吉林大學,2013.

10 朱野，王旭永，陶建峰，等.實時控制系統平臺xPC與LabVIEW接口分析及應用.上海交通大學學報，2008,42（2）:266～269.

（責任編輯 文 楫）

修改稿收到日期為2015年8月8日。

3 結束語

本文通過試驗結合主觀評價的方法得知發動機的進氣噪聲和車身低頻結構聲是噪聲的主要來源。針對進氣噪聲，設計了合適的波長管，并采用優化了消聲容積和擴張比的新型空氣濾清器，降低了進氣的中低頻噪聲成分；針對結構噪聲，調整了怠速轉速以避開結構共振，從而降低了低頻結構噪聲。最終大幅降低了車內噪聲，同時消除了異響，使汽車聲品質得到了顯著改善。

參考文獻

1 陳永新，張作洋，戴茂方.SUV整車振動噪聲的試驗研究.汽車技術,2005（7）:25.

2 韓松濤，沈洵灝.降低轎車車內異常噪聲的研究.噪聲與振動控制,2004,（3）:29.

3 王亮，羅虹，褚志剛，等.貨車怠速空壓機進氣噪聲控制研究.噪聲與振動控制,2009,（6）:55.

4 龐劍，等.汽車噪聲與振動.北京：北京理工大學出版社，2006：208～218.

5 封珺,周鋐,王二兵.車用空氣濾清器減聲量優化研究.汽車技術,2010,（3）:25.

（責任編輯 簾 青）

修改稿收到日期為2015年11月1日。

Design and Experimental Study of Test Bench for Damping Adjustable Shock Absorber Based on xPC

Xie Fangwei,Xuan Rui,Zhang Bing,Wang Cuntang,Zhang Kai
（Jiangsu University）

To meet the requirements for rapid frequency response and high precision of the automotive damping adjustable shock absorber,an electro-hydraulic servo type shock absorber test bench the is designed.The electronic control part of the test bench is developed based on xPC Target rapid control prototyping,and the monitor and control can be achieved via joint work of host and target computer.The test bench is used to test performance of the damping adjustable shock absorber.The results show that the test bench can completely replace the existing mechanical test bench,moreover, it can also meet the requirement of automotive damping adjustable shock absorber for response and precision.

Damping Adjustable Shock Absorber,Test Bench,Electro-hydraulic Servo,xPC Target

阻尼可調減振器 測試臺架 電液伺服 xPC Target

U467.3

A

1000-3703（2015）12-0044-05

江蘇省工業支撐重點項目子課題（項目編號：BE2013009-3）。