LabVIEW測試系統在EPS實訓臺上的應用

謝 斌, 劉 柯

(中國農業大學 工學院, 北京 100083)

LabVIEW測試系統在EPS實訓臺上的應用

謝 斌, 劉 柯

(中國農業大學 工學院, 北京 100083)

為豐富“車輛電子控制實驗”課程實驗教學內容,基于LabVIEW開發了一套具有數據采集、存儲和分析處理等功能的EPS實訓臺測試系統。該系統不但能演示實驗,而且能夠進行轉矩傳感器、驅動電機、發動機轉速和轉速脈沖等電壓信號的采集測試與分析實驗,涉及汽車構造、汽車原理、電工學、LabVIEW編程等課程知識,有助于從多方面提高學生的動手能力和科研能力,具有較高的教學實用性。

測試系統； EPS實訓臺； LabVIEW； 實驗教學

電子助力轉向(EPS)是車輛工程專業學生必須學習的專業知識,而實驗教學是EPS學習的重要途徑之一。傳統的EPS實訓臺在實驗教學中只能完成點火、轉向及轉角演示實驗[1-2],所以有必要對EPS實訓臺進行進一步開發。文獻[3]設計了汽車電動助力轉向系統的助力特性測試系統,可以為EPS控制器的設計以及控制策略的制訂提供一定的參考依據；文獻[4]設計了一套汽車EPS試驗臺及測控系統,建立了數學模型,實現了系統的自動化；文獻[5]基于ARM7TDM1-S內核的高性能芯片LPC2131,對汽車電動助力轉向控制系統進行了設計和優化。

筆者采用LabVIEW工具,開發了一套控制算法和控制策略更簡單、更適用于實驗教學的EPS測試系統。該系統大大地增加了EPS實訓臺的實用性,使學生能夠更加深入地掌握汽車電子控制系統的理論知識和設計方法。

1 測試系統總體設計

針對EPS實訓臺設計了本測試系統,其主要包括測試控制柜、計算機和LabVIEW程序3部分。

EPS實訓臺作為測試系統的動作執行機構,其主要作用為:(1)完整展示EPS的結構及工作原理；(2)模擬汽車行駛的各種路面情況及地面阻力；(3)產生各種EPS的輸入信號,包括轉矩信號、模擬車速信號、發動機信號等。其中轉矩信號由伺服電機提供,模擬車速信號與發動機信號由脈沖發生器提供。

測試控制柜建立起實訓臺與計算機之間的連接,其主要作用是檢測EPS的各項輸入信號,并轉換為數字信號作為計算機部分的輸入信號。

計算機是測試系統的控制中心。系統以工業控制計算機為核心,搭配PCIe-6363數據采集卡。計算機負責整個系統的數據采集、采樣數據的分析處理,將分析處理后的結果以命令的形式發送到執行單元,并對EPS各項性能數據進行記錄和顯示[6-9]。

LabVIEW是一種圖形程序語言,通過LabVIEW設計出汽車電動助力轉向仿真系統,此仿真系統通過對車輛相關參數的計算,得到汽車轉向性能的表征指標。

本測試系統的總體結構如圖1所示。

圖1 測試系統總體圖

2 EPS實訓臺

EPS實訓臺主要包括電子控制單元(ECU)、電機、減速機構、旋轉編碼器、光耦隔離模塊、速度傳感器及轉矩傳感器等部件。

2.1 電子控制單元(ECU)

ECU的功能是根據車速信號、轉向盤扭矩信號進行邏輯分析與計算，然后發出指令,控制電機和離合器的動作。此外,ECU還有安全保護和自我診斷功能。ECU通過采集電機的電流和電壓、發動機工況等信號,判斷系統工作狀況是否正常。一旦系統工作異常,助力將自動取消,系統轉變為手動轉向狀態,同時ECU將進行故障診斷分析。由于電動助力轉向系統存在非線性因素(如摩擦和阻尼),元件的磨損、路面條件的變化和傳感器噪聲也會給系統帶來不確定性,因此控制系統應有較強抗干擾能力,以適應汽車復雜的行駛環境,并能有效地實現理想的助力規律與特性[10]。

2.2 旋轉編碼器

編碼器是一種將角位移轉換成一連串電數字脈沖的旋轉式傳感器,這些脈沖能用來測量角位移。本實驗需采集方向盤及兩前輪的轉角信號,采用歐姆龍E6B2-CWZ6C增量型編碼器(NPN型輸出),分別安裝在轉向齒輪所在扭桿和兩個車輪轉盤的下方。編碼器分辨率為1 800 P/r,即每轉產生1 800個脈沖信號[11]。

2.3 信號發生器

由于EPS實訓臺不能產生實際車速及發動機轉速,故采用NE555脈沖信號發生器模擬車速脈沖。該信號發生器可產生3擋可調方波信號,分別為低頻擋1～50 Hz,中頻擋50～1 000 Hz,高頻擋1～10 kHz,用以模擬不同的車速[12-13]。

3 測試控制柜

測試控制柜集成了EPS實訓臺和計算機部分的電路總成,柜中布置有工業控制計算機、PLC工控板、PCIe-6363數據采集卡、顯示屏及操作所需的鍵盤、鼠標等。測試控制柜能夠為實訓臺、工控機提供5 V、12 V、±15 V、24 V、48 V、220 V及可調3～12 V電源。

3.1 工業控制計算機

測試系統采用研華IPC-610-L工業控制計算機。此計算機支持ATX母板或多達15槽的PICMG無源底板；支持300 W單PS/2和冗余ATX電源；抗沖擊磁盤驅動器托架可支持3個5.25英寸磁盤驅動器和1個3.5 英寸磁盤驅動器；可鎖面板前門能夠防止未經許可對計算機進行訪問；其獨特的固定壓條和防振設計使計算機能夠在沖擊、振動和灰塵較多的惡劣環境下工作。

工業控制計算機采用了AIMB-784主板,搭配Intel第四代Core i7處理器,擁有4個DIMM插槽,最大支持32 GB DDR3 1333/1600,支持雙顯示VGA/2 DVI-D和雙GbE LAN,支持SATA RAID、USB 3.0。

3.2 PLC工控板

測試系統采用了FX1N-22MR和FX1N-40MR兩款可編程控制器(PLC),旋轉編碼器產生的脈沖信號輸入到PLC,信號處理后經過光電隔離模塊轉換為數字信號傳輸到計算機中[14]。

3.3 PCIe-6363數據采集卡

PCIe-6363數據采集卡的基本功能為模擬量及數字量輸入和輸出、A/D轉換、定時及計數等。PCIe-6363有高達10 GΩ的輸入阻抗,能夠有效減小干擾電流對輸入信號的影響,從而提高數據采集的精確度。此外,PCIe-6363還能檢測到4 μV的電壓輸入信號,靈敏度極高。PCIe-6363還提供了多種不同模式的連接信號的方法,包括8個模擬輸入通道都有不同的模式及16路模擬輸入通道的非接地單端模式等[15-17]。

4 測試程序

本測試系統中實訓臺的轉矩傳感器電壓、驅動電機電壓、發動機轉速電壓和轉速脈沖電壓等由各類傳感器和編碼器采集轉換成模擬信號后,經信號調理電路放大和濾波,再由PCIe-6363數據釆集卡采集，將數據傳至計算機系統中，由LavVIEW程序進行分析處理。

數據采集的流程如圖2所示。本測試程序首先利用“DAQmx創建物理通道”子模塊創建模擬輸入通道,設置輸入電壓范圍為-10 V～+10 V；然后通過“DAQmx讀取”子模塊讀取通道數據,即完成數據的采集；數據采集完成后,通過“DAQmx存儲”子模塊將數據存儲到設定的路徑；最后,通過“DAQmx清除任務”子模塊清除任務,節省內存空間。

圖2 數據采集流程圖

模擬信號采集程序前面板如圖3(a)所示,車輪轉角及方向盤轉角測量程序前面板如圖3(b)所示。在程序中均設置了信號的上下限,保證合適的測量范圍；設置了采樣時間、采樣率,控制采樣數量及速度；設置了采集數據的存儲路徑,并可以根據需要加以修改；設置了信號輸入類型和采樣模式。點擊“開始”后,程序即刻顯示各參數輸出波形,波形會隨著方向盤轉動等輸入信號的改變而改變。點擊“開始記錄數據”按鈕即開始記錄數據,再次點擊此按鈕即可停止記錄,點擊“停止”按鈕程序結束。

圖3 Labview程序前面板

5 實驗測試與結果分析

本測試系統在EPS實訓臺上的開發應用,使實訓臺在教學中可以完成如下實驗:

(1) EPS助力特性實驗；

(2) 驅動電機電壓等模擬信號采集實驗；

(3) 車輪轉角及方向盤轉角在電動助力轉向中的相互轉換關系實驗。

其中,EPS助力特性對汽車的操縱穩定性和轉向路感有很大影響,是EPS系統的關鍵技術之一[18]。

5.1 實驗測試

NE555脈沖信號發生器可產生4擋信號,因中高頻擋和高頻擋所模擬的車速均屬于高速擋,所以通過NE555脈沖信號發生器產生3擋信號:低頻擋、中頻擋和高頻擋,分別模擬汽車的低速擋、中速擋和高速擋。

針對不同的擋位對方向盤施加扭轉力,可以直觀地了解不同模擬車速狀態下方向盤轉動阻力的大小。轉矩傳感器安裝在方向盤輸入軸上,其電壓值的大小與輸入軸轉矩的大小成正比,驅動電機為轉向系統提供助力,電機電壓值大小與助力的大小成正比。所以通過LabVIEW測試系統采集轉矩傳感器電壓信號和驅動電機電壓信號的變化,即得到了輸入軸轉矩和助力矩的變化,并以折線圖的形式顯示出來,可分析驗證助力特性實驗的合理性。

分別在3種擋位下,啟動EPS實訓臺,運行LabVIEW測試程序開始采樣,通過方向盤的不同轉動情況觀察不同車況下轉向阻力矩、助力矩隨車速的變化關系即助力特性:先不轉動方向盤,使其平穩工作,然后緩慢勻速地轉動方向盤至一定角度后,突然加快旋轉速度,最后恢復平穩。實驗得到轉矩傳感器電壓和驅動電機電壓的變化曲線,如圖4所示。

圖4 不同模擬車速下實驗結果

5.2 結果分析

由圖4(a)可得,當脈沖信號發生器處于低速擋時,轉矩傳感器的電壓值總體較低,最大值不超過0.7 V,相應的轉向阻力矩較小,與低速狀態下轉向輕便的理論相符，且驅動電機電壓與轉矩傳感器電壓的變化趨勢總體相同。當平穩地轉動方向盤時,電壓值波動平緩；快速地轉動方向盤時,電壓值波動劇烈。這說明低車速時驅動電機對方向盤轉矩有良好的跟蹤效果。

當脈沖信號發生器處于中速擋時,轉矩傳感器的電壓值有了明顯的提升,電壓平均值在2.5 V以上,驅動電機電壓值總體在5 V以上,與車速增大則轉動阻力增大的理論相符。此時,驅動電機電壓與轉矩傳感器電壓的變化趨勢仍相同,驅動電機對方向盤轉矩仍有良好的跟蹤效果。

當脈沖信號發生器處于高速擋時,轉矩傳感器的電壓值進一步上升,電壓平均值達3 V左右。快速轉動方向盤時,轉矩傳感器最大電壓可達5 V左右,與高速時轉動更加平穩的理論相符。此時驅動電機電壓值為定值,這是由于電機額定功率的有限,助力矩增大到一定值后保持不變,與理論也是相符的。

6 結語

本文基于LabVIEW測試系統原理,搭建了EPS實訓臺測控系統硬件平臺,開發了測試系統的LabVIEW程序,使系統具有數據采集、數據存儲和分析處理等功能。通過實驗,可以很好地觀察EPS的助力特性、驅動電機電壓等模擬信號的變化、車輪轉角與方向盤轉角在電動助力轉向中的相互轉換關系。這種硬件與軟件相結合的實驗形式,能更好地培養學生的邏輯思維能力,幫助學生掌握科學的研究方法。類似的方法在其他學科也能夠適用。

References)

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Application of LabVIEW measurement system in EPS training platform

Xie Bin, Liu Ke

(College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

In order to enrich the experimental teaching content of “Vehicle electronic control experiment,” based on LabVIEW development environment, this article builds up a system hardware platform including EPS training equipment and control cabinet, etc. and develops an EPS measurement system which includes a set of data acquisition, data storage, data analysis and process and other functions. The system breaks through the limitation which can only process demonstration experiment of the traditional EPS training platform, it can further be used for testing and analyzing the voltage signals of torque sensor, drive motor, engine speed and rotating speed. The development of measurement system involves the knowledge of automobile structure, the principle of automobile, electrotechnics, LabVIEW programming and so on. It can improve students’ hands-on ability and scientific research ability from many aspects, and has a very high scientific practicability.

measurement system; EPS training platform; LabVIEW; experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2017.05.034

2016-11-29 修改日期：2017-02-18

國家科技支撐計劃項目(2016YFD0701001)

謝斌(1973—),男,四川大竹,博士,副教授,博士生導師,主要研究方向為汽車電控、農業裝備智能化、電液控制.

E-mail：xiebincau@126.com

U463.4

B

1002-4956(2017)5-0140-04