基于LabVIEW的EPS性能試驗臺測控系統

李洪強，孟建兵，曲寶軍，董小娟，婁廣軍，黃丙琪

(山東理工大學 機械工程學院，山東 淄博 255049)

隨著汽車的普及和電子技術的廣泛應用，駕駛員對操縱汽車的輕便性、靈活性、穩定性、安全性等要求越來越高，越來越多的電子控制技術被應用到汽車的各個系統中[1]。電動助力轉向系統(Electric Power Steering， EPS)是一種使用電機提供助力的新型動力轉向系統。與液壓動力轉向系統相比，EPS可以提高車輛助力轉向的特性，保證汽車轉向輕便性和駕駛安全性[2-3]。EPS的成功研發必須依靠大量的實車試驗，將系統的各項性能調整到最優的工作狀態[4-5]。對EPS進行實車試驗需要大量的人力、物力，試驗費用高，而且還有一定的危險性，而通過臺架性能試驗可以掌握EPS的基本特性,并有助于控制系統的測試和調試。臺架雖然不能精確模擬實際路面行駛工況力特性,但通過研究電機的控制規律以及參數的調整,分析EPS的綜合性能和控制參數變化對EPS綜合性能的影響，能為將來實車測試提供一些基本的參數和算法，可以降低實車路試的危險性和研究成本[6]。因此，開發出一套EPS的臺架試驗測控系統是非常有必要的。

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種用圖標來代替文本用以創建應用程序的計算機編程語言[7]，它是目前國際上首先推出并應用最廣的數據采集和控制開發環境之一，主要應用于儀器控制、數據采集、數據分析、數據顯示等領域,并適用于多種不同的操作系統平臺[8]。本文基于雙諾AC6614數據采集系統卡與 LabVIEW 軟件開發一套對數據采集、傳輸、處理、監控和顯示的EPS試驗臺測控系統。

1 EPS試驗臺的機械裝置

本文EPS試驗臺主要用于檢測和開發EPS的基礎性能試驗，是參照我國的《汽車電動助力轉向裝置技術條件與臺架試驗方法》手冊中對EPS基礎性能臺架試驗方法的要求設計的。EPS試驗臺的機械結構包括試驗臺架、模擬轉向盤輸入裝置 (包括輸入端步進電機、輸入端伺服電機、減速器、輸入扭矩傳感器、聯軸器)、EPS轉向器總成(包括蝸輪蝸桿減速機構、控制器、扭矩傳感器、直流電機)、輸出加載裝置(包括輸出端步進電機、輸出端伺服電機、減速器、輸出扭矩傳感器、聯軸器)等組件。其機械結構示意圖如圖1所示。

試驗臺的主要作用是模擬汽車在不同的車速、實際轉向時所受轉向阻力矩大小等工況，通過信號采集系統采集和檢測助力電機電流、電壓、助力扭矩、轉向盤轉角、轉向盤扭矩等信號，實時處理、顯示，然后繪制成各種曲線顯示在屏幕上，并將處理后的數據保存到數據庫中，供試驗分析、研究EPS的性能參數，并對軟硬件的改進作出指導，同時也可用來研究控制系統的控制算法，并為將來實車試驗準備所需的一些數據。

圖1 EPS試驗臺機械結構示意圖Fig.1 Schematic mechanical structure of EPS test bench

2 EPS試驗臺的硬件系統設計和工作原理

EPS試驗臺主要由轉向輸入驅動部分、EPS總成部分、輸出加載部分、轉速信號發生部分、數據采集部分、工控機等組成，其結構如圖2所示。在EPS試驗過程中，工控機通過運動控制器向伺服驅動器發送指令控制輸入、輸出端伺服電機轉動方向、轉動角度和加載大小，按試驗要求進行試驗。同時工控機還會控制車速、發動機轉速信號發生器發出脈沖信號，經信號調制器輸入到ECU中，EPS就會在相應車速和發動機轉速工況下工作。各種不同功用的傳感器會根據采集卡的需要采集各種不同的信號，并且輸送到數據采集卡中，然后通過數據采集卡模擬量通道輸入工控機，經工控機處理后實時顯示各種數據和繪制成各種曲線顯示在屏幕上。系統試驗程序運行在工控機上，通過程序來模擬實車測試的環境。

輸入、輸出端的連接與斷開均由步進電機的左轉和右轉完成，工控機通過程序控制運動控制器向步進電機驅動器發送指令，控制步進電機的左轉與右轉，帶動導軌的前進和后退，完成輸入、輸出端的斷開與連接，實現了連接和斷開的自動化，減少了手動連接與斷開，提高了工作效率。

轉向輸入驅動部分主要由輸入端伺服電機及伺服驅動器、輸入端減速器、輸入端扭矩傳感器等構成。伺服電機控制器控制伺服電機轉動，可以準確得到轉動力矩的大小、轉動角度和輸入軸轉速，用來模擬在轉向時，駕駛員施加在方向盤上的手力、方向盤轉角的大小和方向盤轉動速度的快慢。

圖2 EPS試驗臺硬件系統結構示意圖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及伺服驅動器、輸出端減速器、輸出端扭矩傳感器等構成。在汽車的實際轉向過程中，輪胎會受到來自地面的轉向阻力，它受到車輛前橋載荷、輪胎與地面摩擦系數、輪胎內壓、車輛行駛速度等因素的影響。輸出端的伺服電機可以加載不同比例系數的力矩，用來準確模擬汽車在不同車速時，轉向所受到的轉向阻力矩。

汽車實際轉向過程中是帶有車速的，而EPS試驗屬于臺架試驗，所以發動機轉速信號和車速信號要利用轉速信號發生部分模擬。實際汽車的發動機轉速信號和車速信號為脈沖信號，在EPS試驗中，發動機轉動速度、車速所需要的脈沖信號的頻率是由試驗程序來控制的，從而實現了對發動機轉動速度和車速的模擬。

數據采集卡、扭矩和轉角傳感器、電流傳感器等組成了信號采集部分，其所需采集的信號包括輸入、輸出端扭矩信號、EPS中的扭矩轉角信號、助力電機和ECU的電壓和電流信號。這些復雜的信號都會由不同功用的傳感器收集并輸送到數據采集卡中。本試驗臺所采用的數據采集卡為雙諾公司的AC6614數據采集卡，AC6614數據采集卡采集速率100 kHz,具有32路單端/16路差分模擬輸入、開關量16路輸入/16路輸出、2路靜態輸出DA、2路20位脈沖輸出和4路24位計數器。AC6614數據采集卡的采集通路和采集速率完全滿足EPS試驗臺的采集任務要求。

工控機實現對輸入、輸出端伺服電機的驅動控制，車速和發動機轉速信號的模擬輸出，接收經數據采集卡收集轉換的各種數據，對這些數據處理、分析、保存和實時顯示，同時將這些數據繪制為各種類型的曲線，以便于分析和研究。

3 EPS試驗臺的軟件實現

本EPS試驗臺軟件系統由虛擬儀器的LabVIEW實現。虛擬儀器是一種應用于計算機的儀器，當前，虛擬儀器發展的一個重點就是和計算機的緊密結合。結合方式共有兩種，一種是嵌入系統的儀器，另外一種便是將儀器安裝于計算機中，以計算機操作系統和硬件為依托，展現儀器的種種功能。EPS試驗臺軟件系統就是應用虛擬儀器技術來采集各類所需的數據，使試驗臺測控系統的準確性和工作效率得到提高[9]。LabVIEW是一種集圖形化編程語言和服務與測試測量于一體的軟件，具備數據采集、數據分析和處理、產生信號、信號處理、輸入輸出控制等功能，提供處理信號的函數和從上層界面到驅動底層儀器等一系列的解決方案及應用于不同場合的工具包，同時它支持各種儀器接口，并提供一系列便捷的儀器調試工具[10]。EPS試驗臺測試系統程序設計包括以下幾個部分：

1)軟件主控制界面。EPS試驗臺軟件測試系統由參數設置、傳感器標定、數據處理、性能測試、元件測試等部分組成，軟件主控制界面主要是管理和進入測試系統的各個部分。軟件測試系統主控制界面如圖3所示。

圖3 軟件測試系統主控制界面Fig.3 Master control interface of software testing system

2)參數設置與傳感器的標定。參數設置包括合格標準、用戶信息、過程參數、車速選擇，可根據試驗要求對其中的一些參數進行更改。通過對各傳感器的參數進行標定，用以確保試驗中所采集數據的真實性。

3)伺服電機運動控制。利用運動控制器對EPS輸入、輸出端的伺服電機進行控制，使其按照試驗規定運動和加載，伺服電機的運動狀態由伺服電機上的編碼器反饋的信號監控。

4)傳感器信號采集。負責采集的信號包括輸入、輸出端扭矩信號，EPS中的扭矩和轉角信號，助力電機和ECU的電壓和電流信號等。

此外，LabVIEW具有數據分析功能，可以用它對數據進行濾波處理、頻譜分析以及曲線擬合等。

5)圖形、數據顯示。將處理過的試驗數據實時顯示，并在LabVIEW前面板上繪制成各種曲線。

6)數據保存。保存試驗數據和結果，用戶可以通過數據庫操作界面對已保存的試驗數據進行查詢。

EPS試驗臺測試系統程序設計流程圖如圖4所示。

圖4 EPS試驗臺測試系統程序設計流程圖Fig.4 The programming flow diagram of the EPS test bench

在試驗測試過程中，實驗數據的采集、處理、分析等部分是在LabVIEW程序框圖面板上實現的。每個VI前面板和框圖程序面板的程序是一一對應的，通過在框圖程序面板的控件之間進行連線和添加程序來處理采集的實驗數據，并在前面板控件上進行顯示。測試系統正向空載試驗的部分框圖程序如圖5所示。

圖5 測試系統正向空載試驗的部分框圖程序Fig.5 Some block diagram procedure of the test system under forward to no-load test

4 EPS試驗臺試驗結果

本文以循環球式電動助力轉向系統為例進行測試，將測試EPS安裝到試驗臺上，測試系統正常工作，按照試驗要求對EPS試驗臺進行輸入扭矩/輸出扭矩試驗，方法如下：連接好輸入、輸出端，輸出端固定,汽車點火開關開啟，發動機信號開啟，設置0 km/h、20 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h 5個不同車速，輸入軸從中間位置以30°/s±5%的轉速順時針轉動，直到達到10 N·m的力矩時，以同樣的速度反轉回到初始位置，再以相同的速度逆時針轉動輸入軸，直到達到-10 N·m的力矩，最后輸入軸回到中間位置，試驗結束。圖6為輸入扭矩/輸出扭矩-速度特性曲線，在輸入扭矩/輸出扭矩試驗中，測得在車速為0 km/h、20 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h 5個不同車速時曲線的對稱度分別為96.94%、95.38%、94.14%、93.02%、91.89%，均在試驗測試要求的90%以上。試驗結果表明，本文所開發的電動助力轉向基礎性能試驗臺所測量的試驗數據可靠，能夠達到EPS基礎性能試驗要求的標準。

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 結束語

本文基于LabVIEW開發了一套集數據采集、分析、處理、圖形繪制、數據顯示等一體的電動助力轉向性能試驗臺測試系統，該測控系統主要用于對EPS的輸入、輸出扭矩，電動機的吸收電流、馬達電流和電動機提供的助力扭矩等信號的檢測并對某型汽車的循環球式EPS系統進行基礎性能試驗。本文開發的電動助力轉向性能試驗臺架可以準確檢測汽車電動助力轉向系統基礎性能參數在滿足試驗要求的前提下是否符合標準，為進一步研究和開發EPS系統性能提供了方便。