電動轉向系統控制器疲勞測試臺架及方法研究

許曉舟，聶俊彥，胡沖，周平，董陽，黃詳，佟遠輝

博世華域轉向系統有限公司，上海 201521

0 引言

近年來，隨著汽車電子化、智能化程度的快速提升，各整車廠對電動助力轉向系統（EPS）的需求也在日益加強。歷經十數年的快速發展，電動助力轉向系統已經成為乘用車的標準配置。作為智能駕駛、自動駕駛的重要組成零件，EPS更成了電動車、智能網聯汽車必不可少的組成部分。為了確保EPS的性能，各大主機廠均要求對EPS的控制單元（ECU）進行長周期的加速疲勞耐久試驗，以驗證產品的可靠性，比如大眾標準VW80000中就要求對ECU進行高溫耐久試驗（L-02: High temperature durability testing）和溫度循環耐久試驗（L-03: Temperature cycle durability testing）。但是現有的測試標準只定義了疲勞測試的環境條件，對ECU在測試時的運行工況和負載并沒有明確的規定，這也導致項目開發時經常出現測試工況過于嚴苛或者不合理的情況。此外,在對ECU進行疲勞測試時，目前的測試臺架往往只搭載ECU本身進行測試，無法模擬轉向系統和整車實際的運行工況和負載，這也在一定程度上限制了疲勞試驗的有效性。

本文提出了一種全新的EPS ECU疲勞測試方法，并針對該方法設計了一種新型的疲勞測試臺架，使ECU的疲勞測試更加貼近車輛實際工況。

1 電動助力轉向系統的工作原理

電動助力轉向系統由電子系統和機械系統兩大部分組成，電子系統包含電子ECU、扭矩傳感器、電機角度傳感器、電機幾個主要部件；機械系統主要包括殼體、減速機構等。當駕駛員轉動方向盤時，扭矩傳感器可以采集駕駛者施加的手力扭矩大小，并以模擬或者數字信號的形式發送至ECU；電機角度傳感器可以采集電機當前的轉角位置發送至ECU。ECU在收到傳感器采集的各類信號后，可以基于預設的算法計算出所需要的電機助力，并控制電機產生相應的輸出助力扭矩，經由機械傳動機構和減速機構轉換為轉向機的齒條力，最終施加在汽車轉向輪上。

2 EPS ECU疲勞測試工況

為了更好地模擬轉向系統實際的運行狀態，本文設計的測試臺架不只搭載ECU進行測試，而且使用驅動單元作為被測樣件進行測試。驅動單元一般包括ECU和電機兩個部分。由表1可見，基于整車耐久試驗采集的路譜數據估算出全生命周期中EPS工作的路況占比，包括高速公路、鄉村道路、山路、城市道路、駐車和原地轉向等。采集不同路況下EPS的轉速、負載情況，并基于產品模型，經過數學計算轉換成EPS的電機轉速和電機負載大小。如圖1所示，橫軸為每個測試循環的運行時間，實線型曲線對應左側坐標軸，代表EPS電機的轉速；虛線型曲線對應右側坐標軸，代表電機負載比例。

圖1 電動轉向系統控制器疲勞測試工況

表1 電動助力轉向系統全壽命周期路況占比情況

3 EPS ECU疲勞測試臺架介紹

3.1 臺架總體結構及設計

本文設計的EPS ECU疲勞測試臺架結構如圖2所示，被測樣件以驅動單元的形式放置在溫度箱中，以確保試驗滿足測試標準要求的環境實驗條件。溫度箱原有門體被替換成特殊設計的機柜，伺服電機及其控制模塊、扭矩信號模擬裝置等均安裝在該機柜中。扭矩信號模擬裝置可以模擬EPS扭矩傳感器的信號，并發送至位于溫度箱內部的ECU，該模擬裝置可通過模擬量控制。伺服電機在溫度箱外側，通過一系列機械傳動裝置與位于溫度箱內部的EPS電機相連，從而控制被測樣件轉速。被測樣件供電電源和信號采集模塊組成了一個額外的獨立機柜，信號采集模塊配備有CAN（controller area network）信號、模擬信號、數字信號等各類采集模塊，用于對被測樣件狀態進行監控[1]。此外，系統還配置有一臺冷水機，可以在系統過熱時對EPS電機進行冷卻散熱。

圖2 EPS ECU疲勞測試臺架結構

臺架的控制框圖及工作原理如圖3所示，中央控制臺一方面通過控制EPS扭矩信號模擬裝置，可以為被測EPS驅動單元提供扭矩信號；另一方面也控制伺服電機，以便為被測樣件提供負載。被測件接收到輸入扭矩信號后，基于ECU內置的扭矩控制算法，經由驅動電路控制EPS電機轉動并輸出助力扭矩。在EPS電機輸出端利用電機角度傳感器和扭矩傳感器可以實時測量到EPS電機的轉速和輸出扭矩，并反饋給中央控制臺，形成速度閉環控制和扭矩閉環控制。

圖3 電動轉向系統控制器疲勞測試臺架工作原理

3.2 輸出加載裝置

本系統包括6套輸出加載裝置，其主要作用是給被測件施加動態變化的扭矩負載，使其能夠更好地符合工作工況，更真實地還原實際工況。

如圖4所示，輸出加載裝置主要由伺服電機、扭矩傳感器、聯軸器、被測件夾具以及機構件等組成，主要分為2個部分，環境箱內部分以及環境箱外部分。被測件及聯軸器位于環境箱內，需要對其施加-40～120℃的環境溫度。扭矩傳感器對大范圍的溫度變化比較敏感，因此被設計在環境箱外部。常規的伺服電機也無法在0℃以下及60℃以上的環境中工作，因此也被設計在環境箱外部。環境箱內外部的接口部分，采用聚氨酯隔熱板制成，能夠有效地防止內部高低溫對于外部器件的影響，同時有較好的保溫效果。為了便于維修，將每個輸出加載裝置設計為筒形結構，后續任何一個工位出現故障，可以在環境箱外部松開相應的螺釘，整體取出整個工位，再進行維修，而無須在狹小的環境箱內部進行任何維修工作，這大大提高了設備的可維護性。

圖4 2種不同電動轉向系統類型的輸出驅動加載裝置

3.3 伺服電機控制模塊

本測試系統采用了西門子SINAMICS-S120的伺服系統，其組件包括1個中央控制器、1個電源模塊和6個電機模塊（圖5）：

圖5 伺服電機控制模塊

（1）中央控制系統采用CU320模塊，利用了PROFIBUS的通信協議，控制器內置了8個數字量輸入通道、8個數字量可編程雙向通道，其中有4個可配置為快速輸入通道；控制器采用24V的直流供電。

（2）電源模塊選用SLM電源模塊，可進行100%的能量回饋，無需外置吸能模塊，經過計算，采用16 kW的功率模塊可滿足6個伺服電機同時工作的要求[2]。

（3）電機模塊選用3個雙軸模塊，最大額定電流可達18 A，峰值電流為36 A，雙軸電源模塊可以很好地節省電器柜內的空間。

3.4 信號采集模塊

測試系統需要同步對6個工位進行測試，每個工位需要采集記錄的信號數量超過20個。此外，信號采集系統還需要對測試曲線進行實時閉環控制，對系統的算力和實時性要求較高。因此，本文選用NIPXIe實時系統，采用上下位機的架構進行控制。PXIRT 實時機測試系統及主控板卡如圖6所示。上位機與用戶交互，編寫測試模板，修改測試參數，儲存試驗曲線和數據；下位機進行實時控制，保證臺架的正常運轉，下位機的計算資源不受上位機的操作影響，可很好地保證實時性。理論上的信號參考時鐘信號可達10 M Hz TTL，總線信號觸發可小于1 ns。該系統信號采集模塊主要由以下部分組成。

圖6 PXI-RT實時機測試系統及主控板卡

（1）PXI機箱。選用PXIe-1084，考慮到后續的擴展性，機箱為18槽，其中17個槽作為混合插槽使用，系統帶寬可達4 GB/s，每個插槽帶寬為500MB/s，功耗為58 W。

（2）PXI控制器。選用了PXIe-8821，其核心是基于Intel Core i3的PXI嵌入式控制器。該控制器包含1個10/100/1000 BASE-TX千兆以太網端口、2個高速USB端口、2個USB 3.0端口以及1個集成硬盤驅動器、串行端口、視頻、鍵盤/鼠標及其他外設I/O。

（3）模擬量采集卡。PXIe-6349是多功能I/O模塊，其包含了32路16位AI，2路AO，24路DIO和4個32位計數器/定時器，可用于PWM、編碼器、頻率、事件計數等。該板卡利用高吞吐量PCIe總線、多核優化的驅動程序和應用軟件，具有較高的性能，可很好地滿足實時性測試的要求。

（4）數字量采集卡。PXI-6514是基于PXI的數字I/O模塊，包含了64通道，可使用±30 V直流信號，32路Sink/Source輸入，32路Source輸出，具有分組隔離模塊，其I/O通道為可編程通道，在上電狀態可讓用戶使用軟件來配置初始輸出狀態，以確保在連接到工業執行器時安全運行。同時，板卡自帶數字I/O看門狗信號，以確保檢測到故障狀態后，可及時進行安全恢復。可編程輸入濾波器可消除毛刺/尖峰，并通過軟件可選數字濾波器為數字開關/繼電器提供去抖動服務[3]。

（5）PXI-6733是基于PXI總線的模擬輸出模塊，分辨率為16位，有8個通道，每個通道的最大更新速率為1MS/s。PXI-6733是一款高速模擬輸出設備，專為激勵響應測試和仿真等控制和波形輸出應用提供多通道同步解決方案，非常適合此設備的應用要求。此外，該設備還提供8條5VTTL/CMOS數字I/O線；兩個24位20 MHz計數器/定時器以及數字觸發和外部時鐘功能。PXI-6733可作為獨立式比例積分微分（PID）控制器、低速任意波形發生器和函數發生器使用。

（6）CAN通信模塊。PXI-8512/2是基于PXI總線的CAN接口模塊，雙端口，具有靈活數據速率的高速控制器局域網（CAN）接口，通過NI-XNET驅動可進行調用。PXI-8512非常適合需要對數百個CAN幀和信號進行高速實時操作的應用，NI-XNET設備驅動的DMA引擎使板載處理器無須中斷CPU就能在接口和用戶程序之間傳輸CAN幀和信號，從而最小化消息延遲，使主機處理器有時間處理復雜的模型和應用程序[4]。

3.5 軟件系統

本測試系統的軟件平臺采用美國NI公司開發的LabVIEW軟件進行編寫，LabVIEW在測試行業使用廣泛，可以快速地開發測試相關程序，同時圖形化的編程界面也大大簡化了編程的難度。本系統屬于疲勞測試類系統，需要長時間的穩定運行和記錄數據[5]。因此，軟件包含了系統配置模塊、傳感器配置模塊、測試曲線編輯模塊、數據記錄模塊、運行監控模塊以及歷史數據查詢模塊。測試人員可在一個上位機軟件中使用圖形化界面，對測試曲線進行編寫，同時控制環境設備、電源模塊、電機驅動器等執行器，無須在多個軟件中切換。此設備的歷史數據查詢模塊可在幾秒鐘內調取半年甚至一年的測試曲線，并可快速查詢到每個時刻的記錄曲線，查詢功能實用且高效。測試系統軟件運行界面如圖7所示。

圖7 測試系統軟件運行界面

4 測試案例及結果分析

現以某轉向系統的驅動控制單元為例，安裝在臺架上進行測試，導入圖1所示的曲線進行測試，獲得的運行結果如圖8所示，實線型曲線為實際的運行曲線，虛線型曲線為理論曲線，兩條曲線的跟隨性很好，在高速段也未出現幅值和相位差，測試結果滿意，達到預期效果。

圖8 理論曲線與實測曲線對比

5 結論

隨著電動轉向系統技術的不斷升級和迭代，市場對轉向系統，尤其是控制單元和電機助力系統的要求越來越細化和苛刻，不僅僅需要提高其可靠性，更需要保證高質量，因此相應的測試設備技術也需要不斷地演進。本文設計的電動助力轉向系統控制單元疲勞測試臺架提供了一種全新的試驗思路、方法，能夠在真實的、更加復雜工況下對EPS ECU的可靠性和耐久性進行研究。