（光学工程专业论文）基于labview的eps试验台测控系统的研究.pdf

西华大学硕士学位论文 基于l a b v i e w 的e p s 试验台测控系统的研究 车辆工程专业 研究生李莉指导教师陈狲 电动助力转向系统是汽车发展到一定阶段应用在汽车上的一种电子技术产 品，随着汽车的飞速发展，电动助力转向系统已经在越来越多的车上安装了。 所以对于电动助力转向系统的研究具有非常重要的意义。 汽车e p s 是集环保、节能、安全、舒适为一体的机电一体化高新技术产品， 与液压助力转向技术有了很大区别，其对转向轻便性、回正性等带来了新的影 i 响。 本文的研究是在电动助力转向系统e p s 测控系统试验台匕进行的。由于 实车和台架试验存在一定的区别，综合考虑，本文首先为了在试验台上得到理 想的转向性能，选用了液压模拟加载方案，为了准确地模拟路面的阻力，建立 了路面阻力模型，并对加载液压缸建立了模型，进行仿真并加以分析，为以后 的研究做了铺垫。 其次应用l a b v i e w 软件对e p s 测控试验台进行了控制程序的开发，并编 写了采集程序，采集部分的信号通过传感器测出，并对它们加以转换，最终得 出所需要的信号值；在控制程序中通过比例溢流阀压力的调节和电磁换向阀换 向进行控制液压缸的加载；在信号发生模块中还通过计数器对系统中给定的发 动机转速和车速脉冲进行了计数，并通过转换将它们转换为标准值，为控制程 序中的回正控制和阻力模拟提供了输入。 根据加载的特点，设定电磁换向阀换向控制为手动换向和自动换向，并设 定了它们的优先级。 最后通过试验，对该系统的标定特性加以分析，并且对回正性能作了相应 1 西华大学硕士学位论文 的分析。对于试验的结果，应用l a b v i e w 软件对所测得数据进行分析并绘制 出相关曲线。 试验结果表明，该系统的稳态特性良好，能够满足汽车e p s 测控试验台对 转向阻力及回正力的要求，证明了整个控制系统的设计方案是可行的，同时也 说明开发的测控软件能满足试验的要求。 关键词：e p s ，l a b v i e w ，模拟阻力控制，电液比例控制 2 西华大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nc o n t r o ls y s t e mf o re p so fa u t o m o b i l e w i t hl a b w p o s t g r a d u a t e ：l il i e p si st h ee l e c t r o nt e c h n o l o g yp r o d u c tt h a ta p p l i e dt ot h ea u t o m o b i l ew i t ht h e d e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l e b yf a r , m o l ea n dm o r ea u t o m o b i l eh a v e 丘) 【e de p s s oi t i sa g r e a ti m p o r t a n c et or e s e a r c ht h ee p s t h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ec o m b i n e st h ee l e c t r o n i c p r o d u c tc l o s e l y e s p e c i a l l yu s i n gs o t t w a r et oc o n t r o lt h ea u t o m o b i l ei sb e c o m i n gd e v e l o p m e n t a lt r e n d t h e p a p e r i sd e v e l o p e do nt h ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ( e p s ) t e s t - b e d b e c a u s eo f d i f f e r e n c e sb e t w e e nt h er e a la u t o m o b i l ea n dt h et e s t - b e d , t og e tt h ep e r f e c ts t e e r i n g p e r f o r m a n c e ，t h er e s e a r c hc h o o s e st h eh y d r a u l i cp r e s s u r el o a d i n gp e r c e p t t os i m u l a t e t h er e s i s t a n c eo fr o a dw e l la n dt r u l y , b u i l d i n gt h er o a dr e s i s t a n c ea n dh y d r a u l i c p r e s s u r el o a d i n gm o d e li sv e r yi m p o r t a n tt ol a t e rr e s e a r c h t h er e s e a r c hi ss u i n g s o f f w a r e - l a b v i e wt oc o n t r o lt h ee p st e s t - b e da n dc o m p i l e sc o l l e c t i o np r o g r a m t h e s i g n a lo fc o l l e c t i o ni sm e a s u r e db ys e n s o r t h el a s tv a l u ec a nb eg o tb yt r a n s f o r m i n g t h es i g n a lt h a tm e a s u r e db ys e n s o r t h r o u g h 删u s t m gt h e p r e s s u r eo fi n v e r s e p r o p o r t i o nl o a d i n gv a l v ea n dc o n t r o l l i n gt h ed i r e c t i o no f t h ee l e c t r o m a g n e t i cd i r e c t i o n v a l v e ，t h eh y d r a u l i cp r e s s u r ec y l i n d e rc a l li m p l e m e n tl o a d i n g i nt h em o d u l eo fs i g n a l o c c u r r e d , d e s i g n i n gt h ec o u n t e rt oc o u n tt h ep u l s eo fe n g i n er o t a t es p e e da n dv e h i c l e s p e e dw h i c hw i l lb eu s e di n t h ec o n t r o lp r o g r a m i nt h ep r o g r a m , t h ed i r e c t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cd i r e c t i o nv a l v et h a ti sd i v i d e d i n t ou s i n gh a n da n da u t o m a t i s mi sd e s i g n e d a tl a s t , a f t e re x p e r i m e n t a t i o n , t h es t a b i l i z a t i o no ft h ee p sa n dr e t u mc a p a b i l i t y 3 西华大学硕士学位论文 a r ea n a l y z e d t h er e s u l to fe x p e r i m e n t a t i o ni sa n a l y z e db ys o f t w a r e - l a b v i e wa n d s o m ec o r r e l a t i v ec u r v e sa r ep r o t r a c t e d i ts h o w st h a ts t a b i l i z a t i o no ft h e 髓si sb e t t e ra n dt h er e s u l t sa r es a t i s f i e dw i t h r e q u e s tf o rr e t u r no f e p s t h er e m a l t si n d i c a t et h ec o n t r o ls y s t e mi sf e a s i b l e k e y w o r d s ：e p s ，l a b v i e w , s i m u l a t i n g p r o p o r t i o n a lc o n t r o l 4 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得西华大学或其他教育机构的学位 论文或证书所使用过的材料。与我一起工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师的指导下取得的，论文 成果归西华大学所有，特此声明! 学位论文作者签砺新肼r 删日 导师签名： 骼月了日 西华大学硕士学位论文 1 引言 1 1 研究的目的及意义 汽车在行使过程中，转向是最基本的运动。在现代汽车上，转向系统是必 不可少的最基本的系统之一。它决定汽车主动安全性的关键总成，如何设计汽 车的转向特性，使汽车具有良好的操纵| 生能，始终是各汽车厂家和科研机构的 重要课题。特别是在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天，针 对更多不同的驾驶人群，汽车的操纵性设计显得尤为重要。 近年来随着电子技术的不断发展完善，汽车技术的发展也进入了一个新的 阶段。电子信息化技术发展的蒸蒸日上，使汽车发展引入了电子、计算机控制。 在汽车电动助力转向方面的研究亦是如此，纯机械式和液压动力转向已不适应 人们对汽车的操纵稳定性、舒适性等各项性能指标的要求，从而如何通过电子 控制实现对汽车电动助力转向性能的优化、完善，已经成为汽车电动助力转向 系统设计发展的有效途径。目前，汽车电动助力转向系统已广泛进入到利用电 子控制器进行控制的0 寸4 - 。运用较优的控制方法，得到商| 生能的助力效果，是 汽车电动助力转向系统发展的主要方向。 e p s 的转向助力曲线要求加载必须是非线性的，这就需要研制一套电液伺 服加载装置，该电液伺服加载系统( 简称e h s l s ) 是电动助力转向控制与监测 系统的一个主要系统，用以满足模拟不同路面、不同车速下转向阻力的要求。 根据上述要求，本课题主要完善e p s 试验测控系统及用l a b v i e w 软件对加载 装置进行控制。 1 2 汽车电动助力转向试验系统的发展 汽车电动助力转向试验系统是从电动助力转向系统上发展起来的，是个 有理论到试验的过程。 1 2 1 汽车转向系统的简介 汽车转向系统的发展主要经历了一下几个阶段【2 l 】： 1 、传统的转向系统： 西华大学硕士学位论文 传统的汽车转向系统是机械系统，汽车的转向运动是由驾驶员操纵方向盘， 通过转向器和一系列的杆件传递到转向车轮而实现的。普通的转向系统建立在 机械转向的基础上，通常根据机械式转向器形式可以分为：齿轮齿条式、循环 球式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式。常用的有两种是齿轮齿条式和循环球式( 用于 需要较大的转向力时) 。这种转向系统是我们最常见的，目前大部分低端轿车采 用的就是齿轮齿条式机械转向系统。 2 、液压动力转向系统： 液压动力转向系统( h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ，简称h a s ) 是在传统的机械 式转向器的基础上，通过增加控制阀、动力缸、油泵、储油罐和进回油管路等 液压动力装置来提供转向助力。开始h p s 的控制阀采用滑阀式，即控制阀以轴 向移动来控制油路。滑阀式控制阀结构简单，生产工艺性好，操纵方便，但是 滑阀灵敏度不够高。目前在绝大部分轿车及部分货车上均采用的是转阀式h p s 。 3 、电液动力转向系统： 近年来，随着电子技术的不断发展，转向系统中愈来愈多的采用电子器件。 相应的就出现了电液助力转向系统。电液助力转向可以分为两大类：电动液压 助力转向系统( e l e c t r o - h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ) 、电控液压助力转向 e c i - i p s ( d e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e dh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ) 。e h p s 是在液压助力系 统基础上发展起来的，其特点是原来有发动机带动的液压助力泵改由电机驱动， 取代了由发动机驱动的方式，节省了燃油消耗。e c h p s 是在传统的液压助力转 向系统的基础上增加了电控装置构成的。电液助力转向系统的助力特性可根据 转向速率、车速等参数设计为可变助力特性，使驾驶员能够更轻松便捷的操纵 汽车。 现代电液动力转向系统主要通过车速传感器将车速传递给电子元件，或微 型计算机系统，控制电液转换装置改变动力转向的助力特性，使驾驶员的转向 手力根据车速和行驶条f 斗变化而改变，即在低速行驶或转急弯时能以很小的转 向手力进行操作，在高速行驶时能以稍重的转向手力进行稳定操作，使操纵轻 便性和稳定性达到最合适的平衡状态。 4 、电动助力转向系统 电动转向系统e p s ( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ) 把一个机械的系统和个电控的 2 西华大学硕士学位论文 电动马达结合在起形成的个动力转向系统。与液压系统不同的是，助力改 由电机提供，因此，要有个转向力测量仪来测量作用在方向盘上的力，由电 子控制单元来计算所需要的力矩。作用在方向盘上的力矩曲线由一个电动马达 来分配。通过电动马达提供转向所必须要的力，它通过一个减速器作用在转向 柱上，在循环球式的传动装置中，直接作用在齿扇上的力太大，因此大多选用 齿轮齿条转向器。根据助力位置不同分为三种形式：1 、转向柱助力式2 、小齿 轮助力式3 、齿条助力式。 由于e p s 改由电机提供助力，助力大小由电控单元e c u 实时调节与控 制，可以较好解决汽车操纵时轻与灵的矛盾。 5 、电子转向 电子转向系统取消了方向盘与转向轮之间的机械连接，改而由方向盘模块、 转向执行模块和主控制器e c u 三个主要部分以及自动防故障系统、电源等辅 助模块组成。 1 2 2 汽车e p s 系性能试验系统的简介 e p s 性能试验台是集机械、电子液压和计算机技术为一体的自动化试验系 统。它能够把汽车e p s 的硬件系统，车辆动力学模型以及e p s 的控制策略结合 起来，以便设计e p s 性能测控系统，通过台架试验可全方位的研究e p s 的性能。 汽车e p s 性能试验台由于具有以下几个特点，对于e p s 的性能研究和开发 有重要意义： ( 1 ) 室内仿真试验台可以代替一部分的上路试验，从而大大地节省人力、 物力，并缩短试验周期； ( 2 ) 在试验台上开发成功的测控系统便于向实用化车载系统移植； ( 3 ) 汽车e p s 性能试验台上所承受的各种负载条件可以重复出现，试验 方便且其效果具有较好的可比性： ( 4 ) 可进行e p s 系统关键部件的设计和开发，以及电控策略的研究； ( 5 ) 可实现e p s 系统与其它整车部件的匹配。 汽车e p s 试验台用其加载装置来模拟汽车在路面上的行驶阻力，而路面阻 力模拟一般都是采用的弹簧加载。图1 - 1 为e p s 弹簧加载l 生能试验台结构示意 西华大学硕士学位论文 图。 方鸟蠡 f i g l 一1p e r f o r m a n c ep l a t f o r mo f e p s 图1 - 1e p s 性能试验台结构示意图 但是传统的弹簧加载装置有很多弊端，如其加载性能单一，且不易于调节 和控制等，电液加载装置可以消除传统弹簧加载装置存在的弊端。采用电液加 载可以充分利用电液控制如下的技术优势及其特点，使加载性能满足实际工况， 以更好的进行e p s 系统的性能研究与开发：电液控制技术集合了电控与液压的 交叉技术优势，将电液加载系统应用于汽车e p s 性能试验台上，可以按照要求 给出任意控制规律的变载荷加载曲线，而且其响应速度和控制精度较弹簧加载 系统要高。 1 3 本课题主要研究的内容 课题来源于四川省教育厅重点项目( 0 2 2 3 9 5 6 ) ，本文的研究工作均在西华 大学电动助力转向实验室的电动助力转向测试试验台上进行的。 本文用电液比例加载装置代替了弹簧加载系统。目前只是对试验台的加载 系统进行了研究，。接下来研究得主要内容为 1 、对试验台的控制部分进行详细的研究，通过建立路面阻力的模型和 加载系统的动态模型，建立整个控制系统的仿真模型，并对系统模 。拟路面阻力的大小进行仿真，最后根据仿真结果得出试验台控制策 略。 4 西华大学硕士学位论文 在e 述工作的基础上，用l a b v i e w 软件编写基于u d a q l 0 0 1 6 便 携式数据采集器的采集程序，对加载力信号、方向盘转角信号和方 向盘转向力信号进行采集，同时用l a b v i e w 软件编写了基于 p c i 2 3 0 6 多功能卡的控制程序，其中包括电磁换向阀得电的手动和 自动控制；车速不同，方向盘转角不同时，试验台测控系统模拟路 面阻力和回正的控制。 对整个e p s 测控系统进行试验，并分析其加载特性和回正性，验 证整个试验台的性能好坏。 5 2 汽车e p s 试验台加载系统 汽车电动助力转向系统加载性能的好坏，直接决定了整个转向系统的性能， 下面就从e p s 的动力态模型、路面阻力模型和加载模型来分析整个试验台的特 性。 2 1 汽车e p s 的动态模型 2 1 1 电动助力转向系统的动态模型 电动助力转向系统的动态模型示意图如图2 - 1 所示。依据牛顿运动定理， 繇篇m 荨k 一扣 以见=d 一1 幺一| - 钆见 磁= 孙一书一兵+ 争卜爿 城地也卜舟城 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式( 2 - 1 ) 、( 2 - 2 ) 、( 2 3 ) 分别为转向轴、齿条轴和电动机的动态方程。 l x f i 醇1m o d e lo f e p ss y s t 啪 图2 - 1e p s 系统动态模型 式中： m d 方向盘转矩； x 、m 、6 分别为齿条的位移量、质量和阻尼系数； 纯、以、疋、钆分别为转向轴的旋转角、转动惯量、刚性系数、阻尼系数； 6 西华大学硕士学位论文 t 齿轮半径； 见、厶、j 乞、6 卅分曼l , j s bf g 动机的旋转角、转动惯量、刚性系数及阻尼系 数； g 一电机至齿轮轴的减速比； r 轮胎转向阻力及回正转矩等作用于齿条上的转向阻力。 式( 2 3 ) 中的m 。为电动机的电磁g - c g _ ，其值决定于电动机的给定电流大 小。在本系统的计算中，m 。值由扭矩传感器给出，可表示如下： 坂= k k 一一书 ( o 蚝砑戤)c 硝， 式中：k 。转向助力增益。 k 。值定义了转向路感，即汽车在7 6 i n 的行驶速度时，在相同的转向角情 况下，由于电动机提供的助力值大小不同，使转向盘手力的大小发生变化，驾 驶员不但感到转向轻便，同时又能充分感受到路面的信息。因此，合理选择k 。 可得到不同的转向路感。 2 1 2 电动助力转向系统动态模型的分析 1 转向阻力风的简化 转向阻力而r 主要受转向时车轮与地面的摩擦力、回正转矩及转向系统中 g r g o n 擦力和转矩的影响，同时它还与车速、路况、转弯半径、风阻以及转向 盘的转速等有关。因此，用公式准确描述转向阻力有相当大的困难。因此， 从理论与实际应用出发，给出了以下的简化计算公式 = k 。x + c ( 2 - 5 ) 式中 k ，弹性系数； 砰叫珞面对轮胎产生的随机扰动。 在实际计算中，r 作为一随机信号加入到系统中，使计算更接近于实际情 况。 2 助力转矩坛分析 坛与车速和转向盘的输入转矩有关： 7 西华大学硕士学位论文 m 。= 厂似d ，v ) 式中m 厂_ 转向盘转矩： 1 ，气车速度。 ( 2 - 6 ) 在不同汽车速度下，版一舰为一组非线性曲线，该组曲线表征了电动助力 转向系统的助力特性。 在实际控制系统中，转向助力坛如式( 2 7 ) 所示。 m 。：傲。f 以一鱼1 ( 2 - 7 ) 但是，口m 、x 在实际的应用中不易测得，其值最终决定于 毛，而舰则可 由转矩传感器测得。 由式( 2 3 ) 、式( 2 - 4 ) 及式( 2 7 ) 可知，该组非线性的助力曲线由不同的 助力增益恐决定。由于不同车型的参数不同，在不同车速下所需要提供的助力 值大小不同。依据对已有实车参数的拟合，提出了局与车速v 的关系表示如下 k 。= t e 岫( o ，1 ，一) ( 2 8 ) 式中t 、七为系数，根据不同车型以及不同电动助力转向系统取不同 的值。 k 随车速1 ，的增大而成指数减小。增大k ，相应地增a n t 电机提供的转向 助力。因此，恐描述了驾驶员的转向路感。由于不同类型的汽车的转向路感不 同，所以式( 2 - 8 ) 的函数关系应当根据不同车型具体确定。 3 k 值分析 墨值的选取必须满足式( 2 - 4 ) 中规定的条件。如果该值过大，易引起系统 的不稳定。 对式( 2 1 ) 式( 2 3 ) 及式( 2 5 ) 进行拉普拉斯变换后，得到以下传递 函数： 舢) = 砉= 盟半糍 型 协9 ， g e e a c g ) ：d g ) + p ，一k ，) 里竺坠； 8 西华大学硕士学位论文 州吨州。一等一竽； d ，0 ) = j , s 2 + 6 ，s + 墨； d m g ) = j s 2 + 6 。s + k 。； d 。g ) ：舢z 也s + 等等恤； 该传递函数忍定义了转向系统的跟随性能。通过对多项式4 。( j ) 的分析， 1 1 i , 4 。- 。足系统稳定的条件：a cg ) = 口拍s 6 + a t 5 s5 + + 口。的所有根的实部为 负。 由赫尔维茨稳定判据可知：a3 o ，a5 0 。由这两个不等式可得到： 掣， g k 。+ 箍+ 瓦m b , r 2 丽( j , k m 再- j 丽k , ) 2 ( 2 - 1 0 ) 式( 2 1 0 ) 中后两项含有小参数厶、珏，所以k a 可表示为 k 。 k 譬 ( 2 - 1 1 ) 由此式可以看出，助力增益局的取值只有满足式( 2 1 1 ) 时该系统才能稳 定工作。 2 2 路面阻力模型的建立 转向系统中，齿条和横拉杆的横向位移决定了车轮的转向角。假设左车轮 的转角和右车轮的转角相等，则可以计算出轮胎上的纵向力与侧向力的大小。 建立如下轮胎模型p 1 1 ： s ：丝 ! 二! 型垒墅二型( 2 - 1 2 ) 1 ) = = = = ：= = = = ：= = = = = = 一 2 四碍+ t a n 2 a 侧= p 了矽篡： 协 e ：竿半嗣，e ：咎倒 ( 2 1 4 ) l 一l 1 一l 西华大学硕士学位论文 式中：c 。，c ，分别代表轮胎的侧向刚度和纵向刚度。a ，以分别代表 轮胎侧偏角和滑移率。a ，g 分别代表轮胎与路面之间的摩擦系数和附着换算 系数。齿条上的力疋等于轮胎的纵向力和横向力的合力为 f r = es i n 9 + 只c o s 9 ( 2 1 5 ) 由于方向盘转角仇和轮胎转向角p 有o h = n o 的关系，其中：n 是系统转向 比，转向轴上受到的路面所作用的阻力矩可以表示为： z = 最蛔 ( 2 1 6 ) 其中：0 加伽为小齿轮半径。在计算实际路面作用的转矩时应考虑转向系统 的效率，但是总假定加载力矩几乎与路面阻力矩相等，故转向系统的效率可以 不与考虑。 2 3 加载方案的确定 试验要求汽车e p s 性能试验台加载系统能根据不同的载荷谱等参数来实现 动态加载，鉴于液压系统所具有的优越性，我们拟定采用液压加载的方案。但 是可以实现液压加载的系统回路有多种，主要有电液伺服控制回路、电液比例 控制回路，而它们之间又存在着巨大的差别【4 l 】。 电液伺服控制系统一般都设有反馈装置，而且均为闭环控制，其控制元件 伺服阀可以实现连续控制，控制精度高，响应速度快，一般的电路都可以进行 控制，可以用于高性能场合，但是成本比较高。 而电液比例控制系统由指令元件、比较元件、电控器、比例溢流阀、液压 执行器、检测元件反馈元件组成。它是介于开关控制和液压伺服控制之间的控 制方式，通过输入电信号，使系统的压力连续地、按比例地输入给执行元件来 实现加载。其操作方便，容易实现遥控；自动化程度高，容易实现编程控制； 工作平稳，控制精度较高：明显地简化液压系统，使用元件较少，可实现复杂 程序控制；对污染不敏感，清洁度要求较低；系统成本适中，便于机电一体化 的实现。 通过匕述可以看出伺服控制和比例控制之间的差别。主要体现在以下2 个 方面： 一、采用的控制元件不同。比例溢流阀是压力控制元件，廉价、可靠且对 1 0 西华大学硕士学位论文 介质污染不敏感；而伺服阀属于方向节流型元件，对流体介质的清洁度要求十 分苛刻，制造成本和维护费比较高，系统的能耗大，但其控制精度和频率响应 特性好。 二、控制的方式不同。伺服阀可同时控制液压缸两个腔的压力；而比例溢 流阀通常只控制液压缸两个工作腔中的一个，另一个腔的压力为零或常数。虽 然两者都实现主动加载和被动加载，但控制上却不同：伺服阀控制的主动与被 动加载控制方式是完全相同的；而比例溢流阀控制的主动和被动加载控制则分 别对液压缸的进油腔或回油腔进行。 汽车e p s 路面阻力控制系统是一个低频系统，对频响的要求不太高。但在 经济性的前提下，并考虑到系统的维护、建构的复杂程度等因素，选取电液比 例控制系统。 2 4 加载液压缸 加载液压缸的主要结构如图2 - 2 所示： f i g2 - 2 $ 1 1 u c l l l l = eo f l o a d i n gc y l i n d e r 图2 - 2 加载液压缸的结构 主要参数如下： d 活塞直径，4 0 m m ； d 话塞杆直径，2 2 m m ； 只加载液压缸工作腔压力，由比例溢流阀控制； 只加载液压缸有杆腔压力； 4 无杆腔活塞有效工作面积，7 四2 4 = 1 2 5 6 x1 0 - 3m 2 ； 4 有杆腔活塞有效工作面积，r c ( d 2 - d 2 ) 4 = 0 8 7 6 0 6 x 1 0 - 3m 2 1 1 西华大学硕士学位论文 加载液压缸所需流量主要由活塞与缸体的相对运动速度y ，无杆腔活塞有 效作用面积4 决定。加载时，取行程1 5 m m ，按1 h z 计算，则y = 0 0 1 5 m s 。 则向加载缸提供的流量为： o = a 1 v = 1 8 8 4 x 1 0 5 m 3 s = 1 1 5 m i n ( 2 1 7 ) 试验要求加载力f 不超过1 5 0 0 n ，因此加载液压缸的工作压力为： p = f 九= 1 2 x 1 0 6 p a = 1 2 m p a ( 2 1 8 ) 2 5 比例溢流阀 比例溢流阀系统压力可随电信号输入连续改变。其主要包括带比例电磁铁 的先导阀和带主阀芯总成的主阀。系统压力极限由比例电磁铁设定，与输入电 流有关。 来自系统的压力作用于主阀芯，与此同时，经过装有节流孔的先导阀作用 于主阀芯的弹簧，并作用于先导阀芯上。如果系统压力升高到超过对应着电磁 铁力的设定值，则先导阀打开，先导油可以流回油箱，节流孔产生作用在主阀 芯上的压降，使它从阀座上升起并打开从泵到油箱的通路。为了使系统避免比 例电磁铁受到高电流尖峰及其引起的高电压的伤害，加设了个弹簧加载的压 力溢流阀提供最高压力保护。图2 3 为电液比例溢流阀的结构原理图。 f i 醇- 3s 们l c t l 聆o f e l e c t r o h y d r a u l i ep r o p o r t i o n a l r e l i e f v a l v e 1 - f o t e r u r m e rv a l v e2 - t h r o t t l eo r i 丘c e3 - m a i nv a l v ec o l e4 - m a i nv a l v e5 - r e l i e f v a l v e 昏p i q ) o f t i 讲1 a l r e l i e f v a l v e7 f o r e n m n e rv a l v ec 0 1 e 图2 3 电液比例溢流阀结构 1 先导阀2 _ 节流孔3 主阀芯4 一主阀5 7 压力溢流阀 6 - l l 例电磁铁7 - 先导阀芯 比例溢流阀分为直动式和先导式，它们控制的功率大小不同，直动式控制 1 2 西华大学硕士学位论文 的功率较小，响应较快，宜用作安全阀，通常控制的流量为1 3 l m i n ，若以 直动式溢流阀作为先导阀，控制功率放大级主阀，就构成了先导式溢流阀。 本系统中根据工作压力及流量要求选用了成都振华液压气动设备有限公司 的e b g - 0 3 c 型电液比例溢流阀。其性能参数如表2 1 所示： 表2 1e b g - 0 3 c 型电液比例溢流阀性能参数 t a b 2 1p 卸阳l i 】：砣鼢o f e l e c t r oh y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lr e l i e f v a l v eo f e b g - 0 3 c 型号e b ( 0 3 c 流量( l m i n ) 3 1 0 0 压力调节范围( k g f c m )c ：5 1 6 0 额定电压( 瑚a ) 9 0 0 线圈电阻( q )1 0 滞环q 重复精度 1 重量( 埏) 5 6 在本系统中，电液比例溢流阀是一个核心部件，对电液比例溢流阀的控制， 采用了厂家提供的控制板，其输入电压为0 - 5 v ，输出为比例电磁铁的输入电 流，继而控制比例溢流阀的调定压力。其比例电磁铁的标定如图2 4 所示： f i 9 2 - 4 d e m a r c a t 宅a 田v eo f p r o p o r t i o n a le l e c l r o m a g n e t i ci r o n 图2 _ 4 比例电磁铁标定曲线 控唪0 电压为o 5 v ，列应输出电流为o 8 5 0 m a ，当电流达到最大时，比例 1 3 西华大学硕士学位论文 溢流阀的调节压力也达到最大，即此时阀口呈全闭状态。 比例溢流阀的输出压力与信号电流成正比，阀的输出压力可由信号电流进 行无级调节。其输出特性如图2 - 5 所示： 压 力 一 肝 ，一 f i 9 2 - 5c h a r a c t e r i s t i cc u r v eo f p r o p o r t i o n a lr e l i e f v a l v e 图2 - 5 比例溢流阀输出特性曲线 2 6 液压泵站 液压泵站的组成有：液压泵、电机、电磁换向阀、单向阀、压力表、滤油 器、油箱等。液压泵是泵站的核心部件，根据加载液压缸的工作压力和流量并 兼顾到一定的储备量，选定的液压泵技术规格见表2 - 2 。 表2 - 2 液压泵技术规格 t a b2 - 2s p e c i f i c a t i o n so f b u m p 其中电磁换向阀本文采用的是是型号为d 5 - 0 2 3 c 3 的三位4 通h 型电磁换 向阀，它是靠电磁铁通电吸合时产生推力操纵的换向滑阀，用以控制液体的开 启、停止和换向，它采用直流电磁铁，电磁铁的内部是全封闭和绝缘的，衔铁 在油里移动可减少磨损、减缓冲击和提高散热性，因此提高了换向和复位的可 靠性和使用寿命。 1 4 西华大学硕士学位论文 f i 醇- 6s m , m , m , m , m , m , m , m , m , m 蛐o f e l e c l r o m a g n e t i cd i r e c t i o nv a l v e 1 - v a l v eb o d y2 = d e c t r o t m g n e t i ci r o n3 - 1 0 0 0 1v a l v e4 - r e p l a c e m e n ts p r i n g 5 - h a r d s p i k e6 - h a n db u t t o n 图2 - 6 电磁换向阀结构 1 阀体2 电磁铁3 、滑阀4 一复位弹【簧5 - 推1 f f 每手动按钮 当电磁铁未通电时，阀芯被复位弹簧保持在中位或起始位置。阀芯的动作 由直流电磁铁实现。当电磁铁通电时，电磁铁的力经推杆作用在阀芯上，将其 由静止位置推到所需的工作位置。由此是液流由p 通a 和b 通t 或者由p 通b 和a 通t 。当电磁铁断电时，阀芯被复位弹簧推回到原始位置。在不通电的 情况下，可以推动手动按钮使阀运动。直流电磁铁的特性如下：切换特i 生软动 作频率高；衔铁滞留在电磁铁的某个位置时，对线圈没有危险；对低电压，短 时超电压、过载或者机械的卡紧反应不敏感；另外通过整流器还可以使用交流 电源。 f i 9 2 - 7d cm a g n e t i ci r o n 图2 - 7 直流电磁铁 西华大学硕士学位论文 2 7 加载模型的建立 1 、加载缸流量方程 加载缸的流量方程为： q = c l 。最+ 么鲁+ 丢吃 式中： q - - ) j n 载液压缸流量，m 3 s ： c ，总泄漏系数，m 5 n s ； 只加载液压缸负载压力，p o ； 么活塞有效面积，m 2 ； y 活塞运动位移，m ； y 液压缸体积和管路中的油液体积，m 3 ； 尾油液的体积弹性模量，只； 2 、加载缸力平衡方程 若忽略干扰力的影响，由图2 8 可列出带负载的加载缸方程式为： 么丑= 必磊d y2 + b e d 衍y + k y 尸 f i 9 2 - 8 f o r c e so f h y d r a u l i cc y l i n d e r 图2 - 8 加载缸受i 力图 式中： 最= p - p o ，系统负载压力，p o ； 1 6 ( 2 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) 西华大学硕士学位论文 4 有效工作面积，m 2 ； 丝等效负载质量，堙； e 等效阻尼系数，n s 聊； 疋等效弹簧刚度，n s ； 将( 2 - 1 9 ) 、( 2 - 2 0 ) 两式转换为拉式方程： q = c f 置+ a 心y + 最( 2 - 2 1 ) p 8 只：m s 2 + b e s + k ) ， ( 2 2 2 ) 。 4 液压缸的工作流量主要由活塞运动速度引起，这里为简化计算，根据实际 情况，可以忽略流量方程中的泄漏部分和因体积弹l 生引起的流量变化，从而将 流量方程简化为： q=asy(2-23) 将( 2 - 2 1 ) 、( 2 - 2 2 ) 、( 2 - 2 3 ) 联立可得到圪，q 之间的关系： 旦：垒(2-24) 兰= 一 只m 。s 2 + b e s + k 。 传递函数也可表达为图2 - 9 所示框图： 忍 - 卜 国 f i 9 2 - 9f r a m e w o r k o f w a n s f e rf u n c t i o no f l o a d i n gc y l i n d e r 图2 - 9 加载缸传递函数框图 在整价系统中，电液比例溢流阀的电压控制与方向盘的转角、扭矩和车速 有一定的关系，通过调节他们的大小，可以直接控制溢流阀的电压，最终控制 加载缸力的大小。下面为系统方块图 1 7 西华大学硕士学位论文 遣 方向盘 转角 路面阻力 控制罄 副一阵 电液比例j 盏流阀i 力传感器 f i 9 2 - 1 0b l o c ko f h y d r a u l i cs y s t e m 图2 - 1 0 加载系统方缺图 加载力控制是由比例溢流阀来实现的，它是液压控制系统的核心部件。因 此为了对液压系统的特性进行分析，实现系统的精确控制，必须建立受控元件 精确的数学模型。对于响应频率小于1 0 h z 比例溢流阀来说，比例溢流阀的先 导级动态响应频率很高，可以将其认为是一个比例环节。由文献嘶死厕可得简 化后的电液比例溢流阀的传递函数框图，如图2 1 1 所示： 1 l - + 2 岛s + l p 毋0 3 嘞 l 1 1 础+ 毒i 卫 f i 9 2 - 11f r a m e w o r ko f t r a n s f e rf u n c t i o no f p r o p o r t i o n a lr e l i e dv a l v e 图2 1 l 电液比例溢流阀的传递函数框图 其传递函数框图中的各项参数参考如下： k j ，为1 7 x 1 0 4 p a m a ； 的参考值为4 8 8 5 r a d s = 7 8 h z ； 彘的参考值为0 9 9 4 ： 1 8 西华大学硕士学位论文 k o 的参考值为1 7 7 5 1 0 1 0 p a ( m 3 s ) ； 国，的参考值为2 1 6 r a d s = 3 4 h z 。 2 8e p s 试验台系统的仿真 整个试验台加载系统中，可以看出液压缸的压力由电液比例溢流阀决定， 而电液比例溢流阀流量的大小由电液比例控制阀的控制电压决定的。在该测控 系统中，用加载缸产生的力来模拟汽车行驶时的路面阻力。此阻力的大小随着 汽车车速的不同和方向盘转角的不同而改变，根据上面的叙述，建立整个测控 系统的仿真模型如图2 1 2 。 f i 醇1 2s i r m f i a t e dm o d e lo f e l e c t r oh y d r a u l i cp r o p o r t i o n a ll o a d i n gs y s t e m 图2 1 2 电液比例加载系统仿真模型 其中e m b e d d e dm a t l a bf u n c t i o n 的控制模块程序如下： f u n c t i o nz = f c n ( v ，t ) i f ( ( o 4 8 0 ) ) z = 0 4 5 j e l s e i f( ( o ( v = 5 ) ( 0 = t = 4 8 0 ) ) z = 0 3 5 4 8 0 七+ 0 1j e l s e i f ( ( 5 v = 1 0 ) & & ( o = 七 = 4 8 0 ) ) z = t * 0 3 2 4 8 0 + 0 0 9 ； e l s e i f ( ( 5 v 4 8 0 ) ) z = 0 4 2 j 1 9 西华大学硕士学位论文 e l s e i f ( ( 1 0 v = 2 0 ) & ( 0 = t = 4 8 0 ) ) z = o 2 2 * t 4 8 0 + 0 0 87 e l s e i f ( ( 1 0 v 4 8 0 ) ) z = 0 3 j e l s e i f ( ( 2 0 v = 4 0 ) & ( 0 = t = 4 8 0 ) ) z = o 1 9 t 4 8 0 + 0 0 6 j e l s e i f ( ( 2 0 v 4 8 0 ) ) z = o 2 5 ； e l s e i f ( ( 4 0 v = 8 0 ) ( 0 = t = 4 8 0 ) ) z = o 1 2 t 4 8 0 + 0 0 3 ； e l s e i f ( ( 4 0 8 0 ) z - - o ； e n c i 当给定系统不同车速的时候，给定转角的一个正弦变化曲线，经m a n a b 仿 真 3 3 矧，加载力的正弦响应曲线如下图所示： 西华大学硕士学位论文 度时的正弦响应曲线。 f i g2 1 4s i nr e s p o n s ec u r v eo f f o r c ei n3 5 k m hs p e e da n dd i f f e r e n c e d e g 图2 1 4 车速为3 5 k m h 角度不同时的阻力正弦响应曲线 左图为最大方向盘转角在2 7 0 度时的阻力正弦响应曲线，右图为最大转角 在4 5 0 度时阻力正弦响应曲线。 f i 醇。1 5s i nr e s p o n s ec u r v eo f f o r c ei n6 4 k m hs p e e da n dd i f f e r e n c ed e g 图2 1 5 车速为6 4 k m h 转角不同时的阻力正弦响应曲线 左图为最大角度在2 0 0 度的时候阻力的响应曲线，右图为最大角度在4 5 0 度的时候阻力的响应曲线。由仿真结果可以看出：该系统在很短时间内就可以 达到在不