（机械电子工程专业论文）汽车电动助力转向装置试验台测控系统的研究与开发.pdf

摘要摘要汽车电动助力转向系统( e le c t r i cp o w e rs t e e r in gs y s t e m ，简称e p s ) 是汽车的关键零部件。随着e p s 越来越多的装车使用，其性能的好坏直接影响到汽车的操控性能和行驶安全。电动助力转向系统试验台是检测e p s 性能的有效工具。本文在分析e p s 结构和工作原理的基础上，根据汽车电动助力转向装置技术条件与台架试验方法开展了关于e p s 试验台的研究，开发了以计算机控制系统为核心的e p s 试验台。根据e p s 试验标准和被测参数，对扭矩传感器、电流传感器进行了选型。根据e p s 的结构和试验条件的要求选用伺服电机分别对e p s 的输入和输出端加载，用磁粉制动器产生的制动力模拟e p s 在试验过程中受到的转向阻力。用p c l - 8 1 8 h d 多功能数据采集卡采集来自各传感器的试验数据，同时利用p c l 8 1 8 h d 卡上的一个模拟量输出通道来控制磁粉制动器。用专用的m p c 0 2 运动控制卡控制伺服电机运动。本文研究了模糊控制方法，设计了模糊控制器，使用模糊控制策略来控制磁粉制动器所产生制动力，使试验台能够更加准确的模拟e p s 所受到的转向阻力。试验过程中根据偏差和偏差的变化率通过查表的方式即可得出精确的控制量。分析了试验系统可能受到的各种干扰，针对干扰信号的来源和特性，研究了硬件抗干扰技术和软件抗干扰技术。通过从硬件和软件两方面进行抗干扰，最大限度地降低干扰信号的影响，保证数据的真实性。由于采用了工业控制计算机系统，它的操作系统及各种应用软件和人们日常使用的p c 完全兼容。在试验软件的开发中，采用w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统作为软件的运行平台，用v i s u a lb a s i c 语言编写程序，通过调用数据采集卡、运动控制卡提供的库函数来编写数据采集程序和运动控制程序。采用a c c e s s 数据管理系统来存储试验数据。使用模块化程序设计，降低了程序的重复编写，提高了代码的利用率。所研究开发的电动助力转向系统试验台能够满足e p s 试验检测的需要，基本达到了预期的目标。关键词：电动助力转向系统；试验台；测控系统；模糊控制；抗干扰；数据采集；运动控制广东t 业人学t 学硕i j 学位论文a b s t r a c te l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ( a b b r e v i a t e da se p si nt h ef o l l o w i n gt e x t ) i sa ne s s e n t i a la u t op a r t a se p si sg r a d u a l l yb e c o m i n gp o p u l a ri nc a ra s s e m b l y , t h ep e r f o r m a n c eo fe p sh a sd i r e c ti n f l u e n c eo nd r i v a b i l i t ya n ds a f e t y e p st e s t - b e di sa ne f f e c t i v ed e v i c ef o rt e s t i n gt h ep e r f o r m a n c eo fe p s t h r o u g ha n a l y z i n gs t r u c t u r ea n do p e r a t i n gp r i n c i p l eo fe p s ，a n db a s e do i lt h et e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n sa n db e n c ht e s tm e t h o d f o re p so nv e h i c l e , t h ea u t h o rc a r r i e do u tr e s e a r c ho ne p st e s t - b e d ，a n dt h e r e a f t e rd e v e l o p e dat e s t - b e dc o r e db yc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m v a r i o u ss e n s o r sf o rt o r q u e ，c u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c sw e r es e l e c t e da c c o r d i n gt o t e s ts t a n d a r d sa n dp a r a m e t e r su n d e rt e s t i n g b a s e do i lt h es t r u c t u r eo fe p sa n dr e q u i r e m e n t so ft e s t i n gc o n d i t i o n s ，a p p r o p r i a t es e r v om o t o rw a ss e l e c t e dt ol o a dt h ei n p u ta n do u t p u t ，a n dt h eb r a k ef o r c eg e n e r a t e db ym a g n e t i cp o w e rb r a k e rw a gu s e dt os i m u l a t et h ec o r r e s p o n d i n gs t e e r i n gr e s i s t a n c ed u r i n ge p st e s t i n g t e s td a t af r o me a c hs e n s o rw a gc o l l e c t e du s i n gp c l - 818 h dm u l t i f u n c t i o nd a t ac o l l e c t i o nc a r d ，m e a n w h i l eas i m u l a t i n gc h a n n e lo nt h ec a r dw a gu s e df o rc o n t r o l l i n gt h em a g n e t i cp o w e rb r a k e r as p e c i a l i z e dm p c 0 2m o t i o nc o n t r o lc a r dw a ga p p l i e df o rc o n t r o l l i n gt h em o t i o no fs e r v om o t o r t h i sa r t i c l ei n v e s t i g a t e dt h ef u z z yc o n t r o lm e t h o d ，d e s i g n e daf u z z yc o n t r o lm a c h i n e ，a n da p p l i e df u z z yc o n t r o ls t r a t e g yf o rc o n t r o l l i n gt h eb r a k i n gr e s i s t a n c eg e n e r a t e db ym a g n e t i cp o w e rb r a l 【a l l o w i n gt h et e s t - b e dt oa c h i e v ea c c u r a t es t e e r i n gr e s i s t a n c ei m p o s e do ne p sd u r i n gs i m u l a t i o n b yc a l c u l a t i n gal i s to ff u z z yc o n t r o le n q u i r y ,v i s u a lb a s i cl a n g u a g ew a ga p p l i e dt or e w r i t et h i sl i s ti n t oc o n t r o lp r o g r a m m e a c c u r a t ec o n t r o lv a l u ec a nb eo b t a i n e dv i at a b l e s ，b a s e do nv a r i a n c ea n dr a t eo fc h a n g eo fv a r i a n c ed u r i n gt e s t i n g t h i sa r t i c l ea n a l y z e dv a r i o u si n t e r f e r e n c et h a tt h et e s ts y s t e mm a yi n c u r b a s e do no r i 百n sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fi n t e r f e r e n c es i g n a l ，c a r r y i n go u tr e s e a r c ho na n t i - i n t e r f e r e n c et e c h n i q u e sf o rb o t hs o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，t om i n i m i z et h ei n f l u e n c ec a u s e db yi n t e r f e r e n c es i g n a l ，a n de n s u r et h ea c c u r a c yo fd a t a i ia b s t r a c tt h em a n i p u l a t i o na n ds o f t w a r eo fi n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e ra rec o m p a t i b l ew i t ho r d i n a r yp c u p o nt h es t a g eo ft e s t i n gs o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，w i n d o w s 2 0 0 0o p e r a t i n gs y s t e mw a sa d a p t e da st h eo p e r a t i n gp l a t f o r mf o rs o f t w a r e ，w h i l ev i s u a lb a s i cl a n g u a g ew a sa d a p t e df o rp r o g r a m m ew r i t i n g d a t ac o l l e c t i o np r o g r a m m ea n dm o t i o nc o n t r o lp r o g r a m m ew e r ew r i t t e nt h r o u g hi n v o k i n gt h ef u n c t i o nb a s ei nd a t ac o l l e c t i o nc a r da n dm o t i o nc o n t r o lc a r d a c c e s sd a t am a n a g e m e n ts y s t e mw a sa d a p t e df o rs t o r i n gt e s td a t a t h eu s a g eo fm o d u l a r i z e dd e s i g nr e d u c e dt h en e e dt ow r i t ep r o g r a m m er e p e a t e d l y , a n di n c r e a s e dt h eu t i l i z a t i o no fc o d e s t h ee p st e s t b e dd e v e l o p e ds a t i s f i e dt h er e q u i r e m e n t sf o re p st e s t i n g , a n dm e tt h eo r i g i n a lo b j e c t i v e k e yw o r d s ：e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ；t e s t - b e d ；t e s t i n ga n dc o n t r o ls y s t e m ；f u z z yc o n t r o l ；a n t i i n t e r f e r e n c e ；d a t aa c q u i s i t i o n ；c o n t r o lo f m o t i o ni i i独创性声明独创性声明秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论文成果归广东工业大学所有。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。7 5论文作者签字：疆勿备指导老师嫁。乏多印少年多月f 日第一章绪论第一章绪论1 1 课题研究背景与意义1 1 1 课题研究背景汽车转向系统是汽车上的一个主要部件，转向系统的性能直接影响到汽车的操纵稳定性，对于保证车辆的安全行驶、减少交通事故以及保护驾驶人员的人身安全、改善驾驶人员的工作条件起着重要的作用l t 】。汽车转向系统发展到今天大致经历了纯机械转向系统( m a n u a ls t e e r i n g 简称m s ) 、液压助力转向系统( h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g 简称h p s ) 、电动液压助力转向系统( e l e c t r i ch y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g 简称e h p s ) 、汽车电动助力转向系统( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g 简称e p s )【2 3 i o随着近年来电子控制技术的成熟和成本的降低，e p s 越来越受到人们的青睐，并以其具有传统动力转向系统不可比拟的优点，迅速迈向应用领域，部分取代了液压助力转向系统 4 1 。电子控制技术在汽车助力转向系统中的应用，使汽车的驾驶性能达到了令人满意的程度。电动助力转向系统在汽车低速行驶时减轻了转向力，使转向轻便、灵活；在高速行驶转向时，适当的增加转向力，从而提高了操纵的稳定性，增强了路感。装有电动助力转向系统的汽车比使用液压助力转向系统的汽车更加节省能源，e p s 的能耗是h p s 的1 3 以下，并且比后者使整车油耗下降了3 一5 。电动助力转向系统将成为汽车传统转向系统的理想升级换代产品 5 1 。电动助力转向系统相对于液压助力转向系统、电动液压助力转向系统具有如下优势：( 1 ) 降低了汽车的燃油消耗：在液压助力转向系统中液压泵不停地运转，浪费了很多的能量，而e p s 仅在需要转向操作的时候电机才运转。并且，能源的消耗与转向盘的转向及当前的车速有关，是真正的“按需供能型( o n d e m a n d ) 系统f 6 1 。又由于即使在一4 0 的低温下，e p s 也能很好的工作，而传统的液压助力转向系统要等到液压油预热后才能j 下常工作。( 2 ) 增强了转向跟随性：在电动助力转向系统中，电机与助力机构直接相广东t 业人学t 学硕l j 学位论文连可以使其能量直接用于车轮的转向。该系统利用惯性减振器的作用，使车轮的反转和转向前轮摆振大大减小，因此转向系统的抗扰动能力大大增强，和液压助力转向系统相比，旋转力矩产生于电动机，没有液压助力系统的转向迟滞效应，增强了转向车轮对转向盘的跟随性能。( 3 ) 改善了转向回正特性：在e p s 控制单元中存储了一簇从最低车速到最高车速的回j 下特性曲线，使得该系统与车辆动态性能相匹配的转向回正特性得到显著的提高。而在传统的液压控制系统中，要改善这种特性必须改造底盘的机械结构，实现起来有一定困难川。( 4 ) 提高了操纵稳定性【s l ：采用e p s 的车辆，给高速行驶( 例如1 0 0k m h )的汽车一个过度的转角迫使它侧倾，在短时间的自回正过程中，由于采用了微机控制，使得汽车具有更高的稳定性，驾驶员有更舒适的感觉。( 5 ) 提供可变的转向助力：电动助力转向系统的转向力来自于电动机，通过软件编程和硬件控制，可得到覆盖整个车速的可变转向力。对于传统的液压系统，可变转向力矩获得非常困难而且费用很高，要想获得可变转向力矩，必须增加额外的控制器和其它硬件。( 6 ) 有利于环保：e p s 应用汽车上的蓄电池为其提供能量，完全替代了原来的液压装置，不会存在着液压助力转向系统的泄油问题，避免了对环境的污染。由于没有油泵，同时也降低了噪音。再者，e p s 中9 5 可再回收利用，有利于环保。( 7 ) 轻量化显著【9 】：液压助力转向装置因有液压缸、油泵、油管、转阀等部件，使系统复杂，零件数目多，占用空间大，布置不方便。而e p s 则表现出了明显的优势，系统结构紧凑、质量轻、易于布置安装。现在汽车市场上占主导地位的仍然是基于液压式的助力转向系统( h p s ) ，但是由于电动助力转向系统拥有比液压式转向系统更加优越的性能，这使得e p s 更加受到人们的青睐。e p s 当前已经较多的应用在了排量为1 3 一1 6 l 经济型轿车上，其性能得到了广泛的认可。随着直流电机性能的提高和4 2 v 电源在汽车组件上的应用，其性能范围将进一步扩展，并逐渐向中高级轿车、中型车和s u v 等车型扩展。目前，在全世界的汽车行业中e p s 正以每年9 一1 0 的增长速度发展，年增长量达1 3 0 万一1 5 0 万套。据t r w 公司预测，到2 0 1 0 年全世界生产的轿车2第一章绪论中每3 辆就有l 辆装配e p s ，2 0 1 0 年全球的e p s 产量将达到2 5 0 0 万套。e p s 在世界的汽车市场将由十分广阔的发展和应用前景。在国内汽车市场上，从2 0 0 5 年起国内的电动转向器进入了实质性的生产阶段，我国已经有了一大批的微型车、轻型车和中小排量的汽车安装了电动助力转向装置。相关专家预测到2 0 1 0 年，我国将有1 8 0 万辆汽车装配e p s f , o j 。在不久的将来，国内的汽车将大量的安装e p s ，e p s 将在国内的汽车市场中占据越来越大的转向器市场份额。1 1 2 课题来源本课题来源于广州机械科学研究院汽车零部件研究所。广州机械科学研究院的汽车零部件检测中心是一家得到国家承认的第三方检测机构，该中心建有汽车转向部件试验室，由于电动助力转向器近些年来才在国内装车使用。该中心的转向部件试验室的试验设备都是用来检测传统的机械式转向系统和液压式转向系统，随着越来越多的电动助力转向系统在国内汽车上的使用，以及国内部分转向器企业已经具备电动助力转向器的研究和生产能力，电动助力转向器的性能检测的需求量不断增大。为了拓宽该中心在转向器部件方面的检测能力，开发设计出一套e p s 试验检测设备来满足汽车电动助力转向器市场的检测需求，服务整个汽车转向器行业和汽车零部件产业。1 1 3 课题研究意义e p s 在国内汽车市场的使用数量越来越多，而且在不久的将来e p s 将成为汽车转向器的主要产品。但是我国现阶段使用的e p s 大多数是从国外进口的，国内的e p s 市场主要由国外的知名汽车零部件公司所统治。虽然国内有南方动力、株洲易力达机电有限公司、南京跃进转向器公司和万向集团等企业具备e p s 的研究与生产能力。同时，国内已经有很多高校和研究机构投入到e p s 的研究领域之中。但是这些研究机构是近些年才开始起步的，技术还不成熟，我国的e p s 技术水平和国外的先进技术相比还是具有不小的差距。在这种情况下，我国的e p s 检测技术更是欠缺，我国近几年才由一些国内的e p s 研究和生产机构联合起来起草和制定了我国的自己的e p s 标准汽车电动助力转向装置技术条件与台架试验方法。3广东t 业人学t 学硕i ：学位论文随着我国经济水平的提高，有能力购买汽车的人数不断增加。汽车作为当代主要的交通工具，汽车的每个零件的质量的好坏直接影响着它的性能。e p s 作为汽车上的一个主要的部件，它的性能的好坏不仅关系到汽车转向性能的好坏，还直接关系到驾驶者和乘客的生命安全。因此，检测e p s 产品的相关性能参数，正确判断e p s 的各项性能指标，有利于阻止不合格的e p s 产品进入市场；同时对于e p s 的研究和设计者来讲，他们在准确的掌握自己产品的参数后有利于发现产品的缺陷，对e p s 进行相关的改进；同时还可以为整车设计过程中提供e p s 选型参考。检测e p s 的相关性能参数要通过专用的e p s 试验检测设备来对e p s 进行试验才能获得。开发出一套e p s 试验设备来检测其性能参数，对于促进我国的e p s 技术水平将有重要的意义。1 2 国内外研究现状自从1 9 8 8 年，k o y o 公司将e p s 推向市场以来，国外的许多知名的汽车零部件大公司都积极投入到e p s 的研发之中。由于国外对e p s 的发展起步早，他们的技术成熟。在e p s 试验设备的研究和开发方面，国外的e p s 试验台的研究都是为了满足各自公司e p s 产品的检测需求，他们的e p s 试验设备各具特色。例如，博世( b o s c h ) 、光洋( k o y o ) 、采埃孚( z f ) 等公司都有自己的e p s 试验台，其试验台在结构和测试方面各具特色。他们在结构设计上充分考虑了现场操作的实际情况，从人机工程学角度出发指导试验台的结构设计，其结构的重点是试验台的结构的合理性和可靠性，同时还兼顾到台架的美观。在测试技术方面，他们往往采用当时的主流测试技术，以保证试验台的先进性和测试的可靠性。在目前国外的e p s 试验台中，都大量采用了计算机测试技术，测试精度高、检测速度快、检测结果直接显示在屏幕上。国外知名汽车零部件公司的e p s 试验台产品代表了当今该技术领域的最先进水平。与国外的研究水平相比，国内企业和科研机构在e p s 试验台的研究和开发方面还存在着一定的差距，但通过近些年的研究也取得了较大的进步，主要表现在先进测试技术的采用方面。随着计算机技术的普及和发展，国内已普遍采用计算机测试技术、先进的数据采集仪器和高精度的传感器，逐步缩小了与国外的差距。4第。章绪论目前，国内已经有不少的高校和企业从事e p s 试验台的研究，并且已有山东的中泰公司、重庆中科、中国汽车工程研究院等几家企业开发出了e p s 试验台。1 3 本课题主要研究内容本课题的主要研究内容是研究和开发套e p s 性能检测系统，能够准确的完成汽车电动助力转向装置技术条件与台架试验方法所规定的性能试验项目。其具体研究内容是：l 、分析e p s 的工作原理和结构，根据试验标准确定试验台所要达到的功能，确定试验台的结构和实现各功能所需要用到的元器件。选用传感器和数据采集卡对试验数据进行采集，利用伺服电机和磁粉制动器对被测e p s 进行驱动和加载。2 、根据要求对所使用到的硬件进行搭建。3 、建立模糊控制算法，并将建立的算法用试验程序实现。4 、编写试验程序，试验程序包括试验程序的总体界面，单项试验程序，试验数据库。试验台的试验程序用v i s u a lb a s i c 语言编写，试验数据保存在a c c e s s 数据库中。试验过程中试验数据和图形实时显示在计算机的屏幕上。5广东t 业人学t 学硕卜学位论文第二章e p s 试验系统的概述2 1e p s 的结构与工作原理2 1 1f p s 的结构如图2 1 所示，e p s 主要由扭矩传感器、控制单元( e c u ) 、直流电机、减速机构和离合器等组成。在汽车的转向过程中，控制单元根据扭矩传感器测得的扭矩信号、车速传感器测得的车速信号，再根据存储在控制器中的控制特性和策略确定最佳的电机的助力电流，从而产生适当的转向助力。电机输出的转矩经减速机构放大后通过机械转向装置控制汽车的转向。当车速、电流超过限定的最大值或转向系统发生故障时，离合器便自动切断电动机与减速机构的连接，使转向器处于手动控制的转向状态。如果车辆不转向，则e p s 处于待命状态，整套e p s 只需要微弱的电量来维持e c u 的工作。因此，e p s 在不转向时几乎不会消耗能量 h i 。图2 - 1电动助力转向器结构原理图f i g 2 一lt h ep r i n c i p l es t r u c t u r ed i a g r a mo fe p s6第二章e p s 试验系统的概述2 1 2e p s 的工作原理e p s 的工作原理如图2 2 所示，其主要工作流程是从传感器一e p s 控制器一执行元件。e p s 系统启动后首先进行自检，在确定没有异常、可以正常工作的情况下，电子控制单元输出电磁离合器的控制信号，电动机的输出轴才可以输出动力。通过电动机输出轴和减速齿轮使小齿轮轴处于可以提供助力的状态。扭矩传感器将检测到的转向轴的扭矩、转角信号送入到处理电路，经过a d 转换后输入到电子控制单元( e c u ) ，同时速度传感器将检测到的车速和发动机信号送入到e c u 中。e c u根据这些信号采用p i d 双闭环控制方法计算出最优化的助力扭矩，计算结果通过d a 转换后以电流模拟量的形式输出到电流控制电路，并经过驱动电路处理后向助力电机提供控制电流，控制电机输出力矩的大小和方向。电机输出的力矩再经减速机构和转向输出轴输出给齿条，从而给汽车提供转向助力。控制器具有安全诊断功能，一旦系统出现异常情况，离合器迅速断开电机与转向轴的连接，助力将自动被取消。与此同时由微处理器记录故障情况，并随即通过一个闪烁的指示灯来告示运行状况，在异常条件下，系统转化为手动操纵控制m 1 4 1 。扭矩传感器输驱入电子动直流电j i fi 车速传感器处及理控靛保电磁离合器发动机信号电单元护路电e p s 工作l 车载电源路状态指示图2 - 2e p s 工作原理图f i g 2 - 2d i a g r a mil l u s t r a t i n gt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo fe p s汽车电动助力转向装置的助力来源于e p s 上的直流电机，直流电机产生的扭矩通过减速机构放大后起到助力的作用。其中，直流电动机的转矩乙和电机电枢电流i 的关系：7广东t 业大学t 学硕卜学位论文l = k ，i( 2 1 )式中的k ，为扭矩常数，是描述直流电动机的一个重要特性，它是由直流电动机的结构决定的。在转向过程中e p s 的e c u 根据当时的汽车行驶状况确定出最佳的电机控制电流f 来驱动直流电机产生扭矩l 。2 1 3e p s 的助力特性汽车在停车、低速或者高速行驶时，需要的转向力矩的大小是不同的，电机控制器输出的电流是根据助力特性曲线来设计的。助力特性一般有直线型、折线形和曲线形3 种典型的曲线形式，每种助力特性曲线可分为3 个区，0 t d 乃。区为无助力区，乃o 乃 乃一为助力不变区。图2 3 为直线型助力特性，它的特点在助力变化区，助力与转向盘力矩成线性关系，该助力特性曲线可以用以下函数表示：f oo - - t d t d 。i = k ( y ) ( 乃一乃o )乃o i d 乃( 2 2 )【，懈t d 乃啡式中：i 电动机的目标工作电流；k 电动机的最大工作电流；乃转向盘输入力矩；k ( d 助力特性曲线的梯度，随车速的增加而减小；乃o 转向系统开始助力时的转向盘输入力矩；乃一转向系统提供最大助力时的转向盘输入力矩。8第二章e p s 试验系统的概述i at d 蔚mt d 一图2 - 3 直线型助力特性曲线f i g 2 - 3l i n e a r a s s i s t c u i v e图2 4 为折线型助力特性，它的特点在助力变化区，助力与转向盘力矩成分段线性关系，该助力特性曲线可用以下函数表示：小，=0茁l ( p ( 乃一乃以k 2 i v ) ( 乃一乃1 ) + 芷l i r l ( 乃1 一n o )l n “0 s 乃 t a ot a o t a 7 4 t( 2 3 )t a i s t a t a 一乃2 乃眦式中：k ( v ) 、丘( v ) 分别为助力特性曲线的梯度，随车速的增加而减瓦助力特性曲线梯度由k l ( v ) 变为i ( 2 ( v ) 时的转向盘输入力矩。 i ai ，、 、7、，一v 2 v n lpt d 甜m1 “t d 一图2 4 折线型助力特性曲线f i g 2 - 4d e v i o u sa s s i s t c l l r v e9瞰间州一，厂一一，广东工业大学i 学碗士学位论文，如帕，篓瑟一式中：，( ) 关于t d 的曲线描述函数。i at d n 助力与转向盘力矩成非( 2 4 )一v 2 v m xt d 眦图2 5 曲线型助力特性曲线f i g 2 - 5c u r v i l i n e a ra s s i s tc u r v e直线型助力特性不能很好协调转向轻便性与路感的关系，但这种助力特性最简单，有利于控制系统的设计，并且在实际调整时容易处理，目前使用得最多；曲线型助力特性复杂，调整不方便，使用者甚少；折线型助力特性则介于两者之间。在e p s 系统中有许多条助力特性曲线，每一条曲线对应一个车速范围，输出电流是根据在不同车速下驾驶人员转向力的最大加速度确定的，这些助力特性曲线簇覆盖了e p s 发挥作用的整个车速范围。助力特性曲线按照控制器执行运算时的方式可分为参数模型和非参数模型，参数模型则需要执行时根据车速和转向手力两个参数运算才可虬得到助力控制信号；非参数模型以表格形式存储在固定单元，控制器运行时只需根据车速和转向手力查表就可以知道助力控制信号。这两种模型各有优点，查表法执行迅速，对控制器的硬件性能要求低，但是查表法由于存储空间限制，只能按照车速和手力，划分一定的区间，分别给出助力结果，所以控制量是不连续的；参数模型则可以对任何车速和转向盘输入力矩下给出助力结果，但是参数模型类型的助力特性曲i o第一二章e p s 试验系统的概述线对控制器运行速度提出了较高的要求，针对这一矛盾，可以采取相对简单的模型，这样既能够满足控制要求，又可以保证运算速度。2 2 试验条件与方法依据汽车电动助力转向装置技术条件与台架试验方法中的规定，e p s 性能试验的试验有性能试验、输入输出特性试验、助力电流特性试验、反向冲击试验、空载动力矩试验、回正特性试验和报警试验等。其主要试验内容如下【- 6 l ：2 2 1 输入、输出特性试验将被试装置安装在试验台上，系统正常工作，把输出端刚性固定或加弹性载荷，设定不同的车速( 从0 k m h 至最高车速，间隔5 - - 2 0 k m h ) 分别向两个方向匀速转动输入轴，转到输入力矩力至设定值为止，同时记录各个车速下输入力矩与输出力矩力的关系曲线。见图2 - 6 。( 1 ) 、做出不同车速下的转向手力特性；( 2 ) 、分别测出不同车速下左右最大转动力矩力；( 3 ) 、分别计算各车速下曲线的对称度( 允许以0 车速为代表) ，对称度不应小于9 0 。t心一1 v _ 0 k 舶，2 v = 10 k m h ，3 v = 2 0 k m h ，nv = v m a x图2 - 6 输入、输出特性曲线f i g 2 - 6i n p u ta n do u t p u tt o r q u ec u r v eo fe p s广东t 业人学下学硕 ：学位论文2 2 2 电流特性试验将被试装置安装在试验台上，系统正常工作，匀速转动转向盘，使输出端载荷达到额定载荷，设定不同车速( 从0 k m h 至最高车速，间隔5 - 一2 0 k m h ) ，记录输入载荷与电流变化关系，见图2 7 。弋 弋、1 v = 0 k r r g h ，2 v = 1 0 k m h ，3 v = 2 0 k m j h ，。，r l v = v m a x图2 7 电流特性曲线f i g 2 7 f , g2t h ec u r r e n tc u r v c。l n e( 1 ) 、做出不同车速下的电流特性；( 2 ) 、分别测出各车速下最大行程时的左右最大电流。2 2 3 空载转动力矩试验将被试装置安装于试验台架上，输出端处于无载荷状态。( 1 ) 、在汽车点火开关关闭状态下，输入轴以6 l r m i n 的转速从起始位置( o。位置) 顺时针转动9 0 最大转角，然后再反方向转动9 0 最大转角，再顺时针回到起始位置。记录并绘制转动力矩曲线( 如图2 - 8 ) ；( 2 ) 、在汽车点火开关开启状态下，重复上述试验并绘制转动力矩曲线：( 3 ) 、模拟车速点火丌关开启状态下，保持5 s ，绘制输入、输出轴力矩力。1 2量z裂文簿lk吖uvlg n dli；+ 5 弋ll；m p c 0 2 专i驱动器m p c 0 2 紊a 差分信号接线方法驱动器b 单端信号接线方法图3 5 脉冲方向输出信号接线方法f i g 3 - 3t h ec o n n e c t i o nm e t h o da b o u tp u l s e d i r e c t i o no u t p u ts i g n a lm p c 0 2 卡的编码器反馈输入信号，用于接收外部旋转式光电编码器或直线光栅尺等的a b 相9 0 。相位差信号和z 相零位信号，m p c 0 2 卡与编码器的接线方法也有单端和差分两种接线方法，其接线方法如图3 - 6 所示。i+ ：编弼嚣| 轾源 毡源缝iim p c 0 2 卡：编妈器信号m p c 0 2 卡i编国器信弓a 单端信号接线方法b 差分信号接线方法图3 - 6编码器反馈输入信号接线方法f i g 3 - 4t h ec o n n e c t i o nm e t h o da b o u tt h ei n p u ts i g n a lf r o me n c o d e r本课题选用m p c 0 2 运动控制卡来控制e p s 试验系统中的输入、输出端的伺服电机，m p c 0 2 运动控制卡与m i n a sa 4 系列的伺服电机驱动器的接线如图3 7所示：由于差分的接线方法抗干扰能力比单端接法好。所以，脉冲输出信号和光电编码器的反馈信号均采用差分的接线方法。将运动控制卡和伺服驱动器相应的脉冲信号、编码器信号、伺服使能端( s r v - o n ) 、偏差清零端( c l ) 连接。2 3广东t 业人学t 学硕l ：学位论文图3 7m p c 0 2 与m i n a sa 4 系列伺服电机的接线图f i g 3 - 7w i r i n gd i a g r a mf o rm p c 0 2t om i n a sa 4s e l v om o t o r3 3 数据采集系统数据采集( d a t aa c q u i s i t i o n ) 就是将被测对象( 外部世界、现场) 的各种参量( 如物理量、化学量或生物量等) 通过不同传感元件作适当转换后，再经信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理或存储记录的过程。它是计算机监测、管理、控制系统中，取得原始数据的主要手段。数据采集系统是计算机与外部世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径。数据采集的主要问题是采集速度和精度。采集速度主要与采样频率、a d 转换速度等因素有关：采集精度主要与a d 转换器的位数有关。第1 三章e p s 试验台的原理j 硬件设计3 3 1 数据采集的原理在实际控制系统中，绝大多数的被控制对象( 或控制量) 都是在时间和幅值上均连续变化的模拟量，而控制系统的控制器( 一般采用数字计算机) 通过数字信号进行运算和处理，处理的结果往往又需要以模拟量的形式去控制外部对象。将计算机引入控制系统中后，造成了信息的表示形式和运算形式的不同，因此，需要解决模拟信号和数字信号之间的相互转换问题，即采样和重构的问题。这也是数据采集系统的核心问题。1 、模拟量的数字化( a d 转换)1 ) 采样( 也称为抽样) ，就是利用采样脉冲序列p ( t ) 与连续信号x o ) 相乘，以工( f ) 从中抽取一系列离散样值t o t ) 的过程，其中刀= o ，1 ，t ，正为采样间隔，f = 1 r , 为采样频率。一般情况下，抽样过程是通过脉冲序列p ( t ) 与连续信号x ( f ) 相乘实现，即戈= 石( f ) p o )( 3 1 )根据卷积定理可知，抽样信号的傅立叶变换为：x ( 厂) = x ( 厂) 毒p ( 厂)( 3 2 )若采用等时间间隔抽样( 又称均匀抽样) ，设抽样脉冲序列为理想的周期脉冲序列，即p ( f ) = 8 ( t - n t s )( 3 3 )由于p ( t ) 是周期函数，则其傅立叶变换为：) = 磬( 分圳= 毒奎u 圳( 3 4 )于是可得：耵) “( 伊) 硝( 伊砉毒町一纸)( 3 5 )由上式可知连续信号x ( f ) 经理想抽样后，其频谱为原连续信号频谱x ( 门的周期延广东t 业大学t 学硕i ：学位论文拓，延拓周期等于抽样频率丘嗍。2 ) 量化实际上是一种运算方式，即将时间上离散、幅值上连续的采样值转换为时间和幅值上均离散的数字量。量化过程中，会带来量化误差f 2 6 1 。3 ) 编码，就是将离散的幅值经过量化后转换为二进制的数字。即a = r d = r5 a j 2 ( 3 6 )j _ _ 式中，a i 取0 或l 2 4 1 。上述的过程可以用图3 - 8 所示进行说明。图3 - 8 模拟量数字化过程f i g 3 - 8p r o c e s so fa n a l o gt od a t a2 、信号重构( d a 转换过程)采样信号经过运算或处理后，必须以模拟量的形势输出才能去控制模拟系统。重构就是在满足定的条件下，将离散的采样信号通过“理想低通滤波器”，滤波器的截至频率等于原信号的折叠频率，这样，在滤波器的输出端将得到频谱为x ( 厂) ，波形不失真的原始信号x ( f ) 。由前面的分析可知，从频域来看，连续信号经过采样后，会造成其频谱的周期延拓( 延拓周期等于采样频率正) ：从时域看，采样过程损失了信号在采样瞬间之间的所有信息。如果采样的频率过低，将使得高频信号分量混入到低频段当中，使高、低频成分发生混淆，从而产生频谱混叠效应。为了能够从采样信号中重构原始信号，采样时必须满足采样定理。2 6第三章e p s 试验台的原理j 硬件设汁采样定理( 又称为奈奎斯特一香农采样定理或香农采样定理) ：设连续信号x ( f )的频谱x ( 厂) 有截至频率丘，即i f i 正时，x ( 厂) 2 0 那么，当且仅当工2 l 时，采样信号的频谱不会发生混叠。在实际的数据采集系统中，采样频率( 或采样周期) 的选取还需要考虑下列原因：1 、控制系统的动态品质特性；2 、被控对象的动态特性：3 、扰动信号的干扰频谱：4 、控制算法和计算机的性能；在工程实践中，考虑到实际滤波器的截止特性，通常取六= ( 2 5 t o ) l 。3 3 2 数据采集卡数据采集卡的选择主要是根据被检测信号的截止频率f 来确定所选采集卡的最高采样速率，根据被采集信号的多少来确定采集卡的信号采集通道数。本课题所研究的e p s 性能检测台所要采集的信号有e p s 输入扭矩值、输出扭矩值、电机电流、e p s 电流、e p s 电压、e p s 上扭矩传感器主信号、辅助信号，总共有7 路模拟量采集信号。整个试验台中的被测模拟量信号中e p s 电机电流频率最大，对e p s电机电流的采集频率要达到1 0 0 0 h z1 2 7 1 。通常所使用的数据采集卡的采集频率都能够达到本试验台所要求的采集频率。目前，市场上的数据采集卡的模拟量采集通道大多是1 6 和3 2 通道。因此，本课题选用一块通道数为1 6 通道的数据采集卡。综合考虑被采集信号的个数、采样频率、数据精度等因素。在满足使用要求的同时为以后试验台功能扩展预留一定数据采集通道。本课题选用台湾研华公司所的p c l - 8 1 8 h d 多功能数据采集卡。如图3 - 9 所示，p c l - 8 1 8 h d 具有i o o k h z 的数据采集速率，这个采集速率完全可以适应本课题所研究的试验台的要求。p c l 一8 1 8 h d 能够保证在所有增益( x l 、2 、4 、8 ) 均可编程及所输入范围内都有l o o k h z采样速率和转换速度，该卡带有一个1 k 的f i f o ( 先进先出) 缓冲器以获得更快的数据传输和w i n d o w s 下更好的性能i z s 一硼。广东i 业人学r 学碰l ：学位论女图3 - 9p c l - 8 1 8 h d 数据采集忙f i g 3 - 9p c l 一8 1 8 h dd a t a a c q u i s i t i o nc a r dp c l 一8 1 8 h d 的参数和特点如下；i 、1 6 路单端或8 路差分模拟量输入；2 、1 2 位a d 转换器，可达i o o k h z 的采样速率，带d m a 的自动通道增益扫描：3 、每个输入通道的增益可编程，乘0 5 、1 、2 、4 或8 ：4 、板上带有一个l k 的采样f i f o ( 先进先出) 缓冲器和可编程中断：5 、软件可选择模拟量输入范围( v d c )双极性：0 6 2 5 v ，1 2 5 v ，25 v ，5 v ，i o v单极性；0 l2 5 v ，0 25 v ，o 5 v ，0 l o v6 、1 6 路数字输入、1 6 路数字输出，1 路模拟量输出，1 个可编程定时器计数器。在本文所选用的p c l8 1 8 h d 数据采集卡中除了有1 6 个模拟量数据采集通