（载运工具运用工程专业论文）汽车电动助力转向虚拟测试系统研究.pdf

摘要 汽车电动助力转向是一种利用电动机直接为汽车转向系统提供助力的高新技 术，具有传统液力助力转向系统所不具有的低能耗、环保、高主动安全性等优点， 代表着未来汽车动力转向技术的发展方向。目前迫切需要一种方便、快捷的e p s 系统测试仪器，而传统的测试系统在便捷性、可靠性、可扩展性方面都具有一一定 的局限。针对这种情况，本文应用传感器技术、计算机控制技术和虚拟仪器技术， 开发出汽车电动助力转向系统虚拟测试仪器。 本文研究了汽车电动助力转向虚拟测试系统的工作原理；设计了测试系统总 体方案；提出以r s 一2 3 2 串口作为上、下位机通讯方式的硬件实现方案；研制了具 有数据采集处理功能模块和微机接口功能模块的数据采集卡；开发了基于l a b v i e w 的虚拟测试系统软件。充分考虑到数据采集系统的抗干扰技术，最大限度地降低 了数据误差、提高了数据精度，保证了测试系统的可信性。 本文还进行了电动助力系统台架测试。测试结果表明：本虚拟测试系统操作 简便、快速，运行可靠，测试精度高，测试成本低，可维护性高，可扩充性好。 关键词：汽车电动助力转向系统l a b v i e w 串口通信虚拟测试 a b s t r a c t a u t o m o b i l ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ( e p s ) i so n es u p e r i o rt e c h n i q u ew h i c hs u p p l y p o w e rt os t e e r i n gs y s t e mo fa u t o m o b i l ew i t hm o t o rd i r e c t l y i th a sm a n yc o n s p i c u o u s v i r t u ew h i c ho t h e rt r a d i t i o n a li n s t r u m e n td i d n th a v e ，s u c ha sl o we n e r g yc o n s u m p t i o n ， e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，h i g hs a f e t ye t c ，s o ，i th a sb e c o m eo n es i g no ff u t u r e d e v e l o p m e n td i r e c t i o no fh i g ht e c h n i q u eo fa u t o m o b i l e s o ，ac o n v e n i e n ta n dq u i c k l y t e s t i n g i n s t r u m e n ti sn e e d e d w h i l et h ec u r r e n tt e s t i n gi n s t r u m e n t sa r en o ts o s a t i s f a c t o r y , i no r d e rt oo v e r c o m et h i sb a r r i e r , d e s i g nan e wt e s t i n gi n s t r u m e n tf o re p s s y s t e mb a s e do nt e c h n i q u eo fs e n i o r , c o m p u t e rc o n t r o la n d v i r t u a li n s t r u m e n t d u r i n gt h i sa r t i c l e ，t h eh a r d w a r eo ft e s t i n gs y s t e mi sa n a l y z e di nd e t a i l an e wp l a n o i lt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e np e r s o n a lc o m p u t e ra n ds i n g l eb o a r dc o m p u t e rt h r o u g h r s 一2 3 2 cs e r i a lb u si sa d o p t e d s u c c e s s f u l l ye x p l o r e do n ed a t aa c q u i s i t i o nb o a r dw i t h s t r o n gf u n c t i o na b o u td a t aa c q u i s i t i o na n dc o m p u t e ri n t e r f a c e d e v e l o p e dt e s t i n g s o f t w a r eb a s e do nl a b v i e w t h et e c h n o l o g yo fa n t i v i o l a t i o ni so n em a i nc o n t e n t i o n ， d oo u rb e s tt od e c r e a s e 血ev i o l a t i o na n di n c r e a s et h ea c c u r a t e f f l l h & n c et h ec r e a t a b l eo f t e s t i n gs y s t e m f i n a l l y , at e s t i n ge x p e r i m e n to fe p ss y s t e m si se x e c u t e d ，j u s ta sw h a tt h er e s u l to f t e s t i n gs h o w ，t h ev i r t u et e s t i n gs y s t e mo fe l e c t r o n i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mi n t h i s a r t i c l ei sv e r yc o n v e n i e n ta n da d v a n c e d ，h i g hs t a b i l i z a t i o n ，h i g hp r e c i s i o n ，l o we x p e n s e f u r t h e r m o r e ，i th a sag o o dp e r f o r m a n c eo f m a i n t e n a n c ea n de x t e n d i b i l i t y k e yw o r d s ：a u t o m o b i l e ，e l e c t r o n i c p o w e rs t e e r i n g ，l a b v i e w , s e r i a l c o m m u n i c a t i o n ，v i r t u a lt e s t i n g 重庆交通大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者躲伤i 抄 日期：5 年驴月乡日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密嘭 ( 请在以上方框内打“4 ”) 指导教师签名： 日期：“年年月1 。日 奶 日 ， 氖n 名 纱 獬 垆 者 年 作 名 文 刎 一勰 位 期 事r j 第一章绪论 第一章绪论 节能、安全、环保已成为汽车发展的三大主题。然而在当今轿车中得到广泛 应用的液压动力转向系统，由于存在浪费燃料、易漏油、高速行驶时路感差等缺 点，已经越来越不能满足汽车发展的要求了。为了解决上述问题，2 0 世纪8 0 年代 后期，在日本开始出现电动助力转向系统，它采用助力电机直接提供转向助力， 助力的大小由电子控制单元控制。电动助力转向系统能够节约燃料，提高主动安 全性，而且有利于环保，是一项紧扣汽车发展主题的高新技术，所以经出现就 受到高度重视。目前国外的发展趋势是电动助力转向正逐步取代传统的液压动力 转向，电动助力转向已成为世界汽车技术发展的研究热点。 1 1 汽车动力转向技术的发展 汽车动力转向装置是上世纪4 0 年代左右，在美国大型轿车上首先得到广泛应 用的，主要用来解决转向轻便性问题。它随着汽车技术的发展而发展，先后出现 了液压动力转向、电控液压动力转向和电动助力转向三种形式。 1 1 1 液压动力转向系统 液压动力转向系统( h y d r a u licp o w e rs t e e r i n g ，简称h p s ) 于1 9 2 8 年在汽车 上首次得到应用，到1 9 4 0 年左右t i p s 已经实用化了，开始在重型卡车、客车上装 备。1 9 5 1 年开始应用在轿车上，获得好评，随后h p s 在轿车上迅速普及，到目前 为止h p s 已经成为轿车标准装备。 h p 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t i 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。2 0 世纪5 0 年代出现了转阀式t i p s ，即控制阀 中的阀芯以旋转运动来控制油路。与滑阀相比，转阀的灵敏度高、密封件少、结 构比较先进。虽然由于转阀利用扭杆弹簧来使阀回位，结构较复杂，特别是对扭 杆的材质和热处理工艺要求较高，但是其性能相对于滑阀有很大改迸，而且在齿 轮齿条式转向器中布置转阀比较容易。 因此，目前在绝大部分轿车及部分货车上均采用的是转阀式t i p s h p s 具有如下优点： 1 ) 提高转向轻便性，减小驾驶员的驾驶疲劳强度： 2 ) 液压系统的阻尼作用可以衰减道路不平度对转向盘的冲击： 第一章绪论 2 3 ) 液压执行机构可以提供较大的助力，允许转向车轮承受更大的负荷，不会 引起转向沉重的问题； 4 ) 技术成熟，结构紧凑，工作安全可靠，价格比较便宜； 同时h p s 也有很多不足： 1 ) 选定参数，设计完成之后，助力特性就确定了，不能再进行调节与控制， 因此很难协调汽车转向轻便性和路感之间的矛盾： 2 ) 无论汽车是否转向，只要发动机工作，油泵就一直运转，浪费燃料，使整 车的燃油经济性变差： 3 ) 存在渗油问题，泄漏的液压油会对环境造成污染： 4 ) 对工作温度有一定的要求，低温工作性能较差。 1 1 2 电控液压动力转向系统 电控液压动力转向系统( 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 gs y s t e m 简称 e h p s ) 是为了克服h p s 的不足，在h p s 的基础上，增加了电子控制和执行元件，将 车速引入到系统中，实现了车速感应型助力特性的液压动力转向。 e h p s 的种类很多，但其原理基本上都是由车速传感器将车速信号传递给控制 系统，控制装在油泵或转向器上的电液转换装置，通过改变液压系统的流量或压 力来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件的变化 而改变，即在低速行驶或转急弯时能以很小的转向力进行操作，提高轻便性：在高 速行驶时能以稍重的转向手力进行操作，增强路感。使操纵性和稳定性达到最合 适的平衡状态。 e h p s 有如下优点： 1 ) e h p s 是在h p s 的基础上发展起来的，原来的h p s 系统全部都可以利用，不 需要更改布置： 2 ) 满足汽车低速行驶时转向轻便性的要求，高速行驶时可以自动根据车速逐 渐减小助力，增大路感，提高主动安全性： 3 ) 把油泵与发动机分离，采用电机驱动油泵，能够节省能量 4 ) 有失效保护系统，电子元件失灵后仍可依靠原h p s 安全工作 e h p s 存在如下缺点： 1 ) 由于仍然使用液压机构提供助力，使得e h p s 无法克服渗油问题、零件增加， 管路复杂，不便于安装维修及检测等缺点。 2 ) 虽然引入车速，实现车速感应型助力特性，但是在原有液压系统的基础上 又增加了电子系统，使系统更加复杂，成本增加，可靠性变差。 第一章绪论 1 1 3 电动助力转向系统 电动助力转向( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，简称e p s ) 完全抛弃了液压执行机 构，由电机直接提供转向助力，解决了传统h p s 和e h p s 无法克服的缺点。e p s 最 先应用在日本的微裂轿车上。1 9 8 8 年日本铃木公司首次在其c e r v o 车上装备 e p s 3 0 ，此后，e p a s 迅速地发展起来。日本的光洋公司、本田公司、大发公司、 三菱公司，美国的d e l p h i 公司、t r w 公司，德国的z f 公司等，都相继研制出各自 的e p s 产品。 月前国外电动助力转向系统方面的研究正在朝着未来电动助力转向系统 线控电动助力转向系统迈进。线控转向系统是在电动助力转向系统的基础上发展 而来的，二者都是用电机作为执行器，但二者具有的本质不i 是：在电动助力转 向系统中，转向靠和转向车轮之间有转向柱等机械连接；而在线控转向系统中， 转向盘和转向车轮之问是没有任何机械连接。在线控转向系统中，出转角传感器 测出驾驶员施加在转向盘上的转角信号经过一个合适的传动比转换后，作为控 制转向车轮的参考转角；此同时，通过扭矩传感器测出转向车轮上受到的转向阻 力矩，反馈给转向盘下方的电机，使之产生一个合适的反力矩，使驾驶员获得满 意的操纵力感。线控转向系统发展过程中最大的困扰是可靠性的问题。由于线控 转向系统中转向盘和转向车轮之间没有直接的机械连接，当电控系统出现故障时， 车辆将无法保证转向功能，处于失控状态。 然而由于多方面的原因，国内在近几年才开始e p s 的研究，不过发展势头却 十分强劲，已经有吉林大学、清华大学、华中科技大学、合肥工业大学、江苏大 学、湖北汽车工业学院、株洲南方动力、荆州恒隆公司等多家高校与企业正在从 事e p s 的研究与开发工作，并且已经出现了从国外引进的车型( 如一汽速腾、广州 飞度、南汽新雅涂、比亚迪汽车、昌河北斗星、吉利美日、长安雨燕等) 装备有e p s 投放市场。 e p s 具有以下优点： 1 ) 可以在汽车不同的行驶工况下提供合理的助力，既能既满足汽车低速行驶 时转向轻便性的要求，又能满足汽车高速行驶时路感的要求。并且助力特性可以 很容易地通过软件设置，得到不同的转向手力特性。 z ) 电机只在转向时才提供助力，因而能减少能量消耗，提高燃油经济性。 3 ) 不存在渗油问题，有利于环境保护，并且可以降低保修成本。据d e l p h i 称 目前全世界8 0 的汽车装备有传统的f l p s ，也就是说如果e p s 全面进入市场，经济 效益和社会效益将都十分可观。 4 ) 取消了油泵、控制阀、油罐、皮带、皮带轮、液压软管及密封件等液压装 置，只需增加电机、减速机构、离合器、传感器及电子控制单元等，零件比e h p s 第一章绪论! 减少，质量更轻、结构更紧凑，在安装位置选择方面也更容易，并且能降低噪声。 5 ) 没有液压回路，比t i p s 更易调整和检测，装配自动化程度更高，并且可以 通过设置不同的软件程序，能快速与不同车型进行匹配，因而能缩短生产和开发 周期。 6 ) e p s 比h p s 和e h p s 具有更好的低温工作性能。 尽管目前装备的e p s 已经达到最初的设计目的，但仍然存在一些问题需要改 进和解决，其中： 1 ) 继续改善电机的性能是e p s 发展的关键问题。电机的性能是影响系统性能 的主要因素，电机本身的性能及其与e p s 的匹配都将影响转向手力特性、转向路 感、汽车动态响应等重要问题。 2 ) 合理助力特性的确定。助力特性的好坏应该从汽车低速行驶时转向轻便性 和高速行驶时路感两方面综合考虑。 3 ) 合适的控制策略。e p s 能否获得满意的性能，除了应有好的硬件保证外，还 必须有良好的控制软件做支撑。汽车行驶工况千差万别，加上e p s 的安装位置一 般在发动机附近，发动机发出的热辐射与电磁干扰对e p s 有很大影响。这些都对 e p s 的控制策略提出很高的要求 4 ) e p s 的控制信号将不再仅仅依靠车速与转向盘扭矩，而是根据转向盘转角、 转向速度、侧向加速度、前轴载荷等多种信号，进行与汽车特性相吻合的综合控 制，以获得更好的转向路感。 1 2 汽车虚拟测试系统研究现状与意义b 町”陋” 1 9 8 6 年，美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t ，n i ) 首次提出了“虚 拟仪器”概念，即利用软件代替传统仪器的硬件的方法来制作测试仪器。运用虚 拟仪器技术能够达到共享硬件和软件资源，快速、方便的组建各种自动测试系统， 并可以方便地利用计算机的强大功能，进行信号分析、数据处理、存储以及图形 化显示。 由于虚拟仪器较传统仪器而言具有所需的硬件少、购置费用低可重复利用， 技术更新快、开发与维护费用低、系统开放性好等优点。所以在国际上发展十分 迅速，发达国家应用已十分普及。美国是虚拟仪器的诞生地，也是全球最大的虚 拟仪器生产基地，其中以n i 公司为代表。2 0 0 4 年n i 公司启动了打造基于l a b v i e w 的汽车全面测试平台计划。国内对虚拟仪器的研究起步相对较晚，目前许多科研 单位、大学、生产部门的实验、测控仍以传统仪器占主导地位，处于传统仪器与 计算机化仪器相互分离的状态。但是，虚拟仪器已经引起我国学术界的极大重视， 第一章绪论 清华大学、西安交大、上海交大、重庆大学、中科泛华电子科技公司、哈工大仪 器王电子有限公司等高校和机构在研究和开发虚拟仪器方面做了大量工作，有的 已经取得了很好的效果。有专家预测未来几年内我国将有5 0 的仪器为虚拟仪器 。无疑，虚拟仪器将会逐步取代传统仪器而成为主流仪器。 在汽车检测领域中，虚拟测试技术的应用也越来越普及。如清华大学构建的 汽车发动机综合性能检测系统已成功的用于发动机出厂检测。此外，虚拟测试技 术在汽车排放、电喷模块、故障诊断、车灯配光、雨刮器电机、汽车碰撞、制动 器、测功器、燃料电池解决方案、汽车后桥、电动摇窗机、a b s 管道特性检测系统、 离合器检测等方面也得到了研究和应用。然而，对于电动助力转向装置助力特性 测试仪器中，由于电动助力转向装置本身在国内处于实验研究阶段，多数虚拟测 试仪器采用v i s u mc + + 、v b 等可视化编程语言进行开发，开发周期较长、对开发 人员的编程语言技术要求比较高、可扩展性相对l a b v i e w 而言较差，有些甚至使 用如方向盘转向参数测试仪、函数记录仪传统仪器等进行检测。这些仪器价格昂 贵，操作方便性、可扩展性较差。然而，n i 公司的数据采集卡非常昂贵，经济性 不好且l a b v i e w 并不直接支持( 须转换后方可支持) 的直插式第三方硬件。 此外，随着我国汽车拥有量的不断增长，车辆配置档次的不断提高，配备代 表高性能的电动助力转向装置是一种不可避免的趋势( 一汽速腾、广州飞度、南 汽新雅涂、比亚迪汽车、昌河北斗星、吉利美日、长安雨燕等均已配备了e p s 系 统) ，相应的来说，建立一套方便、快捷、可靠的虚拟检测设备更是形势所需。 1 3 论文研究的目的、意义、任务和成果 1 3 1 研究目的和意义 为了充分利用虚拟测试仪器的优点、降低系统开发成本、提高测试效率、便 于功能拓展，本课题通过汽车电动助力转向虚拟测试系统的研究，达到构建测试 平台，对汽车电动助力转向系统性能进行综合检测的目的。具有一定理论价值和 实际应用前景。 1 3 2 论文的主要任务 研制数据采集卡，以r s 一2 3 2 串口通讯作为上、下位机通讯方式，开发基于 l a b v i e w 的汽车电动助力转向虚拟测试系统。 ( 1 ) 研究汽车电动助力转向虚拟测试系统的工作原理； 第一章绪论 ( 2 ) 设计测试系统的总体方案； ( 3 ) 研制具有数据采集处理模块和微机接口模块功能的数据采集卡 ( d ) 开发测试系统软件。 6 1 3 3 论文的主要成果 1 开发出了基于l a b v l e w 的汽车电动助力转向虚拟测试系统。该系统具有功 能强大、操作简单、可靠性高、易于功能扩展等特点。 2 在l a b v i e w 软件开发平台不直接支持第三方数据采集卡的背景下，提出丁， 基于串口通讯的测试方案，并解决了在利用l a b v i e w 软件进行串口通讯时数据格 式之间的转换问题。 3 采用增加p w m 信号重复频率的方法，降低了电机由于电流的波动而引起的 电机助力扭矩波动幅度，提高了系统的稳定性。 第= 章虚拟仪器技术 2 1 虚拟仪器概念“儿2 第二章虚拟仪器技术 7 随着徽电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子 测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新 的仪器结构不断出现，在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的 功能和作用发生了质的变化。在这种背景下，八十年代末美国成功研制出了虚拟 仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 。 所谓的虚拟仪器，由美国国家仪器公司( n i ) 于1 9 8 6 年首次提出，就是用户 在通用计算机平台上，根据需求定义和设计仪器的测试功能，使得使用者在操作 这台仪器时，就像是操作一台他自己设计的仪器一样。虚拟仪器的概念打破了传 统仪器由厂家定义，用户无法根据自己的要求而改变其相应功能的工作模式，使 得用户可以根据自己的需求，设计自己的仪器系统，在虚拟测试系统和仪器设计 中尽量用软件代替硬件，充分利用计算机技术来实现和扩展传统测试系统和仪器 的功能。“软件就是仪器”是虚拟仪器概念最简单、也是最本质的表述。更简单地 说，基于计算机的自动测试仪器就是虚拟仪器。 2 2 虚拟仪器的发展 虚拟仪器技术是现代计算机系统和仪器系统技术相结合的产物，是当今计算 机辅助测试( c a t ) 领域的一项重要技术。它推动着传统仪器朝着数字化、模块化、 网络化的方向发展。虚拟仪器发展至今，大体可分为四个阶段：模拟仪器、数字化 仪器、智能仪器和虚拟仪器。 第一代模拟仪器，如指针式万用表、晶体管电压表等，它们的基本结构是电 磁机械式的，借助指针来显示最终结果。 第二代数字化仪器，这类仪表目前相当普及，如数字电压表、数字频率计等， 这类仪器将模拟信号的测量转换为数字信号的测量，并以数字方式输出最终结果， 适用于快速响应和较高准确度的测量。 第三代智能仪器，这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试，又具有一定 的数据处理能力，可取代部分脑力劳动，习惯上称为智能仪器。它的功能模块全 部都是以硬件或固化软件的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。 第四代虚拟仪器，继n i 公司开发出虚拟仪器之后，美国惠普( h p ) 公司、 第二章虚拟仪器技术 t e k t r o n i x 公司、r a c a l 公司等也相继推出了多种总线系统的虚拟仪器，并在短短 的十余年间，便占有了世界仪表仪器市场1 0 左右的份额，虚拟仪器是现代计算机 技术、通信技术和测量拉术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是 未来仪器产业发展的一个重要方向，将无庸质疑地取代传统硬件化的电子仪器成 为下一世纪仪器发展的方向。 2 3 虚拟仪器的特点 ( 1 ) 个性化 对于不同类型的产品具有不同的个性应该是自然而然的事。而即使是同类型 产品不同的用户，也应有不同的个性。然而，传统硬件仪器无法满足用户的这一 要求，但虚拟式仪器由于子系统是开放的，可以满足用户提出的对功能设置、功 能增减的任何要求。因此，虚拟仪器符合“具有个性化”这一特点。 ( 2 ) 参与性 这里所说的参与性主要是指用户可参与仪器产品的设计制造、维修等全过程。 对于传统硬件化仪器产品，其设计、制造是专家和制造商的事，用户虽然可以提 出某些意见和要求，但不可能立即实现，而且用户也不大可能参与产品的设计与 制造，而对于虚拟仪器来说，用户不仅可以参与、可以提出意见、提出要求，而 且可以自行定义、自行设计和制造。所以，虚拟仪器是最具参与性特点的产品。 ( 3 ) 响应快 响应速度是相对于技术进步和市场需求而言。毫无疑问，虚拟仪器作为一种 以软件为主体的产品，在跟踪先进技术、市场需求、系统更新和维护等方面是传 统硬件仪器完全不能相比拟的。 2 4 虚拟仪器组成 虚拟仪器的组成包括硬件和软件两个基本要素，硬件主要功能是获取真实世 界中的被测信号，而软件的作用是控制实现信号采集、分析、处理、显示等功能， 并将其集成为仪器操作与运行的命令环境。按构成虚拟仪器的接口总线不同，可 分为数据采集插卡式( d a q ) 虚拟仪器、r s 2 3 2 r s 4 2 2 虚拟仪器、并行接口虚拟仪 器、u s b 虚拟接口仪器、g p i b 虚拟仪器、v x i 虚拟仪器、p x i 虚拟仪器以及最新的 i e e e l 3 9 4 接口虚拟仪器等。 虚拟仪器的软件开发环境是虚拟仪器的技术的重要组成部分。一般而言，目 前的常用的可视化编程语言v i s u a lc + 十、v i s u a lb a s i c 等都可用作虚拟仪器的软 第二章虚拟仪器技术 9 件开发环境，但是虚拟仪器软件开发环境主要是面向测试工程人员而非专业的编 程人员，因此首先起编程必须简单、易于理解和修改，其次，它必须要有强大的 人机交互界面设计能力和数据可视化分析能力，提供丰富的仪器和总线接口驱动 程序。以n i 公司的l a b v i e w 和h p 公司的 i p v e e 为代表的新一代图形化编程语 言环境是目前开发虚拟仪器的最佳软件平台。与传统的编程语言相比，图形化语 言具有以下主要特点： ( 1 ) 系统提供各种测试、控制和数据分析功能模块的图标，用户可根据实际需 要来进行定义或设最这些图标； ( 2 ) 编程过程就是设计和定义程序流程图，通过连接代表各种功能模块的图标 来建立具体的应用程序； ( 3 ) 为仪器模拟面板设计、数据可视化分析提供了许多专门工具或对象，简化 了系统开发程序，缩短的开发周期。 虚 软件 虚拟仪器软件 歪统 部分 操作系统软件 鍪 硬 计算机及附件 件 数据采集设备 部 信号调理 分 雨r 图2 _ 1 虚拟仪器组成与结构图 虚拟仪器要比传统仪器更为通用，在组建和改变仪器的功能和技术性能方面 更为灵活、更为经济、更能适应迅猛发展的现代科学技术对测量技术和测量仪器 不断提出的更新、拓展功能及性能的要求。虚拟仪器与传统仪器的比较见表l ，其 中最主要的区别是虚拟仪器的功能由用户使用时自己定义，而传统仪器的功能是 由厂商事先定义好的。 表1 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器传统仪器 软件使得开发与维护费用降至最低开发与维护费用高 技术更新周期短( 1 2 年)技术更新周期长( 5 i 0 年) 关键是软件关键是硬件 价格低、可复用与可重配置性强价格昂贵 可有用户定义仪器功能厂商定义仪器功能 开放、灵活，可与计算机技术保持同步封闭、固定 与网络及其它周边设备方便互联功能单一、互联有限的独立设备 第二章虚拟仪器技术 概括起来，虚拟仪器与传统仪器相比具有以下优点： 虚拟仪器融合了计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、显示、 存储等方面的限制，大大增强了测试仪器的功能。高性能处理器、高分辨率显示 器、大容量硬盘等标准配置不断地促进虚拟仪器技术的高速发展。 虚拟仪器利用了计算机丰富的软件资源，一方面，实现了部分仪器硬件的软 件化，节省了物质资源，增加了系统灵活性：另一方面，通过软件技术和相应数值 算法，实时、直接的对测试数据进行各种分析与处理：其次，通过图形用户界面( g u i ) 技术，真正做到界面友好、人机交互。 2 5 虚拟仪器软件体系结构标准 2 0 世纪9 0 年代，世界上几十家最有实力的仪器厂商( 其中包括h p ，t e k 和r a c a l 等大公司) 联合成立了v x i 即插即用仪器联盟( v x ip l u g & p l a ys y s t e m sa 1 1 i a n c e ) 提出了即插即用标准简称v p p 标准。该标准的设计目的是使所有满足该标准的计 算机i 0 设备、仪器和软件能够一起工作，实现多个系统供应商提供的硬件和软 件产品的互操作性。v p p 是包括软件i o 层和仪器驱动器的低层软件。其i o 层被 称为v i s a ，v i s a ( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o ns o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) 如图2 2 所示。在v i s a 出现之前，仪器i 0 软件最著名的是h p 公司推出的标准仪器控制 库( s t a n d a r di n s t r u m e n tc o n t r o ll i b r a r y ，s i c l ) 。包含s i c l 在内的i o 控制 软件主要缺点是对于不同的接口仪器采用不同的i o 库，还有n i 公司专门为g p i b 仪器推出的n i 一4 8 8 等都没有解决仪器互操作问题，而v i s a 由于内部结构的灵活 性解决了这个问题。此外，它在可扩展性和功能上都有很大提高，应用接口程序 函数也相对较少，容易被初学者掌握。 虚拟仪器的软件框架v i s a 从底层到顶层包括三个部分：v i s a 库，仪器驱动程 序和应用软件，即虚拟仪器软件结构，是v p p 系统联盟制定的i o 接口软件标准 及其相关规范的总称。v i s a 库驻留于计算机系统中，是计算机与仪器之间的软件 应用软件开发层 ( 应用软件) 上 仪器驱动程序 【 输入输出接口层 图2 - 2v l s a 结构图 层连接，用以实现对仪器 的程控。它对于测试软件 开发者来说是一个可调 用的操作函数集，本身并 不提供仪器编程能力，它 只是一个高层应用程序 接口，通过调用低层的驱 动程序来控制仪器。 第三章e p s 虚拟测试系统硬件开发 第三章e p s 虚拟测试系统硬件开发 测试系统的硬件以及抗干扰设计工作是本课题的核心任务之一，直接关系到 本测试系统的可靠性和检测结果的可信程度。下面对系统硬件的设计和抗干扰技 术进行详细的分析。 3 1 汽车电动助力转向系统( e p s ) 的工作原理“蚰。7 儿1 8 ”1 e p s 是一种直接依靠电机提供转向助力的动力转向系统，根据电机布置位置的 不同，分为：转向轴助力式( c o l u m nt y p e ) ，小齿轮助力式( p i n i o nt y p e ) 、齿条 助力式( r a c kt y p e ) 三种型式。但其基本原理是相同的。其系统结构如图3 - 1 图3 1 电动助力转向系统结构图 从图上可以看出，所谓的e p s 系统就是在原机械转向系统的基础上，增加了 车速传感器、转矩转角传感器、电子控制器、电动机及其传动机构，直接利用电 动机驱动转向轴提供助力转矩。转矩转角传感器测量转矩与方向盘转角大小并和 车速信号一起送入电子控制器。控制器根据得到的信号判断是否助力以及助力的 方向。若需要助力，则依照既定的控制策略计算电机助力转矩的大小并输出相应 控制信号给驱动电路。后者提供相应的电压或者电流给电动机。电动机输出的转 矩通过传动机构驱动转向轴转动从而实现助力作用。 在此可以看到，正是由于有了电子控制器，较传统的h p s ，e p s 的助力大小可 以根据控制策略调整。这给设计性能优异的助力转向系统提供了可能。一个好的 控制策略可以使驾驶员的作用力大小适当、路感良好并使转向系统响应快速、阻 尼特性好。 第三章e p s 虚拟测试系统硬件开发 堡 3 2e p s 虚拟测试系统的组成 测试系统总体设计图如图3 - 2 所示，包含两个部分的硬件开发：进行数据处 理的上位机( p c 机) 和具有数据采集功能的下位机。p c 机通过串口进行数据传输， 检测出方向盘扭矩等数据、并显示，达到测试目的。 上位机 下位机 图3 _ 2 系统总体设计框图 3 3e p s 虚拟测试的关键部件设计 e p s 虚拟测试硬件开发主要由通信模块、数据采集模块、扭矩传感器、电流传 感器、电子控制单元、助力电机等关键部件组成。 3 3 1 通信模块硬件开发 通信模块在测试系统中起到将将下位机采集到的数据传送给上位机( p c 机) 进行数据处理和分析的功用，是上、下位机的联系桥梁。相对于p c i 、u s b 等总线 来说，r s 一2 3 2 c 总线接口标准具有简单易学、开发成本低等优点，且实际测试系统 现场环境满足r s 一2 3 2 c 信号线传输距离( 小于1 5 m ) 的要求，所以测试系统中，选 用上、下位机通过r s 一2 3 2 c 串口总线进行数据传输的方案，接口电路如图3 3 所 示。 图3 _ 3r $ 2 3 2 电平转换接口电路圈 第三章e p s 虚拟测试系统硬件开发 3 3 2 电机驱动方式 电机的功能是根据电子控制单元的指令，输出合适的助力扭矩，它是e p s 的 动力源。所以e p s 对电机有很高要求，不仅要求低转速、大扭矩、波动小、转动 惯量小、尺寸小、质量轻，而且要求可靠性高、易控制。考虑到e p s 系统中助力 电机需要正、反两个方向运转，本文采用h 桥式驱动电路。h 桥式驱动电路在控制 方式上主要分双极式、受限单极式两种，下面开始具体分析两种控制方式特点， 通过比较它们之间的优缺点确定本系统h 桥式的控制方式。 ( 1 ) 受限单极式电路构成特点 + 1 2 v+ 1 2 v 图3 - 4 受限单极性h 桥式电路 如图3 5 所示，正转时v t ，受p w m 控制，v t 。常通，v t 2 和v t 3 截止。反转时v t 3 受p w m 控制，v t z 常通，v t 和v t t 截止。图3 - 5 给出了在电机在较轻负载时流过电 机的电流波形图。 u 图3 - 5 v t z 和v l 截止，v t 4 常通，受 限单极性轻载时电机绕阻电流波 由此可见，由于”t 和v t 。截止或v t 。和v t 。截止，轻载时电机电流会出现“断 第三章e p s 虚拟测试系统硬件开发 流”现象，这种现象将无疑将会使变换器的外特性变软，它使p w m 调速系统的稳、 动态性能变差，这是这种方式的不利一面。所以，这种控制方式适合于大功率、 大转动惯量的直流电机控制电路中。此外，在电机正、反转变换时可能会出现上、 下桥臂重叠导通的现象，须用软件延时方法加以解决。 ( 2 ) 双极式电路构成特点 图3 - 6 双极性h 桥式电路 如图3 6 所示，在同一个周期t 中，o t 。期间，v t ，和v t 。同时导通，、几和 v t 。同时截止，t l - - t 期间，v t 。和v t 。同时导通，v t ，和v t 。同时截止。在该控制方式 下，电机电枢绕阻中有交变电流，使得直流电机产生高频振荡，这种振荡有利于 克服电机的静摩擦，提高电机了动态特性。 缺点是在一个周期t 1 里 l 、v t 2 、v t 3 、v t 4 不断地处于导通或关断状态， 开关功耗大，并且会出现上、下桥臂重叠导通的情况。为此利用两片i r 2 11 0 构成 m o s f e t 的基极驱动电路，i r 2 1 1 0 的1 脚和7 脚的电平跟随1 2 、1 0 脚的电平( 高 低电平状态的跟随，不是电压值相同意义上的跟随) ，关断延迟比开通延迟早2 5 n s ， 这就避免了上、下桥臂重叠导通的可能。同时由于v t 。、v t 。和v t 2 、v t 3 的轮流导通， 避免了轻载时“断流”的现象。 设p w m 口的输出波形如图3 7 所示o t 。输出高电平，t ，t 输出低电平，p w m 脉冲信号的周期为t ，脉宽调制信号的占空比口由下式决定：口= 蟛，设电机供 电电压为“。，则加在电机电枢两端的平均电压“。= ( 2 a 一1 ) u ，这样通过调整占空 比口的值就可以实现对电机的电枢电压的控制。显然，当口的值域( 0 ，0 5 ) 时 与( 0 5 ，1 ) 时的电机转向相反。 第三章e p s 虚拟测试系统硬件开发 l 、4 2 、3 图3 - 7 电机大负载时电枢端电流波形图 在图3 7 中可见，电机电枢电压波形为脉冲形式，电流波形为连续的波浪方 式，电流的波动将导致电动机输出扭矩的波动。可以采用提高p w m 频率的办法来 大大降低电流波动，从而减小电机助力扭矩的波动，本测试系统条件下，p w m 重复 频率最小值为1 0 7 8 9 4 6 h z ，为减小通过电机电枢电流的波动选用8 位计数器映象 寄存器，从而将p 嘲重复频率提高到4 3 2 0 0 h z ，大大减小助力扭矩的波动，提高助 力系统的稳定性。 3 3 3 扭矩传感器和电流传感器 扭矩传感器的功能是测量驾驶员作用在转向盘上的力矩大小与方向，以及转 向盘转角的大小和方向。车速传感器的功能是测量汽车行驶速度。这些信号都是 e p s 的控制信号。 电流传感器：用来测量流过助力电机的电流的大小，是进行反馈控制的关键信号。 测试系统中选用k m c 2 0 电流传感器，内置永久磁铁，可检测2 0 a 的电流。在2 5 ， 1 0 m s 条件下，可通过3 0 0 a 的瞬间电流。其原理图如图3 8 所示。 图3 - 8 电流传盛器原理图 第三章e p s 虚拟铡试系统硬件开发 磁阻材芈斗能够根据外部磁场的变化而相应地改变其阻抗特性，阻抗的变化由与电 流力向成一定角度的磁场大小米决定。磁阻材料采用坡莫合金，其相对的磁阻变 化为23 。这个高灵敏度和小尺寸的传感器有一条长且薄的坡莫合金带，合金带 组成一一个惠斯通电桥，输出与磁场强度成比例的电压信号。 输入可测电流：0 - 2 0 a r 作电压： + 】2 v 正常工作温度：一4 0 一+ 1 2 0 扭矩传感器；转矩传感器的功能是测量驾驶员作用在转向盘上的力矩大小与 方向。扭矩传感器测量系统比较复杂且成本较高，所以精确、可靠、低成本的扣 矩传感器是决定e p s 能否占领市场的关键因素之一。 扭矩传感器有接触式与非接触式两种。接触式扭矩传感器，在转向轴位置加 一扭杆，通过测量扭杆的变形得到转矩。非接触式扭矩传感器，内部有一对磁极 环r 其原理是：当输入轴与输出轴之间发生相对扭转位移时，磁极环之削的空气 间隙发年变化，从而引起电极的电磁感应系数变化，此种扭矩传感器的优点是体 积小，精度高，缺点是成本较高。 圈3 - 9 非接触式扭矩传感器 此外，清华大学汽车安全与节能国家重点实验室的季学武、陈奎元在分析国 ：外( l u c a s 公司) e p s 系统转矩传感器的基础上，根据e p s 系统的要求，设计开发了 一种结构简单、成本低廉的光电式非接触转向盘扭矩传感器，并进行j ，测试。 图3 1 0 光电武扭矩传感器工作原理 所开发的光电式扭矩传感器工作原理( 如图3 一l o 所示) 与l u c a s 公司传感器的 第三章e p s 虚拟测试系统硬件开发 不同之处在于：( 1 ) 光接受装置采用管电池；( 2 ) 光码盘结构简单，为单孔式结构；( 3 ) 增加绕线盒。 受条件等原因所限，本文采用将电阻应变片粘贴方向盘转向轴上组成图3 1 1 式的惠斯登电桥电路的测扭矩法测量转向盘扭 图3 一1 1 惠新登直流电桥 3 3 4 电子控制单元 电子控制单元( e c u ) 是指以单片机为核心的数据采集模块，其功能是根据扭矩 传感器信号和车速传感器信号，进行逻辑分析与计算后，发出指令，控制电机和 离合器。 同前市场上流行的单片机主要分美国系列、日本系列以及欧亚系列，其中较 著名的公司是a t m e l 、m o t o r o l a 、n e c 、p h i l i p s 等公司。a t m e l 公司的a t 8 9 系列 单片机最大的优点是在片内含有f l a s h 存储器，编程方便、缺点是没有a d 转换器 ( 如下表1 所示) ，也不能产生p w m 信号。m o t o r o l a 公司m c 6 8 h c 9 0 8 b d 2 4 b d 等系列 单片机虽然既含有a d 转换器也含能产生p w m 信号，但价格较高，市场占有率较低 ( 表2 所示) 。为此本测试系统选用了一种通用的、较高性价比，带有4 路p w m 脉 宽调制功能、2 路a d 转换器功能的p h i l i p s 公司公司生产的p h i l i p 7 6 8 单片机( 表 3 所示) 。p 8 7 l p c 7 6 8 是2 0 脚封装的单片机，适合于许多要求高集成度低成本的场 表1a t 8 0 系列部分单片机主要功能配置表 l 型号 a t 8 9 c 5 1 a t 8 9 c 5 2a t 8 9 c 1 0 5 l a t 8 9 c 2 0 5 1a t 8 9 s 8 2 5 2 f l a s h k b 48l28 片内r a m 1 2 82 5 66 41 2 82 5 6 i o 线 3 23 21 51 53 2 中断源 68369 串行接口 1l11l 片内振荡器 有有有有 有 e e p r o m无无无无无 表2b c 6 8 h g 9 0 8 等系列部分单片机主要功能配置表 第三章e p s