（机械制造及其自动化专业论文）汽车转向器测试台控制系统的研制.pdf

翌垦塾至堕菱查兰堡主堂焦量塞 摘要 陪向器是汽车转向系统的主要部件。转向器性能试验是检验转向器功能的重要手 段，是评价转向器质量的重要依据。因此，准确地测试转向器性能参数是非常重要的。 本文依据中华人民共和国汽车行业标准q c t2 9 0 9 7 9 2 ，通过对汽车转向器的性 能及其主要参数进行分析，基于研华系列工控模块，开发出转问器试验台控制系统。 本文主要包括： 对汽车转向器性能及其主要参数进行理论分析，明确汽车转向器性能测试的具体 要求，提出了合理的测试台设计方案。 介绍了控制系统各信号处理模块的工作原理和特性，设计出了工控机、信号处理 模块、传感器等为一体的数据采集与运动控制系统。 基于w i n d o w sn t 操作系统，利用v i s u a lc + + 工具成功研制了转问器性能试验台 系统控制软件。 一 利用研制的转问器性能试验台控制系统进行了一系列的测试试验。 该系统已经在实际生产中得到应用，有效地实现了性能测试的目的。 关键字：转向器测试控制系统信号软件 l 。 汽车转向器测试台控制系统的研制 a b s t r a c t s t e e r i n gg e a r i st h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ea u t o m o t i v ev e e r ln g s y s t e m i no r d e r t ov e t i f yi t sf u n c t i o f ta n dq u a t y ，t h es t e e r i n gg e a rh a s t ob et e s t e do nt h es t e e r in g g e a rt e s t b e d i nt h i sp a p e r ，a c c o r d i n gt ot h ea u t o 一 n d u s t r yc r i t e r i o ni nc h i n a ( q c t 2 9 0 9 7 9 2 ) ，t h es t e e r i n gg e a rt e s t b e d sc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hw a sb a s e du p o n t h ep r o d u c t i o no fa d v a n t e c h ，w a sd e v e l o p e da f t e ra n a l y z i n gp a r a m e t e r sa n d p e r f o r m a n c eo f t h es t e e r i n gg e a r t h i sp a p e rm a i n l yi n v o l y e s ： t h es t e e r i n gg e a r sf a c t u a lt e s t i n gr e q u e s tw a sd i s c u s s e da n dab l u ep r i n t o ft h es t e e r i n gg e a r st e s t b e dw a sp u tt h es t e e r i n gg e a r sp e r f o r m a n c e s a n d p a r a m e t e r s ad a t aa c q u i s i t i o na n dm o v e m e n tc o n t r o ls y s t e mh a s b e e ns u c c e s s f u l l y d e s i g n e d ，i n c l u d i n gi n d u s t r i a lc o m p u t e r ，a d v a n t e c hm o d u l e ，s e n s o ra n ds oo n ， a f t e r i n t r o d u c i n ge v e r ys i g n a ld i s p o s a l s e c t i o n s p r i n e i p i u m a n d p e c u l i a r i t i e si n t h i sc o n t r 0 1 s y s t e m t h es o f t w a r ew a sa c c o m p l i s h e db ye m p l o y i n gv i s u a l c + + o nw i n d o w sn t o p e r a t i o ns y s t e m e x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n ew i t ht h ed e s i g n e dc o n t r o ls y s t e m t h ed e v e l o p e ds t e e r i n gg e a rt e s t - b e d sc o n t r o ls y s t e mh a sb e e na p p l l e d i n t or e a l p r o d u c t i o n w h i c h i se f f e c t i v ei na 1 1k i n do fp e r f o r m a n c et e s t k e yw o r d ：s t e e r i n gg e a r t e s tc o n t r o ls y s t e m s i g n a l s o f t w a r e 南京航空航大大学硕士学位论文 1 1 转向器测试台概述 第一章绪论 自1 8 8 6 年诞生第一辆汽车以来，汽车工业经历了1 0 0 多年的发展过程。由于社 会需求的不断增长和科学技术发展的推动，汽车设计日臻精巧，其运输生产率和各项 性能都有了很大的提高。因此，现代汽车已经成为世界各国国民经济和社会生活中不 可缺少的一种运输工具。汽车工业的规模和其产品的质量也成为衡量一个国家技术水 平的重要标志之一。 作为汽车转向系统主要部件的转向器总成( 简称转向器) 其基本功能是传递转 向系统所需的力矩和方向。随着汽车工业的迅速发展，平均车速的提高，对转向操作 性能提出了十分苛刻的要求。不仅要求转向轻便、操纵稳定，而且还要求有优良的转 向回正性能和反冲特性，因此，对转向器总成的传动速比、传动效率、转动力矩、扭 转刚度等性能提出了越来越高的要求。 因此，在完成转向器总成组装工作后，必须对其进行测试检验，以保证在使用中 各项参数的变化始终保持在规定的范围内。 要实现对转向器进行检测的目标，必须构建一套测试台系统对其性能进行测试。 一般来说，转向器测试台由测试台台体、转向器安装台架、控制系统和动力系统等组 成。由于测试台台体、转向器安装台架都是属于机械部件，它们主要是根据厂房、工 作空间和转向器产品的实际尺寸进行设计。同时由于考虑到测试过程中，执行机构驱 动能力的大小及其平稳性，所以本文探讨的测试台采用液压系统驱动。 1 2 转向器测试台的组成 由上所述可知，汽车测试台系统由测试台台体、转向器安装台架、控制系统、液 压系统以及各个环节之间的连接部分构成。如图1 1 所示。其中，各部分的功能介绍 如下： 测试台台体是整个测试台的主体，对其它部分起到支撑、连接作用； 转向器台架是固定转向器试件的部分； 测试台控制系统起畏4 试运动控制和数据采集与处理的作用： 接口环节是将控制系统与外部环节间的输入、输出信号进行连接、交互； 检测系统是由一系列传感器所构成的检测转向器运动反馈量的部分； 运动轴是直接带动转向器试件某一端运动的传动部分； 液压系统是根据控制系统的命令输出，通过运动轴驱动转向器试件运动的部分； 汽车转向器测试台控制系统的研制 图1 一l 系统结构原理图 在上面的介绍中可以知道，整个转向器测试台系统中最主要的部分是测试台的控 制系统，因此，测试台控制系统的设计是本文探讨的重点。 1 3 工业控制系统的现状 技术的发展是以市场驱动的，工业生产的发展不断地对自动化提出要求，从而推 动着自动化技术的不断发展。如果一个企业采用新的自动化技术装备，那么它将会获 得更加显著的技术、经济和社会效益，这是一个循环促进发展的过程。效益是发展自 动化的目的之一通过实践人们发现，控制规模越大，获得的效益也越大，正因为如 此，现代工业对自动化不论是控制规模上，还是自动化的水平上，都提出了越来越高 的要求，从而加速了自动化技术的发展和进步。 而工业控制系统是工业自动化的核心，也是自动化技术发展最活跃的部分。当代 典型工业控制系统产品广泛采用数字技术、微处理器和功能模板、模块等，因而具有 较好的系统组织灵活性。就其产品品种而言，包括o e m 产品( 如功能模板) 、基础 控制产品( 如各种控制器) 和系统产品( 如d c s ) 等。这些产品不仅能满足各种工 业自动化的需要，还能用于测试和科学实验自动化。 下面就当代典型工业控制系统几种主要模型加以介绍，以说明当前工业控制系统 发展状况： 1 分散型控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 是当今过程工业自动化的 主控系统，它的特点是控制分散、操作显示集中、系统具有很高的可靠性和很强的功 能。 2 可编程序控制器p l c ( p r o g r a m m b l el o g i cc o n t r o l c r ) 它6 0 年代末首先在美 国面世。1 9 7 6 年，美国电器制造商协会经过调查正式命名为可编程序控制器 o r o g r a m m b l ec o n t r o l 盯) ，国际上也简称p c ，而在我国为避免与个人计算机( p c ) 机 相混、目前仍采用p l c 缩写。p l c 是重要的机电一体化产品，其主要功能是开关量 控制。起初主要用于替代继电器控制，目前它已发展到具有模拟控制功能，因而应用 南京航空航天大学硕士学位论文 范围也有所扩展，形成了以p l c 为核心的控制系统模型。 3 1 p c ( i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r ) 即工业p c 。它采用p c ( a t ) 总线，按照 工业自动化要求进行设计能在工业环境运行并与p c 机丰富的软、硬件资源相兼 容的工业控制计算机。 4 模块化控制系统，近年来控制模块和模块化控制系统得到发展。这里所指的 模块是将每一个i o 点的调理、a d 转换、采样等功能组合并封装于一个独立的 小模块盒中。模块化控制系统是以模块为基础，组成高度可配置的、分布式采集控制 系统。这种系统当i 0 出现故障时。只需要调换故障的模块，而不需替换整个系统。 模块化控制系统的持点是：结构简单、安装方便：系统组织灵活、可扩展性较好；可 靠性高；维护方便。 5 面向对象的控制系统，面向对象的控制系统是利用典型基础控制产品，针对 特定应用对象进行系统设计和二次开发，二次开发的重点是系统组织、专用于系统或 部件开发、应用软件开发。这种系统由于其针对性强因而可做到系统紧凑、价格低 廉并能实现e i c ( 电控、仪控、计算机) 一体化。 目前随着微电子技术、数字技术和自动化技术的发展，数字调节控制仪表( 如单、 多回路调节器) 也得到迅速的发展，它与d c s 配合，承担着现代工业的部分主控任 务。同时，针对当前工业控制系统的发展趋势，我们在进行工业控制系统设计的时候， 必须考虑到系统开放性。“开放”意味着对一种标准的信息交换规程的共同认识相支 持，按此标准设计的系统，可以实现不同厂家产品的兼容和互换。 所以就本系统的设计而言主要考虑控制系统的是组件的互换性，因此，在设计 控制系统的时，使用上述的i p c 与模块相结合的面向对象控制系统设计方案工业计 算机作为控制系统的主体，并采用当前市场上常用的台湾研华公司的控制模块来构建 系统，进行二次开发，可以确保系统的互换性、灵活性、可靠性以及维护方便。 1 4 课题研究的背景、目的及意义 在汽车行业中，对汽车转向器的性能进行检测具有重大的社会意义。根据汽车安 全性统计，全世界每年因交通事故死亡的人数超过2 0 万，加之几倍于死者的受伤者 以及物质上的损失，损失是难以估计的。在我国，由于交通管理落后、路况差、车辆 性能差，加之混合行驶，交通事故时有发生。近年来，我国交通事故死亡人数居世界 前几位，每万辆车平均事故居大国中第一位。交通事故已成为一个严重的社会问题。 概括交通事故的原因，不外乎人、汽车和环境三个因素。显而易见提高汽车的安全 性能是减少交通事故的关键之一。因此，汽车工业发达国家都非常重视汽车安全性的 研究。同时就我国的国情而言，汽车工业已成为我国的支柱产业，所以，为了提高汽 车的质量，保证行驶的安全性发展我国的汽车工业，这就要求生产厂家对每一批产 品都要进行质量检测。而其中汽车转向器是汽车维持驾驶员给定方向稳定行驶能力 汽车转向器测试台控制系统的研制 ( 即操纵稳定性) 的基本保障，所以汽车转向器综合试验成为汽车性能测试的一个重要 项目。 由于汽车转向器属于汽车系统中的安全件，在汽车系统中占据了一个重要的位 置，因而它的发展同时也反映了汽车工业的发展，它的规模和质量也成为衡量汽车工 业发展水平的重要标志之一。 正是在这样一种形势下，南京汽车转向器厂提出了汽车转向器性能测试系统的研 制项目。南京汽车转向器厂是一家以生产转向器为主的生产性企业。为增强市场竞争 力，开拓更多品牌的转向器，这就要求实现两方面的目标：一是对成熟产品的定期、 分批进行检测，以确保稳定、合格的质量：二是对新开发的产品进行综合测试，为新 产品的设计进行验证。同时，由于我国的转向器生产厂家较多具备产品综合测试能 力的厂家较少，可以通过为其它厂家的产品进行测试试验，从而在行业内部获得更大 的效益。因此，南京汽车转向器厂决定进行汽车转向器测试系统的研制。 1 5 课题的主要研究内容 本课题主要作了以下几个方面的工作： l 、分析了转向器工作的主要性能参数，根据测试的要求提出了控制系统要检测和 发送的数据信息。 2 、构建硬件系统，并对所选用的硬件进行简要分析。 3 、针对系统采用的硬件模块，在w i n d o w sn t 操作系统下，利用v i s u a lc + + 工具 开发系统软件。包括构建硬件接口软件和人机交互接口的设计。并在与用户交 流的基础上逐步完善程序。 4 、数据结果处理。根据测试的方法对采集的数据在程序内部设计了相应计算处理 程序。 5 、在线试验。 南京航空航天大学硕十学位论文 第二章测试系统主要控制参数的确定 2 1 转向器概述 在各种车辆的设计过程中，汽车转向系统都是个极其重要的子系统。它由转向 器和转向传动机构组成。 通常，对转向系的主要要求有： ( 1 ) 保证汽车有较高的机动性，在有限的场地面积内，具有迅速和小转弯能力： ( 2 ) 汽车转弯行驶时，全部车轮应绕一个瞬时转向中心旋转，任何车轮不应有 侧滑； ( 3 ) 传给转向盘上的反冲，要尽可能的小； ( 4 ) 悬架导向装置和转向传动机构共同工作时，由于运动不协凋使车轮产生的 摆动应最小； ( 5 ) 操纵轻便； ( 6 ) 转向后，转向盘应自动回正，并应使汽车保持在稳定的直线行驶状态； ( 7 ) 转向器和转向传动机构的球头处，有消除因磨损而产生的间隙的调整机 构： ( 8 ) 在车祸中，当转向盘和转向轴由于车架或车身变形而一起后移时，转向系 最好有使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。 2 2 常用转向器简介 1 齿轮齿条式转向器( 见图2 1 ) ，齿轮齿条式转向器以其体积小、重量轻、结 构紧凑等优点，已在轻型及微型车、特别是轿车上获得了广泛的应用，而其传动副如 采用变速比则能兼顾汽车转向轻便性与操纵灵敏性的要求，因而受到汽车驾驶人 员和制造商的普遍欢迎，据统计，国外汽车上装用的齿轮齿条式转向器有一半以上 采用了变速比。我国近些年引进的几种车型如奥迪( 一汽) 、桑塔娜( 上海) 、标志( 广 州) 、夏利( 天津) 、依维柯( 南京) 等也都装用齿轮齿条式转向器，但却均为定速比， 因而研究、开发变速比转向器在我国具有广阔的应用前景。 一一 汽车转向器测试台控制系统的研制 如图2 1 所示，转向器只有一级传动副，齿轮直接与方向盘相连，齿条与转向拉杆相 连( 对于动力转向器，中间还通过液压助力) ，方向盘的转动通过齿轮齿条的啮合变成 转向拉杆的移动，驱动车轮转向。 2 循环球式转向器，循环球式转向器广泛应用在轻型及中型汽车上。其结构如 图2 2 所示，方向盘与螺杆相连，其转动通过滚珠带动螺母齿条移动。后者与摇臂 轴齿扇啮合，带动摇臂摆动；再经转向传动机构驱动车轮按照驾驶员的意志使汽车 转向，在直线或接近直线高速行驶时，要求有较高的操纵稳定性和较强的路感反应； 而在低速转向时，则要求操纵轻便如转向器的齿条齿扇传动副采用变速比，则能兼 顾两者的要求从而显著地提高汽车的操纵性能。 图2 - 2 循环球式转向器 2 3 转向器的主要性能参数分析 2 , 3 1 转向器的效率 根据效率的定义，因功率输入来源不同，转向器的效率有正、负效率之分。功率 由转向轴输入，经转向摇臂轴输出所求得的效率称为正效率，用符号n + 表示。反之 称为逆效率，用符号n 表示。 此时，n + = n 一= ( p i p 2 ) p ( p 3 _ p 2 ) tp 3 式中p t 作用在转向轴上的功率 p 2 转向轴中的摩擦功率； 南京航空航大人学硕士学位论文 p 厂作用在转向摇臂轴上的功率： ( 一) 转向器的正效率q + 影响转向器的正效率的因素有：转向器的类型、结构特点、结构参数和制造质量 等。汽车上常用的转向器形式有循环球式、蜗杆滚轮式、齿轮齿条式和蜗杆指销式。 其中，循环球式转向器因其传动副之问用滚动摩擦代替滑动摩擦，所以效率n + 可达 8 5 。蜗杆指销式和蜗杆滚轮式转向器，由于传动副中存在较大的滑动摩擦，效率较 低。另外，对于蜗杆和螺杆类转向器，如果只考虑啮台副的摩擦损失，忽略轴承和其 它地方的损失，其效率可以用下式计算： r l + = t g o0 t g ( a + p ) 式中。o 蜗杆( 或螺杆) 的螺线导程角； p 摩擦角，p = - t g z ，摩擦系数。 ( 二) 转向器的逆效率n 转向器的逆效率影响汽车的使用性能。 根据逆效率的大小，转向器又有可逆式、极限可逆式和不可逆式之分。 对逆效率较高的转向器而言，路面作用在车轮上的力，经过转向系，大部分传递 到转向盘，这种转向器称为可逆式的。它能保证汽车转向后，转向轮和转向盘自动回 正。这既减少驾驶员的疲劳，又提高了行驶安全性。但是，在路况较差的行驶过程中， 车轮受到冲击力，大部分都传给转向盘，驾驶员容易“打手”，使之精神紧张，如果 长时问在这种状况下行驶，容易使驾驶员疲劳，影响安全驾驶。因此，这类转向器适 合在良好的路面上行驶，属于可逆式的转向器，有齿轮齿条式和循环球式等形式。 不可逆式转向器，是指车轮受到的冲击力，不能传导转向盘的转向器。该冲击力 由转向传动零件承受，因而这些零件容易损坏。同时，它既不能保证车轮的自动回正， 驾驶员又缺乏路面感觉，因此，现代汽车基本不采用这种转向器。 极限可逆式转向器介于上述二者之间。但车轮受有冲击力作用时，此力只有较小 的一部分传至转向盘。它的逆效率较低，因此在路况较差的路面行驶时，驾驶员并不 十分紧张，同时转向传动机构的零件，所受的冲击力也比不可逆式转向器要小。 如果只考虑啮合副的摩擦，忽略轴承和其它地方的摩擦损失，则逆效率可用下式 计算： n 一= t g ( d p ) t g c t o 上式表明，增加导程角oo ，逆效率也增大。因此，虽然增加导程角可提高正效率， 但此时因逆效率也增大故导程角不宜取得太大；当导程角小于或等于摩擦角时，逆 效率为负值或者为零，此时表明该转向器是不可逆式转向器。为此，导程角的最小值 必须大于摩擦角。通常螺线的导程角选在8 。1 0 。之间。 汽车转向器测试台控制系统的研制 2 3 2 传动比变化特性 ( 一) 转向系传动比组成 转向系的传动比由转向系的角传动比i 。o 和转向系的力传动比i 。所组成。 从轮胎与地面接触的中心，作用在两个转向轮上的合力2 f 。与作用在转向器上的 手力f h 之比称为逆传动比i 。 转向盘转角的增量中与同侧转向节转角的增量之比，称为转向系角传动比i w 0 。 它又由转向器的角传动比i 。和转向传动机构传动比i 。所组成。 转向盘转角的增量中与摇臂轴的转角的相应增量p 。之比，称为转向器角传 动比，即i w - 中1 3 。 摇臂转角的增量1 3 。与同侧转向节的转角的相应增量bk 之比，称为转向传动 机构的角传动即i 。= bd bko ( 二) 力传动比与转向系角传动比的关系 如上所述，力传动比可以用下式表示： i d = 2 f 。f h 轮胎与地面之间的转向阻力f 。和作用在转向节上的转向阻力m ，有如下关系 r 产m j a 式中a 一主销偏移距，指从转向节主销轴线的延长线与支撑平面的交点至车轮 中心平面与支撑平面的交线的距离。 作用在转向盘上的手力f h 可以用下式表示： f h _ m r i t w 式中m 。作用在转向盘的力矩； r s 。转向盘的作用半径。 由上述三式可得： i p = 2 m r 凡。m h a 如果忽略摩擦损失，2 m r m h 可以用下式表示： 堕：竺：f 。 ( 2 1 ) 瓦2 万刮” “1 整理各式则有： i 口= i w o a ( 2 2 ) 由上式可知主销偏移距a 越小。力传动比i p 越大。转向越轻便。但a 值过小 将使车轮和路面之间的表面摩擦力增加，反而增大了转向阻力。对于一定车型，可用 试验方法确定a 值的最小值。通常货车的a 值在4 0 6 0 m m 内。轿车的a 值在o 4 - o 6 倍轮胎的胎面宽度。转向盘半径r s w 根据车型不同在1 8 0 - - 2 7 5 m m 范围内按国家标准 系列选取。 ( 三) 转向系的角传动比 8 南京航空航天大学硕士学位论文 转向传动机构的角传动比，除用i 。= a bp bk 表示以外还可以近似地用 转向节臂臂长1 2 与摇臂臂长l l 之比来表示。即： i 。= b c a 1 3k 1 2 l 【 在现代汽车结构中1 2 和l i 的比值大约在o 8 5 i 1 1 之间可粗略地认为其比值是l ， 即i 。近似为1 ，则： i w o i 。= 巾abd 由此可见，研究转向系的传动比特性只需研究转向器的角传动比及其变化规律 即可。 ( 四) 转向器角传动比及其变化规律 上述的( 2 2 ) 式表明：增大角传动比可以增加传动比。而当转向阻力f 。一定时， 增大力传动比i 。能减少作用在转向盘上的手力f h ，使操纵简便。 考虑到i w o i 。，由( 2 1 ) 式便可以看出：对于一定的转向盘转角，转向轮转 角与转向器角传动比成反比。角传动比增加后转向轮转角对同一转向盘的转角的 响应变得迟钝操纵时间增长，汽车的转向灵敏性降低，所以“轻”与“灵”构成 了一对矛盾。为解决这对矛盾，通常采用可变传动比的转向器。 目前广泛采用的齿轮齿条式、循环球齿轮齿扇式、蜗杆滚轮式及蜗杆指销式转向 器都可以制成变速转向器。 2 3 3 转向器传动副的传动间隙 所谓转动间隙是指各种转向器中传动副( 如滚轮和蜗杆、指销和蜗杆以及齿扇和 齿条) 之间的间隙。该间隙随转向盘转角m 的大小而改变。把这种关系称为转向器传 动间隙特性。研究该特性的意义在于它与直线行驶的稳定性和转向器的寿命都有关。 直线行驶时，如果转向器传动副存在传动间隙，则一旦转向轮受到侧向力的作用， 就可能在间隙a t 的范围内，造成车轮偏离原行驶位置，使汽车失去稳定。为防止出 现这种情况，要求传动副的传动间隙在转向盘处于中间及附近位置时( 一般是1 0 。 】5 。) 要极小，最好无间隙。 转向器传动副在中间及其附近位置的磨损，大于两端的磨损。当中间位置附近因 磨损造成的间隙大到无法确保直线行驶的稳定性时，必须重新调整并消除间隙。调整 后，要求转向盘能圆滑地从中间位置到两端来回转到底而无卡住现象。为此传动副 的传动问隙应当设计成在离开中间位置以后成图2 3 所示的逐渐加大的形状。 汽车转向器测试台控制系统的研制 2 3 4 转向系的刚度 0 女 转一嚣传动l l i j 信动阔躁幡性 图2 3 由于构成转向系的各零件存在一定的弹性，因此，转向轮的实际转角要比驾驶员 给定并按转向系角传动比换算至车轮的转角值要小，这样就不会出现不足转向的趋 势。转向刚度c ；，对轮胎的侧偏刚度影响很大。假设不考虑转向系刚度时，轮胎侧 偏刚度为c 。，而计及转向器刚度时的轮胎侧偏刚度( 称为等价刚度) 为c a ，则两者 之间存在以下关系： c 。= c 。( 1 + c 。b c ；) 式中卜拖后距( 后倾拖距+ 轮胎拖距) ； c 。整个转向系刚度。 假设转向系的刚度c 。很高，由上式可知，c 。tc 。，则前轮的侧偏刚度近似认 为c 。若转向系的刚度很低，前轮的侧偏刚度为c 。1 ，且c a 2 ，或t 、 ( 1 2 ) t 。， 通常满足= 2 5 6 l o o ( 二) 保持 由于采样脉冲的宽度往往很小，因此样值脉冲的也是很窄的，而实现转换是要一 定时间的，为使后继的电路能很好地对这个采样结果进行处理，通常把样值保存起来， 直到下一次采样再更新，实现这个保存功能的电路就叫保持电路。常常把采样器和保 持电路合并称为保持电路。它有存储样值的电容c 、模拟开关t 和缓冲放大器a 等几个主要部分组成。 图3 7 ( a ) 中用场效应管t 作模拟开关在取样脉冲s ( t ) 存在期间，即脉宽t 内， t 接通，输入模拟信号v a ( t ) 经t 向存储电容c 充电。假定c 的充电时间常数远小于 t ，则电容的电压v c ( t ) 在时间t 内能完全跟上v a ( t ) 的变化，因而放大器的输出电压 v o ( 0 也能跟踪v a ( t ) 的变化。当采样脉冲s ( 0 结束时，如果场效应管也能迅速截止， 则电容端电压v c ( 0 将保持前一瞬间的v a ( t ) 数值。如果电容的漏电小，放大器的输入 阻抗及场效应管的截止阻抗均足够大的话，这个电容电压将保持到下一个脉冲到来之 前为止。当下一脉冲到来时，t 重新导通，v c ( t ) 又及时跟踪v 。( t ) ，即更新原采样数 据。v a ( t ) 、s ( t ) 及v o ( t ) 的波形如图3 培所示。 锣。伊 ，( i ， t f t ) ，件扫睁赡构嘲哺q 鼻 霸h 肼乐的i 喀中了霸十鞠嗜t i 翱1 2 z 忭，董堪与嘲茸嘴帕阳) 图3 7 汽车转向器测试台控制系统的研制 采k 一啊l 竹u 的i l 出 图3 8 ( 三) 采样一保持精度 采样保持电路的性能极大地影响a d 转换器的精度，它的性能主要从两个方面 来衡量： a ) 采样精度在采样期内。输出电压与输入电压的一致程度。为提高采样精度， 希望模拟开关的导通电阻及残余电压尽可能小，也希望它的开关时间尽可能短。 b ) 保持精度在保持时间内，即两次采样的间隙期间所保持的信息的变化程度。 显然模拟开关的断开电阻、记忆电容的绝缘电阻以及运算放大器的输入阻抗愈大，则 保持的精度就愈高。 ( 四) 量化和保持 采样保持电路的输出信号己经不是一个平滑地连续变化的电压，但仍然是一 个模拟量，即它可以取某一区间内的任意值，如果这个区间是0 7 v ，这它可以是o 7 v 内的任意一个实数。另一方面，数值量仅能取某一区间的某些特定值。如果该数字量 是三位的二进制数，则仅可取0 0 0 到1 1 1 内的八种可能值。因此，用数字量来表示模 拟量时就有一个类似于四舍五入或去零求整的问题。在a d 转换器中就有一个把采 样保持电路输出的样值电平归化到与之接近的离散电平上去的过程，这就叫量 化。图3 - 9 说明了这一量化的过程，其中，v o 为采样保持电路的输出，v 。是量 化以后的电压。由图3 - 9 可见，每一次量化后的值v 。通常与未量化时的值v o 是不相 等的，这个差值叫量化误差。影响量化误差的主要因素是离散屯平的等级的多少，显 然各个离散电平之间的差值越小，即在某一电平范围内划分的量化等级越细，则量化 误差越小。 在图3 - 9 中，以三位转换精度为例，把o 7 v 范围内的电压以相差1 v 分为一个等 级，则分成0 、l 、2 、7 共八个等分。如果按 v 9 2 0 v o 0 5 v v g = 1 0 5 v 茎v o 1 5 v v g 。7 6 5 v s v o 原则量化，则最大量化误差为o 5 v 。上述的电平l 、2 、7 称为量化电平，这 样一种量化方式通常称为四舍五入式，图3 - 9 ( a ) 中给出了这种量化方法的量化过程。 南京航空航天大学硕士学位论文 此外，如果按 v g 。0 v g2 1 v o l v 1 v s v o 2 v h 毛丑啊再 图3 - 9 o v 9 2 77 v ! v o 的原则量化，则最大量化误差是l v ，这种量化方法就称为去零求整式。图3 - 9 ( b ) 说明了去零求整式量化过程。 量化后的信号，虽然是一个离散量，但为了使数字系统能够对其进行传输和处理 还必须用一组( 若干位) 二进制码来表示，这一过程就是编码。 3 3 2 数据采集卡的选择 数据采集卡的采样频率应该满足采样定理，一般而言其采样频率石在以上。 由于本课题的数据采集对象是转向器运动测试台，所以，五一由测试台的最大运动频 率决定。从转向器的运动测试要求可得知：。= 1 k h z ，所以本系统中采样频率的最 低取值为2 5 6k h z 。其次，数据采集卡工作在实验车间中，受到各种随机信号的干 扰因此数据采集卡应该有较强的工作稳定性。 同时由于第一章提到的，本控制系统要检测共计8 个通道的信号，所以考虑采用 的数据采集卡是台湾研华公司生产的p c l 8 1 8 h d 数据采集卡，它以较强的工作稳定 性而越来越多地用在比较恶劣的环境下，如厂房、车间、厂矿等。p c l 8 1 8 h d 是1 6 路，1 0 0 k h z 的多功能d a s 卡，它能保证在所有增益( x l 、2 、4 或8 ，可编程) 和输 入范围内都有1 0 0 k h z 采样速率和转换速度，它有一个l 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 $ 下更好的性能。作为p c l 一8 1 8 系列之一，该卡 提供了五个最常用的测量和控制功能：1 2 位a ，d 转换，d a 转换、数字量输入、数 字量输出计数器和定时器( 如图3 1 0 ) ， 汽车转向器测试台控制系统的研制 图3 1 0 和p c l 8 1 8 h d 配套使用的接v i 卡是p c l d 一8 1 1 5 ( a d ) 接口卡，p c l d 7 8 0 ( d a ) 接e l 卡，在此p c l 一8 1 8 h d 用作模拟通道的输入信号采集，所以使用p c l d 8 1 1 5 ( a d ) 接v i 卡与其进行配套工作。其中，控制系统的信号采集部分与外部传感器的连接如图 3 - 1 l 所示。 传葛薯辘入 图3 - 1 l 接口示意图 南京航空航天大学硕士学位论文 3 4 模拟量输出( d a ) 卡的选择 由第一章绪论可知，测试台控制系统要求具备8 通道的模拟量信号输出，由于采 用的是计算机控制系统，它的输出命令信号都是一些离散的数字信号，要将这样一些 数字命令值以模拟量的方式输出，这就需要使用数模转换器。 所谓数模转换器通常指用来重现被数字化了的、或经处理、存储、传输后的那些 模拟信号的环节。 在进行数模转换时，如下图所示，就是将一个输入数字量变换为与之成一定比例 的模拟量( 电压) ，图中的各个变量的关系为： 梗数转换原理围 图3 1 2 v a = k d v r 式中的d 表示n 位并行输入的数字量，v a 是输出模拟量，v r 是实现转换必需的 参考电压( 或称基准电压) ，它通常针对一定的d a 转换器是一个恒定的模拟量。 d ，腑象确 硝口辅出v - 田 图3 1 3 假设，d = d n i + 2 “1 + d n - 2 * 2 “。2 + + d o + 2 o 则可得v a = k * v 一( d n 1 + 2 “+ d n _ 2 + 2 以+ + d o + 2o ) 该式说明了d a 转换器的输入数字量和输出模拟量之间的线性关系，这种线性关 系也可以用上述转换关系图形表示。该图中的n = 4 。 由于本系统要求满足8 个通道的模拟量输出，但考虑到在某一工作瞬时，最多只 有5 个可能通道同时具有输出，出于经济性考虑，决定在软件上进行通道的切换，硬 2 1 汽车转向器测试台控制系统的研制 件上采用较少通道产品，以求降低成本。 p c u ，7 阳 橇i n 输出配置圉 图3 1 4 在选择d a 输出卡时，主要基于以下几个评价标准： 1 ) 分辨率，在选择一个d a 输出卡时，首先是确定所需的分辨率n 。市场上有 大量的d a 输出卡产品，分辨率从8 位到1 6 位。然而分辨率并不能提供精度指示， 因为还必须考虑其它误差源。其次要确定的参数是积分非线性，它是用于描述d a 输出卡的传递函数与理想传递函数的偏离程度。 2 ) 动态输出特性，由于d a 输出卡内部的传递延时和输出级的摆率限制使d a 输出卡存在一个建立时间，即从d a 输出卡的一次转换启动开始到d a 输出卡的输 出稳定为止有定的时间延迟，应根据具体情况确定对d a 输出卡转换速率的要求。 3 ) 电压基准，d a 输出卡的性能指标在很大程度上是由电压基准来确定的，如 果输出信号没有被另外的输出级放大，电压基准确定了d a 输出卡的最大输出电压， 同时电压基准也定义了电压步长，在一个恒定的温度下，基准的输出电压在指定的初 始精度的范围内变化，对变化的温度环境，基准的输出电压漂移直接影响着d a 输 出卡的工作质量。 4 ) 输出级，d a 输出卡的输出级可以是电压输出方式或是电流输出方式，这应 当根据工作要求的实际情况进行选择。 综合上述依据和实际情况，本系统选用研华系列的p c l _ - 7 2 6 模拟量输出卡，它 提供6 个1 2 位的模拟量输出通道，对每一通道而言，可以按0 0 v 、o 1 0 v 、5 5v 、 一1 0 l ov 、4 - - - 2 0 m a ( s i n k ) 进行配置。除了模拟输出以外，p c l _ _ 7 2 6 还提供1 6 个数字 量输出通道和1 6 个输入通道，其端口为与t t l 兼容的数字量端口( 它和p c l d 一7 8 0 接口卡配套使用) 。 其模拟量输出的主要性能参数如下： j 通道：61 分辨率：1 2 位，双缓冲1 2 2 南京航空航天大学硕士学位论文 吞吐量：1 5 k s s建立时间： = 7 0 毫秒 精度：全量程o 0 1 2 输出电流：+ 5 m a 最大 重启( 加电) 状态：重启或加电以后所有的d a 通道输出为0 v ( 单双极性 模式) 3 5 数字量u o 及继电器的选择 3 5 1 数字量i o 的设计 在转台测试系统中，控制系统共计有1 6 个开关与底层控制设备$ 5 9 通讯，要检 测和控制这1 6 个开关，其中8 个是数字量输入和8 个是数字量输出端口。现将系统 的数字量输入输出接口配置如下： 其中数字量输入( 和p c l d 一7 8 2 接口卡配套使用) 输入( i n )功能$ 5 9 输出( o u t ) d 1 1$ 5 9 # a b 状态o k 撑a bd i c p ud o c l d 1 2 $ 5 9 # c d 状态o k 社c dd i c p ud o c l d 1 3 试件状态 d 1 4 压力高o k # a b c h 2 d o c 3 d 1 5d y n o n# a b c h 3d o c 3 d 1 6 左水平方向位移力控制模式转换 拌a b c h ld o c 4 d 1 7 右水平方向位移力控制模式转换 存a b c h 2 d o c 4 d 1 8 扭转扭矩转角控制模式转换 群a b c h 3 d o c 4 数字量输出( 和p c l d 7 2 1 6 接口卡、继电器配套使用) 输出( 0 u t )功能$ 5 9 输入( i n ) d o1 压力开 # a b c h 3d i c l d 0 2 启动试验 # c d c h ld i c 2 d 03 压力关 # a b c h 2 d i c 3 d 0 4 停止试验 群c d c h ld i c 3 d o5 复位所有限制 荐c d c h 2 d i c 2 d 06 左水平方向位移力控制模式转换 群a b c h ld l c 2 d 07 右水平方向位移，力控制模式转换 撑a b c h 2 d i c 2 d 08 扭转扭矩转角控制模式转换 # a b c h 3 d i c 2 3 s 2 继电器的选择 由于在进行数字量i o 的设计时使用到了p c l d 一7 2 1 6 接口卡，它是一个固态继 汽车转向器测试台控制系统的研制 电器的数字量输出接口卡，所以，有必要对固态继电器的使用进行介绍。 一般传统意义上的继电器是指机电继电器，它主要用来控制其他电器的动作或在 主回路中作为保护用的电器。这些电器皆为自动电器，适用于远距离闭合与断开交直 流小容量控制回路。随着半导体技术的发展，在代研制出了一种全部由固态电子元件 组成的新型无触点开关器件固态继电器( s s r ) 。固态继电器利用电子元件( 如晶体 管等半导体器件1 的开关特性，可达到无触点的接通与断开电路，是一种无触点开关。 当然，机电继电器也有自己的特长： 1 ) 接触状态的独立性和有很好的绝热性： 2 ) 在安全性上，机电继电器能顶得住意外的波动电流，所以想用其它继电器完 全代替机电继电器简直是不可能的； 3 ) 机电继电器的成本也非常低，所以对很多产品，特别是消费类产品，采用别 是很不经济的。 但同时，固态继电器( s s r ) 具有如下明显优点： 1 ) 开关响应速度快，体积小： 2 ) 无机械和电磁等噪声； 3 ) 无机械触点抖动现象，无触点烧蚀和接触不良现象： 4 ) 耐腐蚀，防潮，防霉，防爆和防尘； 5 ) 电磁干扰小，自身抗干扰性优良； 6 ) 控制端和负载端之间高达2 5 k v 以上的隔离，功率扩展非常方便； 7 ) 输入驱动采用低电压、小电流方式控制，可与晶体管、订l 、h t l 和c m o s 等电路直接接口； 8 ) 无触点，电路工作时不产生火花； 9 ) 寿命长，可靠性高。 由于固态继电器具有以上优点，所以在本系统中决定采用固态继电器。 3 6 本章小结 本章首先分析了控制系统可采用的几种设计方案，并针对课题需求确定使用模块 设计方案，然后就系统的功能要求，对系统作了整体设计，选用研华i c 一6 1 0 计算机 作为主体，接着依据采样原理对系统的数据采集模块进行确定，依据模数转换原理对 d a 输出模块进行选择，并介绍了数字量的处理环节。 南京航空航天大学硕士学位论文 第四章系统软件设计 这一章是在上一章硬件设计的基础上，运用信号处理的知识对系统进行软件开 发。整个软件是在w i n d o w s n t 操作系统下基于v i s u a lc + + 平台开发的。在开发过程 中以台湾研华公司提供的一个软件包为基础，这个软件包封装了一些必须的函数，如 产生中断、读写端口的操作等。软件开发过程中的一个核心问题是对信号的处理。 本软件若按系统的集成性可分为两个部分：硬件处理环节和人机交互及数据处理 环节。其中硬件处理环节包含四个子模块：数据采集模块、信号输出模块、状态采集 模块与状态输出模块。 按使用功能则可以将人机交互及数据处理环节分为五项子流程：创建波形文件； 生成测试文件；执行测试文件；演示和分析数据；文档查看、打印。 前面提到过，研华公司在售出硬件的同时，提供了一些库函数供顾客使用。不过， 作者在使用的过程中，发现很多函数介绍得很简单，深层次的理解要对程序大量地进 行调试后才有体会。作者将个人对一些函数的认识就每个模块分别介绍如下。 4 1 硬件处理环节 由于系统中的使用到的控制模块有：a d 模块( 数据采集) 、d a 模块( 数据输出) 、 d i o 模块( 状态采集、状态输出) 。在此就选用的研华系列产品的二次开发作简要介 绍。 首先将各个模块的硬件跳线设定为系统支持的中断地址后，通过计算机内部的 i s a 总线，将它们与主体工控机连接，在已有的动态库的支持下，就可以进行驱动的 专用性设计。本控制系统中采用v i s u a lc + + 工具进行二次开发，考虑整个系统的运行 可靠性选用w i n d o w s n t 操作系统。硬件处理环节部分的软件设计框图如4 - l 。 4 1 1 预处理工作 作为一个硬件，在对其进行编程之前，首先应该对它初始化。本软件开发中使用 的研华硬件p c l 8 1 8 h d 数据采集卡和p c l - 7 2 6 输出卡，也应该初始化，并设置一些 参数，如每个通道的增益以及一些特性参数等，为后面的编程服务。因此，在操作系 统中装载各项设备以后，还应在开发程序中实现设备的标示，即就是获取设备的操作 句柄。 其编程思想为：首先用函数d r vd e v i c e o e t n u m o f l i s t 得到设备个数，然后用函 数d r vd e v i c e o e t l i s t 得到指向要用到硬件的