CLJD01-031@电动助力转向ECU激励信号系统设计
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CLJD01-031@电动助力转向ECU激励信号系统设计,机械毕业设计全套
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本科学生毕业设计 电动助力转向 ECU 激励信号系统设计 系部名称： 汽车与 交通工程学 院 专业班级 ： 车辆 工程 B07-2 学生姓名： 田雪飞 指导教师： 张金柱 职 称： 教授 黑 龙 江 工 程 学 院 二一一年六月 nts The Graduation Design for Bachelors Degree Design of Electric Power Steering ECU Excitation Signal System Candidate： Tian Xuefei Specialty： Vehicle Engineering Class： B07-2 Supervisor： Prof. Zhang Jinzhu Heilongjiang Institute of Technology 2011-06 Harbin nts I 摘 要 本设计介绍了电动助力转向 ECU 激励信号 系统的 组成 ，对系统的结构与工作原理进行了分析和研究，建立了系统 软件与硬件连接线路图 ， 并绘制了 不同 车速下扭矩与电机输出电流之间的曲线关系图 。 在硬件方面，对系统中的 数据采集卡、电压放大器和 ECU 进行了分析和选择 ； 在软件方面，利用 LABVIEW 软件 模拟产生车速信号和扭矩信号。信号通过数据采集卡输送到 ECU 内， ECU 通过内部的计算后输出电流给电机，使电机执行相应的助力。 最后，本设计进行了电动助力转向 ECU 激励信号 系统的试验，试验结果表明， 激励信号设计 是合 理 的，取得的结果符合汽车行驶时的工况。 关键词 ： LABVIEW 虚拟仪器； ECU 激励信号；数据采集卡； ECU；转向助力 nts II ABSTRACT This design introduces the electric power steering system components of ECU stimulus, the system structure and working principle of the analysis and research, a system software and hardware connection circuit diagram, and draws a different speed and the motor output torque under the current diagram between the curves. On the hardware side, the system of data acquisition card, voltage amplifier and ECU were analyzed and choice; on the software side, the use of LABVIEW software, analog signals generated speed and torque signal. Signals transmitted to the ECU data acquisition card inside, ECU calculated by the internal output current to the motor, the motor implementation of appropriate help. Finally, the design of the electric power steering system ECU stimulus tests, test results show that the excitation signal design is reasonable, consistent with the results obtained when the vehicle driving conditions. Keywords: LABVIEW virtual instrument； ECU excitation signal； Data acquisition card；ECU； Steering nts 目 录 摘要 . . . ABSTRACT . 第 1 章 绪论 . 1 1.1 研究电动助力转向 ECU 激励信号系统的目的和意义 . 1 1.2 电动助力转向系统的优点 . 1 1.2.1 电动助力转向的优点 . 1 1.2.2 电动助力转向 ECU 激励信号系统的优点 . 2 1.3 电动助力转向系统的国内外发展现状 . 3 1.4 本设计研究的内容 . 4 第 2 章 电动助力转向 ECU 激励信号系统 . .6 2.1 电动助力转向 ECU 激励信号系统的组成 . 6 2.2 电动助力转向 ECU 激励信号系统的结构 . 6 2.3 电动助力的理论分析 .7 2.3.1 引言 . 7 2.3.2 EPS 典型助力曲线 . 7 2.4 本章小结 . 9 第 3 章 硬件的设计 . 10 3.1 电动助力转向 ECU 激励信号 系统的总体结构 . 10 3.2 数据采集 卡 . 11 3.3 信号放大器的设计 . 12 3.3.1 芯片的选择 . 12 3.3.2 驱动电路的设计 . 13 3.4 本章小结 . 14 第 4 章 电动助力转向 ECU 激励信号的生成 . 15 4.1 LABVIEW 的简介 . 15 4.2 信号的生成 . 16 4.3 本章小结 . 19 nts 第 5 章 实验分析 . 21 5.1 简介 . 21 5.2 实验仪器 . 21 5.3 扭矩与电动机助力电流的理论关系 .21 5.4 实验过程 . 22 5.5 实验结果 . 24 5.6 本章小结 . 24 结论 . 25 参考文献 . 26 致谢 . 28 附录 A 外文文献 . 29 附录 B 外文文献的中文翻译 . 32 nts 1 第 1 章 绪 论 1.1 研究 电动助力转向 ECU 激励信号系统的目的和意义 随着社会生活水平提高和消费者需求多样化 ,现代汽车的性能和配置不断地提高 ,增加了汽车工程测试的复杂程度。汽车工程测试中 ,经常需要测量多种信号并进行分析 ,如车速、 转向盘转角、横摆角速度、侧倾角、俯仰角、横向加速度、纵向加速度、车体变形、电压、电流、温度、 CAN 总线信号、油液压力、真空度等。一方面 ,汽车工程测试不断向着多物理量、高精度、大数据量、自动化的方向发展 ,另一方面 ,传统仪器由于功能固化、数据处理及分析能力差、存储数据量少等原因 ,越来越难以满足现代化汽车测试的需要 。为了方便 ECU 的开发与测试，除了真实的汽车环境外，往往还需要些模拟的汽车环境用于 ECU 实验室阶段的开发和测试。汽车电动助力转向 ECU 激励信号系统的开发主要使用各种信号模拟系统产生各种真实的电动助力转向 信号（例如方向盘扭矩信号和车轮车速信号）来驱动 ECU 的正常工作。而现在 ECU 激励信号系统还利用了 VI 公司的 LABVIEW 虚拟仪器技术，开发上位机操作界面，通过 USB 与数据采集卡连接，上位机可以很好的实现系统各种信号的显示和控制。 电动助力转向 ECU 激励信号系统就是用 LABVIEW 软件生成的信号模拟实际通过传感器得到的信号（如车速信号，扭矩信号），并将生成的信号通过数据采集卡送给 ECU，ECU 通过内部的运算后送给电动机一个适当的电流，从而控制电动机的助力大小。 电动助力转向 ECU 激励信号系统的作用主要是通过调 节信号的大小来测量出电动机输出端电流值，绘制出同一车速下，不同扭矩与电动机输出电流之间的曲线图，在与理论分析得到的扭矩 电动机输出电流曲线图进行对比，从而检测电动助力转向系统。 汽车电动助力转向系统是改变和保持汽车行驶方向的装置，它直接影响了汽车的操控性和稳定性，是汽车的重要性能之一。 1.2 电动助力转向系统的优点 1.2.1 电动助力转向的优点 1提高了汽车的操纵性能 EPS 能在各种行驶工况下提供最佳助力，减少由路面不平所引起的对转向系统的扰动，改善汽车的转向特性，减小汽车低速行驶时的转向操纵力，提高汽车 高速行驶时的转向稳定性，进而提高汽车的主动安全性。并且可通过设置不同的转向力特性来nts 2 满足不同对象使用的需要，提高了低速时的转向轻便性。该系统由电动机直接提供转向助力，特别是在停车时，可获得最大的转向动力。 2提高了汽车的燃油经济性和减少对环境的污染 装有电动转向系统的车辆和装有液压助力转向系统的车辆对比实验表明，在不转向情况下、装有电动转向系统的车辆燃油消耗降低 5.2 ，在使用转向情况下，燃油消耗降低了 5.5 。同时 EPS 没有液 压回路，不存在渗油的问题，因而减少了对环境的污染。 3增强了转向跟随性和可靠性 在 EPS 系统中，电动机与助力机构直接相连以使其能量直接用于车轮的转向。这样增加了系统的转动惯量，电机部分的阻尼也使得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。 4质量更轻、结构更紧凑 该系统由电动机直接提供转向助力，在停车时，也可以获得最大的转向助力。同时省去了液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、软管、液压油、密封件、传送带和装于发动机上的皮带轮等，其零件比 HPS 大大减少，因而其质量更轻、结构更紧 凑，在安装位置的选择方面也更容易，装配自动化程度更高，维修更简单。同时由于液压油在低温时的粘度很大，存在低温时必须有个加温的过程，而 EPS 可以在 -40以下很好地工作，基本上不存在受温度影响的问题。 1.2.2 电动助力转向 ECU 激励信号系统的优点 （ 1）模拟产生各种信号 主要是利用 NI 公司的 LABVIEW 软件，通过对所需的信号编程，产生信号（正弦波，脉冲波，三角波等），然后将信号的波形通过 DAQ 输送出去，通过调节控制旋钮来改变输出信号的大小，从而达到检测系统的效果。 （ 2）信号输出简单 NI 公司 LABVIEW 虚拟仪器技术的信号产生与输出是一起的，他主要是通过数据采集卡 (DAQ)的 USB 端口与电脑连接，然后另一端作为输入端与所需要的仪器连接到一起，进而将信号输入。尤其注意的是，如果输出信号的电压与接收仪器的允许电压不相符合，那将连接一个电压调节器，将输入电压调节到一起所允许的范围内。 （ 3）实现对电动助力转向系统的检测 电动助力转向 ECU 激励信号系统主要的影响信号有 2 种：车速信号和扭矩信号。连接的线路如下：产生的信号数据采集卡电压调节器 ECU电机。 ECU 是用已经编好的程序，他将对输送过 来的信号进行计算，然后输送一个电流给电动机，电动机nts 3 接收信号后会按照命令进行运转。我们可以调节信号旋钮来观察电机的运行状况，从而检测 ECU。 1.3 电动助力转向系统的国内外发展现状 在国外，各大汽车公司对汽车助力转向系统的研究有 20 多年历史，随着近年来电子控制技术的成熟和成本的降低， EPS 越来越受到人们的重视，并以其具有传统动力转向系统不可比拟的优点，迅速迈向了应用领域。 自 1953 年美国通用汽车公司在别克轿车上使用液压动力转向系统以来，液压动力转向系统给汽车到来了巨大的变化，几十年来的技术革新使液压动力转 向技术发展异常迅速，出现了电控式液压助力转向系统。 1988 年 2 月日本铃木公司首先在其 Cervo车上装备了 EPS，随后又应用在 Alto 汽车上， 1993 年本田汽车公司在爱克 NSX 跑车上装备 EPS 并取得了良好的市场效果； 1999 年奔驰和西门子公司开始投巨资开发 EPS。上世纪九十年代初期，日本铃木，本田，三菱，美国 Delph 汽车公司，德国 ZF 等公司相继推出了自己的 EPS,并装配在 Ford Fiesta 和 Mazda323F 等车上，此后 EPS 技术得到了飞速的发展。 经过 20 几年的发展， EPS 技术日趋完善。其应用范围已经 从最初的微型轿车向更大型轿车和商用客车 方向发展，如本田的 Accord 和菲亚特的 Punto 等中型轿车已经安装 EPS，本田甚至还在其 Acura NSX 赛车上装 EPS。 EPS 的助力型式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展，并且其控制形式与功能也进一步加强。日本早期的 EPS仅仅在低速和停车时提供助力，高速时 EPS 将停止工作。新一代的 EPS 则不仅在低速和停车时提供助力，而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性 。 由 Delphi 为 Punto车开发的 EPS 属全速范围助力型，并且 首次设置了两个开关，其中一个用于郊区，另一 个用于市区和停车。当车速大于 70km/h 后，这两种开关设置的程序则是一样的，以保证汽车在高速时有合适的 路感。这样即使汽车行驶到高速公路时驾驶员忘记切 换开关也不会发生危险。市区型开关还与油门相关， 使得在踩油门加速和松油门减速时，转向更平滑。 在国内， 1992 年清华大学开始设计 EPS 的相关研究工作，随后吉林大学、武汉理工大学、华中科技大学、同济大学、华南理工大学、江苏大学 、 合肥工业大学等院校和科研单位纷纷开展了 EPS 的研究，此外，电子行业中的不少科研部门和生产厂家也纷纷介入 EPS 研究领域。 2000 年，昌河 北斗汽车率先装配 EPS，对国内 EPS 的研究，器到了推波助澜的作用。之后，广本飞度、上海大众途安 、 一汽 -大众凯迪、哈飞路宝、吉利等车型，也纷纷装配了 EPS。中国南方航空动力机械公司的 DFL 系列已经进入小批量生产，吉利汽车集团开发的具有自主知识产权的 EPS 产品也已经装备在其吉利豪nts 4 情等系列轿车上。一汽轿车也准备安装国产电动转向器，正在寻求有实力的合作伙伴。重庆的长安铃木、长安福特的代表也参加了电动转向标准会议寻找合作伙伴，准备在其生产的新车型中试装电动转向器 ， 如广州本田飞度轿车 2003 年销售 1.66 万辆，占全国 1.3-1.6L 的轿车销售量 30.5 万辆的 5.4%市场份额。说明齿轮齿条式的电动助力转向器产品已逐渐打开了市场。 2007 轿车销量在 200 多万辆， L6.13.1 的轿车销量在50-60 万辆左右，说明装配电动助力转向器产品的市场潜力还是很大的。目前 21 个汽车厂家的 43 给我品种均可安装电动助力转向器产品。这些厂家分别是：重庆长安、奥拓、领养、吉利、美日豪情、奇瑞 QQ、天津丰田、威驰、悦达起亚、千里马、东南汽车、菱帅。可以预测到 2010 年末我国适合安装的轿车有 140 万辆，微型和轻型卡车包括皮卡有 40 万辆，电动转向器的需求大约共为 180 万套。 电动助力转向系统是在传统机械转向系统的基础上发展起来的。它利用电动机产生的动力来帮助驾驶员进行转向操作，系统主要由三大部分构成，信号传感装置（包括扭矩传感器、转角传感器和车速传感器），转向助力机构（电机、离合器、减速传动机构）及电子控制装置。电动机仅在需要助力时工作，驾驶员在操纵方向盘时，扭矩转角传感器根据输入扭矩和转向角的大小产生相应的电压信号，车速传感器检测到车速信号，控制单元根据电压和车速的信号，给出指令控制电动机运转，从而产生所需要的转向助力。 1.4 本设计研究的内容 （ 1）电动助力转向 ECU激励信号系统的组成、结构 电动助力转向 ECU激励信号系统主要是将由 LABVIEW软件生成的信号通过数据采集卡送给 ECU，然后 ECU通过内部运算后输出适当的电流控制电动机。其线路图为：产生的信号数据采集卡电压调节器 ECU电机。 （ 2）软件部分 信号的生成 由于控制电动助力转向系统的信号太多，例如噪音，温度，车轮转速，车速，扭矩等。对于初学者来说，将所有的信号全部产生并输送给控制模块这个过程有点复杂，难度相对较大，所以我就选择 2 个主要的信 号（车速信号和扭矩信号）作为控制信号来说明如何用 NI 信号控制与检测电动助力转向系统。 （ 3）硬件部分 电压放大器的制作 用 LABVIEW 软件产生的信号，其信号电压与仪器的接收信号的电压必须相符合，然而经由数据采集卡 USB608 输出的信号电压为 5V，吉利控制模块接受的电压为 12V，所以应该设计一个电压放大器，将数据采集卡的输入信号电压放大后再输送给吉利控制模块，使其能够接收。 nts 5 （ 4）实验检测 实验检测部分主要是将电路连接好之后，控制车速值分别为某一定值（如2km/h,15km/h 和 45km/h） ,调节扭矩值由 90 N m 逐渐变化，绘制出实际的扭矩 电动机输出电流曲线图，在与理论分析得到的扭矩 电动机输出电流曲线图对比，如果曲线一致，则电动助力转向系统完好；如果不一致，则需检查系统。 nts 6 第 2 章 电动助力转向 ECU 激励信号系统 2.1 电动助力转向 ECU 激励信号系统的组成 电动助力转向 ECU 激励信号系统主要分为 2 部分，硬件设计与软件的编程。硬件设施主要包括 USB-6008 型号的数据采集卡、采用 LM324 芯片设计的反向电压放大器和吉利数控模块；软件部分主要是通过对 LABVIEW 软件的编程，生成 2 种控制信号，即车速信号和扭矩信号。然后将软件与硬件连接起来，通过控制信号的大小来检测电动助力转向系统的好坏。 2.1 电路连接图 2.2 电动助力转向 ECU 激励信号系统的结构 电动助力转向 ECU 激励信号系统主要由数据采集卡、电压放大器、数控模块和电机组成。 （ 1）数据采集卡：数据采集卡的作用是将 LABVIEW 产生的信号通过自身的输入、输出通道 传递给数控模块。 nts 7 （ 2）电压放大器：电压放大器的任务就是将由数据采集卡出来的 5V 的车速信号放大到 12V。 （ 3） ECU： ECU 主要是接收所有的信号，然后通过内部的程序计算出输出的电流传给电机，实现转向助力。 （ 4）电动机： EPS 的动力源是电动机，通常采用无刷永磁式直流电动机，其功能是根据 ECU 的指令产生相应的输出矩转。 2.3 电动助力转向系统的理论分析 2.3.1 引言 配备电动助力装置的汽车转向系统，应尽量不悖于驾驶员原有的驾驶习惯，这样驾驶员才能在转向时得心应手。转向驱动力矩与助力矩之间的理想关系应具 备以下几点： （ 1）在转向驱动力矩很小的区域内希望助力矩越小越好，甚至不施加助力，以便保持较好的路感和节约能源。 （ 2）在低速行驶低速转向过程中，为使转向轻便，降低驾驶员劳动强度，助力效果应当明显。 （ 3）原地转向时的转向阻力矩相当大，此时应尽可能发挥较大的助力转向效果，且助力矩增幅应较大。 （ 4）随着车速的增升高，转向驱动力矩很小时不助力的区域应增大。 （ 5）原地转向时，助力矩增加到一定值时应保持恒定，以免助力电动机因负荷过大而出现故障。 （ 6）形式转向时，助力矩增加到一定值时也应保持恒定，以便驾驶员驾驶 时可以明显感到路面反力的增加，知道安全驾驶。 （ 7)高速行驶时停止助力，以便驾驶员获得良好的路感，保证行车安全。 （ 8）助力矩不能大于同工矿下无助力时的转向驱动，即助力矩应小于转向阻力局，否则将出现“打手”现象。 （ 9）各区段过度要平滑，以避免操舵力出现跳跃感。 2.3.2 电动助力转向系统典型的助力曲线 EPS 的助力特性具有多种曲线形式，图 2.2 为三种典型的 EPS 助力特性曲线。这里将图中助力曲线分为三个区， 0dT0dT区 为无助力区，0dTdTmaxdT区为助力变化 nts 8 图 2.2 EPS 典型助力曲线 （ 1）直线型助力特性 图 2.2.a 为直线型助力特性曲线，它的特点是在助力变化区，助力与方向盘扭矩成线性关系。该助力特性曲线可以用下列函数表示 m a xm a x00m a x000dddddddddTTTTTTTITTVKI （ 2.1） 式中， I 为电机的目标电流； Imax 为 电机工作的最大电流；dT为方向盘的输入扭矩； )(VK 为助力特性曲线的斜率，随车速增加而减小；0dT为转向系统开始助力时的方向盘输入扭矩，maxdT为转向系统提供最大助力时的方向盘输入扭矩。 （ 2）折线型助力特性 图 2.2.b 所示为典型的折线型助力特性曲线，它的特点是在助力变化区，助力与方向盘扭矩成分段型关系，该助力特性曲线可以用下列函数表示。 （ 2.2） 式中， )(1 VK ， )(2 VK 分别为助力特性曲线的斜率，随车速增加而减小；1dT为助力特性曲线梯度由 )(1 VK 变为 )(2 VK 时的方向盘输入扭矩。 （ 3）曲线型助力特性 m a xm a x11m a x0112100ddddddddododdddddodTTTTTTTTTTITTVKTTVKTTVKInts 9 图 2.2.c 为典型曲线型助力特性曲线，它的特点是在助力变化区，助力与方向盘输入扭矩成非线性关系，该助力特性曲线用以下函数表示。 m a xm a xm a xm a x00dddddodddTTTTTTTITfVKI （ 2.3） 比较上述三种助力特性曲线，直线型助力特性最简单，有利于控制系统设计，并且在实际中调整容易；曲线型助力特性曲线有利于实现连续、均匀助力，但控制复杂、调整不方便；折线型助力特性则介于两者之间，从设计、调整和实用的角度看，采用直线型助力特性可以基本满足实际需要。 2.3 本章小结 本章主要介绍了电动助力转向 ECU 激励信号系统的组成、结构，通过理论分析，确定了在一定车速下的电动机的助力大小。 nts 10 第 3 章 硬件的设计 3.1 电动助力转向 ECU 激励信号 系统的总体结构 电动助力转向 ECU 激励信号 系统大体上是由 LABVIEW 产生的信号 、数据采集 卡 、数控模块 和驱动部分组成，总体的框图如图 3.1 所示 。 图 3.1 总体布置框图 nts 11 3.2 数据采集 卡 数据采集机构采用 LABVIEW 配套的数据采集卡，数据的采集和反馈都经过数据采集卡，数据的通讯通过数据采集卡与计算机相连，直接与软件建立联系 。 试验信号采集系统采用 USB-6008USB 总线便携式多功能数据采集产品。用于 USB的 12 位 , 10 k/s 多功能数据采集卡 8 路 12 位模拟输入通道 , 12 条 DIO 线 , 2 路模拟输出 , 1 个计数器若需更高性能 , 可参考 NI USB-6210 和 NI USB-6211 方便而易于携带的总线供电型设计获取用于 OEM 的仅含板卡的套件可用于 Windows、 Mac OS X、 Linux和 Pocket PC 的驱动软件 NI-DAQ 驱动软件和 NI LABVIEW Signal Express 交互式数据记录软件。 NI USB-6008 具有基本的数据采集功能，其应用范围包括简单的数据记录、便携式测量和学术机构的实验室试验 。 该产品价位适于学生购买，但其强大的功能足以用于更为复杂的测量应用。 NI USB-6008 带有现成的数据记录软件，能在数分钟内开始基本的测量应用；也可使用 LABVIEW 或 C 及自带的 NI-DAQ Base 测量服务软件，为用户自定义的测量系统编程。 NI 开发了含有 LABVIEW 学生版副本的 USB-6008 学生套件，为仿真、测试和自动化的理论性课程补充了实践性实验。上述套件仅供学生使用，是功能优、价格低、实践性强的学习工具。 图 3.2 USB-6008 数据采集卡 nts 12 图 3.3 USB-6008 数据采集卡 引脚图 选择理由： NI USB-6008 数据采集卡具有基本的数据采集功能，能够满足电动助力转向硬件在环仿真实验的数据采集任务，而且也具备功能优、价格低、实践性强的特点。 3.3 信号放大器的设计 3.3.1 芯片的选择 LM324 系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，他们有一些显著优点 .该四放大器可以工作在低到 3.0V 或者高到 32V 的电源下， 静态电流为 MC1471 的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图 1 所示的符号来表示，它有 5 个引脚，其中“ +”“ -”为两个信号的输入端，“ V ”“ V ” 为正负电源端。“OV”为输出端。两个信号输入端中， iV为反向输入端，表示运放输出端OV的信号与该输入端的位反向； V 为同向输入端，表示运放输出端OV的信号与该输入端的相位相同。 LM324 的引脚图如下： nts 13 图 3.4 LM324 引脚图 LM324 的特点： 1.短路保护输出 2.真差动输入级 3.可单电源工作： 3-32V 低偏置电流：最大 100nA 4.具有内部补偿的功能 5.输入端有静电保护功能 6.行业标准的引脚排列 3.3.2 驱动电路的设计 同相输入比例运算放大器 如果输入信号从同相输入端引 入的运算，便是同相运算。 图 3.5 同相比例运算放大器电路图 如图： 3.5 是同相比例运算电路，根据理想运算放大器工作在线性区的分析依据： 0uui (3.1) fi ii （ 3.2） 由图 3.5 可列出 nts 14 11 RuRui ii （ 3.3） FiFf RuuRuui 00 （ 3.4） 由此得出 iF uRRu 10 1 （ 3.5） 闭环电压放大倍数则为 10 1 RRuuA Fiuf （ 3.6） 可见0u与iu间的比例关系也可以 认为与运算放大器本身的参数无关，其精度和稳 定性都很高。式中ufA为正值，这表示0u与iu同相，并且ufA总是大于或等于 1，这点和反比例运算不同。 当 1R 或者 0fR时，则 10 iuf uuA（ 3.7） 这就是电压跟随器。 本设计的电压放大倍数为 4.251211 RRA Fuf 50100 5111 nAViuR 所以 70FR 3.4 本章小结 本章主要介绍了电动助力转向 ECU 激励信号系统的硬件连接，对其硬件进行讲解，主要包括对 USB-6008 数据采集卡各引脚功能的介绍、反相放大器在 LM324 芯片上的连接电路图等。 nts 15 第 4 章 电动助力转向 ECU 激励信号的生成 4.1 LABVIEW 的简介 20 多年前，美国国家仪器公司 NI（ National Instruments）提出 “ 软件即是仪器 ” 的虚拟仪器（ VI）概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了 “ 软件即是仪器 ”的先河。 所谓虚拟仪器，实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量，控制能力 结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。从发展史看，电子测量仪器经历了由模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器，由于计算机性能以摩尔定律（每半年提高一倍）飞速发展，已把传统仪器远远抛到后面，并给虚拟仪器生产厂家不断带来较高的技术更新速率。虚拟仪器的起源可以追溯到 20 世纪 70 年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。 PC 机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至在 Microsoft 公司的 Windows 诞生之前， NI 公司已经在 Macintosh 计算机上 推出了LABVIEW2.0 以前的版本。对虚拟仪器和 LABVIEW 长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。目前 LABVIEW 的最新版本为 LABVIEW2009， LABVIEW 2009为多线程功能添加了更多特性，这种特性在 1998 年的版本 5 中被初次引入。使用LABVIEW 软件，用户可以借助于它提供的软件环境，该环境由于其数据流编程特性、LABVIEW Real-Time 工具对嵌入式平台开发的多核支持，以及自上而下的为多核而设计的软件层次，是进行并行编程的首选。 LABVIEW 程序又称为 虚拟仪器，它的表现形式和功能类似于实际的仪器；但 LABVIEW程序很容易改变设置和功能。因此， LABVIEW 特别适用于实验室、多品种小批量的生产线等需要经常改变仪器和设备的参数和功能的场合，及对信号进行分析研究、传输等场合。 总之，由于 LABVIEW 能够为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式，能够将繁琐复杂的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能，并且用线条将各种功能连接起来，十分省时简便，深受用户青睐。与传统的编程语言比较， LABVIEW 图形编程方式能够节省 85以上的程序开发时间，其运行速度却 几乎不受影响，体现出了极高的效率。使用虚拟仪器产品，用户可以根据实际生产需要重新构筑新的仪器系统。例如，nts 16 用户可以将原有的带有 RS232 接口的仪器、 VXI 总线仪器以及 GPIB 仪器通过计算机，联接在一起，组成各种各样新的仪器系统，由计算机进行统一管理和操作。 4.2 信号的生成 本设计最主要的就是利用 LABVIEW编程 产生的信号 代替 通过传感器产生的信号 ,然后将产生的信号通过数据采集卡送给 ECU， ECU经过判断对助力电机进行控制，给驾驶员提供合适的助力。 一个 LABVIEW 是由前面板和程序框图组成的。前面板是用户 接口，用于向程序中输入各种控制参数，并以数字或图形等各种形式输出测试结果。可以把它想象为传统一起的面板，面板上自然会有表头、按钮、拨盘等各种元件。程序框图是程序的源代码 ,可以把它想象为传统仪器里用来实现仪器功能的零部件。 信号模拟输出的过程： (1) USB-6008 数据采集卡通过 USB 与计算机连接，驱动完成之后，打开 LABVIEW软件，创建 DAQ 助手。如图 4.1 4.1 NI-DAQ图 (2) 选择生成信号模拟输出电压后，单击完成，在弹出的面板上选择信号的输出通道0OA和1OA。如图 4.2 nts 17 4.2DAQ通道设置图 (3) 调节信号的生成模式为连续采样，测试信号类型为正弦波，然后单击确定。 (4) 通过仿真信号生成车速信号，用正弦波表示。如图 4.3 4.3 车速仿真信号图 (5) 通过仿真信号生成扭矩信号，用方波表示。如图 4.4 nts 18 4.4 扭矩仿真信号图 (6)设定车速信号与扭矩信号的幅值为 1、相位为 0。车速信号的频率设定为 50，扭矩信号的频率设定为 10。如图 4.5 4.5 车速信号与扭矩信号图 (7)在程序面板上创建 2 个选择信号， 分别选择车速信号与扭矩信号的输出通道AO0 和 AO1。如图 4.6 nts 19 4.6选择信号图 (8)将 2 个选择信号合并后与 DAQ 助手的数据端连接，加入 While 循环后，程序设计完成。如图 4.7 4.7信号输出程序框图 程序设计完成之后，车速信号从数据采集卡的0OA端输出，扭矩信号从数据采集卡的1OA端输出，我们可以通过调节前面板的车速值与扭矩值来改变送入 ECU 内部的信号电压的大小，从而控制电动机的助力大小。 4.3 本章小结 本章对本设计所应用的软件 LABVIEW 进行了简单的介绍 ,包括它的历史，与优势以及使用方法，利用设计中的图形说明本设计的设计过程 ，通过调节车速值和扭矩值来控制输出波形，使 ECU 接收到不同的波形， ECU 通过内部计算后送给电动机一个合理nts 20 的助力电流，通过理论电流与实际电流的对比，达到检测系统的目的。 nts 21 第 5 章 试验分析 5.1 简介 本设计在理论分析的基础上，为验证电动助力转向系统的实际效果同时也为控制系统的研究和开发的方便，进行了硬件在环仿真实验 。分别对 ECU 进行了在不同车速条件下方向盘转矩和电机 助力 之间的关系实验， 例如通过 LABVIEW 软件控制车速信号的值分别为 2km/h、 15km/h 和 45km/h，然后在任一车速下调节扭矩值，由 90 N m,用万用表来测出电动机输出端得电流大小。如果电流的变化与理想的 转矩 -电动机助力目标电流图相符合， 则证明电动助力转向系统完好 。 5.2 实验仪器 笔记本一台 ,USB-6008 数据采集卡 ,电压放大器 , ECU ,吉利轿车 ,万用表 ,电路连接线若干。 5.3 转矩 电动机 助力电流的理论关系 助力控制是汽车在低速行驶过程中进行转向时，为减轻转向盘的操纵力，使其转向操纵轻便，灵敏，可通过减速机构把电动机转矩作用到机械转向系统上的一种基本控制模式。该模式是利用电动机转矩和电动机电流成比例的特性，由转向盘转矩传动器检测的转矩信号和车速传感器检测的车速信号输入控制器中，根据预算的不同车速下“转矩 电动机助力电流图”（图 5.1），确定出电动机助力的目标电流。 图 5.1 转矩 -电动机助力电流图 当转向盘力矩的值小于 1N m 时，电动机电流为 0，即电机无 助力扭矩输出，这nts 22 样就有效的消除了由于系统太过敏感而导致来自于车轮或系统干扰输入而对车辆的操作稳定性和转向路感造成不利影响。当转向盘力矩的值大于 1N m、车速低于 80km/h时，电机电流随着转向盘扭矩的增加而增加，即输出助力扭矩随着转向盘扭矩的增加而增加；当车速超过 80km/h 时，此时不需要进行助力控制，助力电机停止工作，并与电磁离合器处于脱离状态。当转向盘输入力矩大于某一设定值（如车速在 5.20 km/h时设定值为 8N m、车速在 105.2 km/h 时设定值为 9N m） ,流过电机电流达到最大值，即助力扭矩达到饱和状态。车速越低、助力越大；车速越高、助力越小。当车速大于一定值时，取消助力，将电动机反接制动，使汽车高速行驶时方向感沉稳，行驶安全。 5.4 实验过程 （ 1）打开计算机，运行编辑的程序，检验产生的信号是否正常运行。 （ 2）将 USB-6008 数据采集卡与电脑连接，然后启动 MER 软件，此时数据采集卡的红灯亮则表示数据采集卡已经与电脑连接，然后将产生的车速信号和扭矩信号分别通过数据采集卡的 A0 端和 A1 端输出。 （ 3）由于 ECU 接收的车速 信号电压为 12V，转矩信号电压为 5V，而通过数据采集卡输出的电压
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