电动转向对中试验台电控部分的设计本科毕业设计

电动转向对中试验台电控部分的设计本科毕业设计摘要电动助力转向系统EPS是一种直接依赖电机提供辅助扭矩的动力转向系统，它能够很简单地实完成不同车速供给不同助力成效的功能，确保汽车在低速行驶的时候轻巧灵便，在高速行驶的时候相对稳定，有利于增加汽车的主动安全性，更加有利于环保，于是具有宽泛的应用前景。目前国内EPS对中试验的研究报道较少，而EPS对中试验是车辆制造中的一个重要环节。本文分析了电动助力转向系统的工作原理，在此基础上研究了电动助力转向系统对中试验对中方法，用以开发以计算机为控制核心的电动转向系统对中试验台。本文分析了对中试验，并研究了试验台信号采集系统的实现方法；对扭矩传感器的各种故障类型进行了研究，为对中试验项目提供了检测判定依据；在WINDOWS操作系统下基于VC平台对试验台测控软件进行了模块化的总体设计，包括硬件初始化模块、数据采集模块、数据输出模块、状态采集模块和状态输出模块。该试验台能为后续实车试验获得所需的基本参数和算法，可降低实车路试试验的危险性和研究成本，能有效地缩短EPS的开发周期，提供更加快速和安全的试验环境。关键词电动助力转向系统（EPS），试验台，数据采集，扭矩传感器，对中ABSTRACTTHEELECTRICPOWERSTEERINGSYSTEMEPSISAPOWERSTEERINGSYSTEMWHICHDIECTDEPENDSONTHEMOTORTOPROVIDEAUXILIARYTORQUEITCANEASILYBEACHIEVEDBOOSTEREFFECTATDIFFERENTSPEEDSOTHECARISLIGHTANDFLEXIBLEATLOWSPEEDSTHECARISSTABILITYRELIABLEATHIGHSPEEDSEPSCANIMPROVESTHEVEHICLESACTIVESAFETYANDTHEENVIRONMENTTHEREFOREEPSHASBROADAPPLICATIONPROSPECTSCURRENTLYINTHECOUNTRYTHESTUDYREPORTEDONTHEEPSTESTISFEWER，ANDTHEMIDDLEOFEPSTESTISANIMPORTANTPARTOFVEHICLEINTHISPAPER,TESTMETHODFORTHEMIDDLEOFTESTBENCHFORELECTRICPOWERSTEERINGISRESEARCHEDACCORDINGTOTHEWORKPRINCIPLEOFELECTRICPOWERSTEERINGTHISMETHODCANBEUSEDTODEVELOPTHEMIDDLEOFTESTBENCHFORELECTRICPOWERSTEERING,WHICHTAKESINDUSTRIALPERSONALCOMPUTERIPCASITSCONTROLCENTERTHEMIDDLEOFTESTFORELECTRICPOWERSTEERINGISANALYZEDACCORDINGTO“TECHNICALCONDITIONSANDBENCHTESTMETHODOFELECTRICPOWERSTEERINGDEVICES”TORQUESENSOR,ANGLESENSORS,DATAACQUISITIONCARDANDOTHERCOMPONENTSARESELECTED,THEIMPLEMENTATIONOFSIGNALACQUISITIONSYSTEMISSTUDIEDTHESTUDYOFBREAKDOWNTYPESFORTORQUESENSORPROVIDESTHEDETERMINATIONMETHODOFTHEMIDDLEOFTESTITEMSCONTROLSOFTWAREOFTHETESTBENCHISMODULAROVERALLDESIGNEDBASEDONTHEVCPLATFORMINTHEWINDOWSOPERATINGSYSTEM，INCLUDINGHARDWAREINITIALIZATIONMODULE,DATAACQUISITIONMODULE,DATAOUTPUT,STATUSACQUISITIONMODULEANDTHESTATEOUTPUTMODULETHISTESTBENCHCANOBTAINTHENECESSARYBASICPARAMETERSANDALGORITHMSOFFOLLOWUPREALVEHICLETESTINGANDREDUCETHERISKOFREALCARROADTESTSANDRESEARCHCOSTS,ITALSOCANEFFECTIVELYREDUCETHEDEVELOPMENTCYCLEOFEPS,PROVIDINGAMORERAPIDANDSAFETESTINGENVIRONMENTKEYWORDSELECTRICPOWERSTEERINGEPS,TESTBENCH,DATAACQUISITION,TORQUESENSOR,THEMIDDLEOF目录摘要IABSTRACTII1绪论111电动转向系统概述1111电动转向的基本概念1112电动助力转向系统的组成和分类1113电动助力转向系统的工作原理312电动转向技术国内外研究现状413课题研究的目的和意义614本文研究的主要内容和目标62对中试验台的总体设计821试验台整体介绍822对中试验项目923试验台测试项目924测量过程9241测量的操作过程9242测量的操作理论103试验台的电控部分1131试验台电控部分总体结构1132电控部分相关的主要部件11321驱动加载装置11322传感器11323信号与数据采集装置12324工控机13325电子控制单元1333传感器的选择13331转矩传感器13332角度传感器1434伺服电机14341伺服电机的原则14342伺服电机驱动器154电动助力转向系统的助力特性曲线1741EPS系统的助力特性分析17411迟滞曲线17412助力状态下EPS系统的主要性能18413助力特性曲线的特征参数1842EPS系统的助力特性性能评价指标195数据与信号采集的实现2051数据与信号采集要求2052数据与信号采集系统硬件结构2053数据采集软件总体设计2154系统抗干扰设计24541干扰源分析24542硬件抗干扰2455采集数据的过滤256转矩传感器故障诊断2661转矩传感器常见故障和判别信号2652故障显示电路2653安全防范措施277总结与展望2971总结2972展望29参考文献311绪论11电动转向系统概述111电动转向的基本概念电动转向系统是一个纯电动动力转向的装置。电动助力转向装置包括了动力转向控制器、传感器、机械部件和电机等。一般把电动控制器、传感器、机械部件和电机安装在一起、控制器是另外的安装、用电线束把他们和蓄电池（电源）连接在一起的结构称为电动转向系统的结构。也有把控制器和转向器机械部分安装在一起的结构。电动助力转向系统是一种通过电机为司机操纵包装系统提供动力的设备。控制器（ECU）输出电流来控制这种动力的大小。通过控制器的控制可为驾驶员在转向过程中提供理想的电流，进而使电机提供最佳的转向助力。扭矩传感器、速度传感器和发动机的信号通过ECU来采集，再通过计算来得到输出的电流。电动助力转向系统在汽车的转向过程中依据不同的方向盘的旋转速度、车速，精确的提供了不同的道路条件下的最佳的转向助力活阻尼，这些都是在控制器（ECU）的操作下实现的。电动转向器是在电子控制器作用下完成了控制电机的电流的变化大小，最后完成了不同的转向动力。电动助力转向系统（EPS）以蓄电池做为能源，用电机作为动力元件，刻独立于发动机外工作，且在不转向时不工作，因此无“寄生损失”。由于电动助力转向不需要采用液压助力，不在采用油介质，无液体泄漏损失，减少了油污染的可能，对环境几乎没有污染。112电动助力转向系统的组成和分类EPS系统是在传统机械式转向系统的基础上设计而成的，主要由车速传感器、电子控制单元（ECU）、转向盘转矩和转角传感器、轴重传感器、电磁机、电动机、减速机构和电磁离合器等组成。其电动助力转向系统的结构框图如图11所示。图11电动助力转向系统的结构框图根据助力电机及其动力源的位置，EPS可分为4种类型CEPS轴助力型、PEPS小齿轮助力型、REPS齿条助力型和XEPS循环球型。CEPS它的减速机构连同电机、传感器一起安装在转向传动管柱中间，下端用传动轴与机械转向器相连。PEPS它的减速机构同电机、传感器一起安装在转向器的小齿轮位置，成为一个整体。REPS它的减速机构连同电机、传感器一起安装在转向器的与小齿轮位置相对布置的另一侧，另有一套小齿轮，与之啮合的同一齿条上夜有齿形，这样组合成为一个整体。XEPS在循环球电动转向器中，扭距传感器、直流电机、减速装置和循环求机械转向器是安装成一体的。转向传动轴是独立的，他与机械转向器输入轴机械相连；二控制器与扭距传感器、直流电机是用电线来连接的。几种类型的电动助力转向系统结构如图12示。图12助力转向系统的几种类型结构113电动助力转向系统的工作原理汽车不转向时，电动机不工作。当驾驶员操纵方向盘转向时，安装在转向轴上的扭矩和旋转角度传感器将所检测到的扭矩和旋转角的方向和大小信号输入给电子控制器。速度传感器、轴重传感器等也将每个检测到的信号输入给ECU。电子控制器依据所得到的信号，并与所测试的助力电机的电流反馈信号相结合，进行了操作处理，用于肯定电机的助力电流方向和大小。此电流就是所需要的助力扭矩，由电磁离合器通过减速的机构增加转矩及减速以后，加在转向轴使的得到一个与汽车行驶工作状况相符合的转向作用力。当ECU测试到异常信号的时候，应该立即切断电磁离合器，撤出助力模式，并且打开故障指示灯。其EPS系统控制简图如图13所示。图13EPS系统控制简图12电动转向技术国内外研究现状这一模式延用至今主要是因为国内在助力转向系统的研发上开始的比较晚起点比较低，这个情况下导致了目前国内仍未在这一方面取得重大的突破和成就。长期以来，国内高档轿车都是以高昂的价格引进国外先进的ESP相关系统，而中低档的轿车却没有能力承受如此昂贵的费用，因为这不仅大大地增加了汽车行业的生产成本，同时也无形中为消费者增添了负担。国外公司对EPS技术的研究一直处于领先低位，而对这一技术的垄断也是造成国内EPS技术研究迟迟不前的重要因素，因此为了打破这一技术的局限，顺利解决国内汽车在助力转向系统的落后问题，促进企业和技术的发展进步，许多汽车厂家开始联合科研机构共同开发EPS产品。就目前来看，国内厂家在研究EPS控制系统上投入了大量的人力、物力；而另一方面，EPS控制系统试验台的研究设计也在有条不紊地进行，这将成为EPS控制系统研发的重要支撑。所以本课题的设计在提升EPS技术方面具有重要的意义。国内也有许多大学在从事汽车EPS试验台的研究，比如吉林大学和北京理工大学共同开发的试验台产品就有便于使用，相对稳定的运行，可靠等特点，所测试结果的精度以及效率都能达到标准，适用EPS的基本性能的测试和控制系统的开发。清华大学的汽车工程系的老师和教授同时做手对EPS性能试验台进行设计研究，并取得了较大的进展，而且对从国外进口的EPS内部所包括的转矩传感器以及电机电流传感器等采取了标定，再进行了对台架整体性能的测控和试验。最后所得到的测试的结果为以后EPS有关的传感器以及控制器元件的选取、探索开发研究和其控制方式的采取都有很大的参考价值。江苏省首届人才高峰资助的计划项目之一“轿车的电动助力转向系统开发与研究”是由隶属于江苏大学下的汽车工程的重点实验室来开展。该课题研究组目前已经取得了较大的成果，开发出了以转向轴作为驱动形式的EPS性能试验台及其样机；并为之类汽车的电动助力的转向器样机设计好相应的EPS性能试验以及EPS可靠性试验，路试了几百公里并且完成了超过10000公里的可靠性试验。结果表明，项目的研究达到了预期的目标，取得了重要成果，该实验平台元转稳定，性能可靠。也填补了国内的空白，使国外公司不在对该技术垄断。因此，国内研究的具有自主知识产权的EPS，提升了国内助力转向类汽车产品的科技含量，增强了相应国内产品的市场竞争力，而且对国内汽车类零部件产业的发展起着较为深远的影响。自从美国通用汽车公司在1953年首次在其生产的车辆上安装HPS以来，汽车的超控性能得到显着提升，人们不再需要大直径转向盘以提供足够的转向力。汽车助力转向系统是对于汽车转向系统来说是必不可少的，它的存在直接影响了汽车驾驶的稳定性、舒适性，使汽车的行驶安全性提高。相对于传统的机械式转向，液压转向系统拥有诸多优点，不过它依然具有的许多缺陷会造成一些不必要的麻烦。伴随着电子技术的不断成长特别是迅速成熟起来的微电子技术为新型的电子控制式助力转向系统的产生提供了有利条件。上世纪80年代，自日本铃木公司首次开发出EPS后，日本多家汽车公司相继开发出适合各公司车型的EPS。现日本精工已然成为世界最大的EPS生产厂，占全球的30。1993年本田汽车公司首次将EPS装备进行批量产生；与此同时，一款畅销欧洲大陆的经济廉价轿车在装备德尔菲公司所生产的EPS的条件下取得了明显的销售提升成果。由于完全不需要液压装置，用电能取代了液压能，减少了系统的能耗且环保，而且具有卓越的性能，EPS技术很快就使用在国外各大公司的汽车中。EPS系统已经被广泛地应用于各公司的中高档轿车以及中型以上的货车。尽管EPS这一新兴技术的强大功能得到了大家的认同，但由于电子产品在当时价格较高，导致EPS成本较高。使其在实际生产中的应用受到了较大的限制。直到近些年，微电子产品价格大跌，同时EPS通过长时间的发展，技术也日趋成熟。与此同时，因为EPS在一些生产公司也投入使用，EPS本身的性能也决定了其强大的吸引力，所以，许多公司及研究所都不断地加强了在研究转向系统方面的投入，由此EPS迎来了一轮新的研发浪潮，整个行业进入了朝气蓬勃的大好时代。从国内外的研究来看,EPS今后的研究主要集中在以下几方面1系统匹配技术。助力特性、电机及其减速机构、传感器以及其EPS系统与其它子系统进行匹配。是使整车性能达到最优的关键。2EPS助力控制策略。一种依靠减速机构把助力电机的输出的力矩作用到机械转向系统上的一种助力控制的基本控制模式，为减轻方向盘的操纵力，助力控制策略的主要方法是依据助力特性曲线，经过计算来确定助力电动机输出的助力矩大小，帮助驾驶员便于实现汽车转向控制。控制策略是EPS系统的重点研究方向。3可靠性。转向系统是驾乘人员的重要工具，必须保证它的可靠性。优秀的EPS不仅仅拥有良好的硬件环境，更需要良好的软件来满足应用需求。所以EPS的可靠性需要很高的要求。EPS系统的助力形式也由低速、转向柱助力型向全速、齿条助力型发展。由于技术、制造和维修成本等多种原因，目前汽车转向系统仍以液压助力的HPS包括ECHPS、EHPS为主。线控转向系统由于成本高以及现有法规限制等原因,在近期也很难在车辆上进行装配。EPS具有节能与环保等诸多优点,EPS取代HPS是今后一段时间内汽车转向系统发展的趋势和研究重点。13课题研究的目的和意义本课题的目的及意义是目前的对中主要是依靠人工操作，工人劳动强度大，生产效率低，在在更换试验件过程中，会造成人力、时间上的浪费，而且精度也较难控制。研制开发自动浸涂机。研制汽车电动助力转向装置的对中系统的意义在于改变落后陈旧的生产力，减少人为参与因素的质量不稳定性、均匀性，提升企业形象的需要，使生产效率大大提高，产品质量的稳定性也获得提高。14本文研究的主要内容和目标在试验台中，需要获取和处理的信号有转向角度信号与转向盘转矩信号。通过这些信号来调节EPS上的扭矩传感器的位置使的EPS对中。获取这些信号的方法和调节EPS上的扭矩传感器的位置就是本文研究的主要内容。本文研究的主要内容为1确定电动助力转向对中试验台的总体结构方案；2试验台转向力加载系统的设计；3试验台测控系统的分析和设计，包括转向角度测控装置、扭矩传感器的分析等；4信号和数据采集处理系统的设计；5试验台控制系统软件总体设计。2对中试验台的总体设计21试验台整体介绍EPS对中试验台工作原理伺服电机模拟驾驶员转动转向盘，转向盘转矩由电动助力转向系统上的转矩传感器测量，转向盘转角由安装在转向轴上的光电编码器测出。在EPS对中系统的同时，试验台的测控系统会测量并记录各种传感器的信号，调整EPS上的扭矩传感器的位置，使得EPS系统的对中。电动转向试验台的组成1转向机构2直流电机，通过减速机构和转向柱连接3试验台，用于固定个部件4扭距传感器5车速信号模拟装置和控制电路板6电源7数据采集卡图21电动助力转向系统对中试验台设计框图试验台结构总框图如图21所示，通过传感器来获得信息，这些信息为EPS中转向盘的主扭矩、转向盘的转向角度。把这些量通过数据采集卡传送到计扭矩信号角度信号信号放大器数据采集卡计算机显示器数据库EPS上的扭矩传感器角度传感器算机上，来分析EPS是否对中，然后然后通过改变EPS装置上的扭矩传感器的位置，使EPS达到对中。22对中试验项目将被试装置安装于实验台上，装置的安装角度应与整车安装角度一致，使系统能正常工作。电动机先以20KM/H转速正向转动，当转动稳定时，通过计算机分三次间断记录下三圈完整的扭矩信号，然后电动机反向转动，同理记录下相应的扭矩信号。测算正转和反转的最大扭矩信号的中间值是否位于横轴5的区间范围内，若在，则被测试装置合格；若不在，调整扭矩传感器的位置，重复上述操作，直至被测装置符合标准为止。23试验台测试项目根据以上可靠性试验项目的内容和要求，需要测试的数据项目有转向盘角度和转向盘转矩。根据对中试验的内容和要求，需对转向盘的转矩和角度进行检测。转向盘的转矩由传感器采集转换后，经信号放大器处理后传送至数据采集卡，再经数据采集卡进行A/D转换处理后输入计算机，集成试验台控制系统的计算机显示数据，根据这些信号来调整扭矩传感器的位置，使得电动助力转向系统对中。安装在方向盘上的光电编码器将脉冲信号通过光电编码器数据处理卡输入到计算机中，由采集软件通过计算脉冲数的大小来得到方向盘的转角。24测量过程241测量的操作过程对中就是使得传感器处于某个位置（即对中位置），电动机先以20KM/H带动输入轴，当转动稳定是，通过计算机分三次间断几路下15圈的完整的扭矩信号，然后电动机反向转动，通例记录下相应的扭矩信号，在这15圈的数据中测算正传和反转的最大扭矩信号的中间值是否位于最大扭矩信号的5的区间范围内如果在，表示被测试的装置合格即EPS对中完成，如果不在的话，调整扭矩传感器的位置，重复上述的操作，直至被测装置符合标准。例如在左转15圈中，测的最大扭矩值为06MV，右转为18MV，中间值为12，相差50，表示该被测试的装置不合格（即未完成对中），这就需要改变扭矩传感器的位置，直至找到对中位置为止（被测装置已经对中）。操作的电路原理图如图22所示图22操作的电路原理图242测量的操作理论从扭矩传感器的工作原理图可以看出，当传感器处于中间位置时，右转和左转产生的扭矩是一样的时候。即传感器表示为主扭矩的电压值与副扭矩的电压值之差的绝对值是一样的。例如当扭矩传感器处于对中位置时，右转，转矩达到最大时，主扭矩IN为5V,副扭矩为0V，电压差为5V；左转，转矩达到大时，主扭矩IN为0V,副扭矩为5V，电压差为5V。当传感器的位置处于对中位置时，汽车方向盘没有受左右力，主扭矩和副扭矩的输出电压为25V，电压差为0V，扭矩传感器将信号传给助力系统，不需要提供助力。当传感器的位置不对中位置时，传感器传出的扭矩信号不是0，助力系统将会多给或者少给助力。因此我们可以通过这个理论来对中。3试验台的电控部分31试验台电控部分总体结构图31试验台电控部分结构图试验台电控部分结构图如图31所示，其中1转角信号；2扭矩信号；3报警灯控制；4蓄电池电源控制；5伺服电机电源控制；6伺服电机控制信号32电控部分相关的主要部件321驱动加载装置为实现对EPS的可控加载，采用伺服电机（松下MSMA系列）驱动加载机构进行转向力的输入。输入电机由工控机通过伺服电机驱动器进行控制。由于本试验的主要功能是检测EPS的对中状况，而对EPS的性能，可靠性等数据关注不高，所以不需要对输出轴加载负载。322传感器试验台信号列表表31序号信号信号源类型占用通道信号标准1角度信号角度传感器模拟量1PWM方波2转矩信号转矩传感器模拟量2PWM方波传感器是可以理解被测的量的消息，并可以将这些消息遵照一定的规则更迭为能够用输出的信息的器材。在现实的测量中，随时间变化的动态信号是其中大部分被测量，精确反映被测量的大小这就成为传感器最主要的输出功能，重现随时间变化的被测量的规律也必须正确，即需要动态特性要好的传感器。在本系统中待检测信号是转矩信号和角度信号。试验台信号如表31所示。二种传感器的选型将在33节中详细介绍。323信号与数据采集装置数据采集DAQ，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集非电量或者电量信号,送到上位机中进行分析,处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。本次设计采用的是PCL818HD型号的数据采集卡，该型号的采集卡有四个通道，每通道的最高采样速率512KS/S,输入电压范围5V，采样分辨率为24位，该采集卡需要USB总线供电并且能够高速USB数据传输。PCL818HD采集卡的线性相位特性比同类数据采集卡更好些，如果采集卡的相位特性是非线性的，会使得信号的不同频率成分之间存在大概几度的相对相位差。这种现象对于大多数机器状态监测方面的应用来说可能并不明显，但是对于专业的音频测试设备来说，可能会造成麻烦，所以要选择线性相位特性好点的。其次，本次设计给数据采集卡提供电源的是24V的直流电源，但PCL818HD的数据采集卡耦合方式为交流耦合。PCL818HD数据采集卡是可以通过编程来确定耦合方式直流还是交流，所选择该数据采集卡很好的选项。另外该型号的数据采集卡内置信号调理器，适用多种传感器，多种端子可选，适用不同环境和不同传感器；采样速率快，每通道的最大采样速率512KS/S，比同类采集卡的采样速率的高一点。PCL818HD动态信号采集模块是振动及声学数据记录应用中的理想选择，因为工程师能够自由开关IEPE调理及选择AC或DC耦合。模块提供了24位分辨率，102DB的动态范围及抗混叠滤波器。PCL818HD模块能与PCL的声音及振动测量套件配合使用，套件包括声音及振动助手，通过提供独立、交互式的分析采集环境来简化噪声及振动信号的采集和分析。独立软件支持在磁盘记录数据同时，实时修改数据分析设置。信号与数据采集系统硬件如图32所示。图32数据采集系统硬件框图324工控机整个测控系统由工业控制计算机来控制。工控机具有以下优点1、开发工具齐全；2、计算速度快；3、应用程序接口和图形界面友好。3、工控机可以存储很多数据用于分析，即存储容量大。另外，工控机可以适用于多数编程语言以及DOS、UNIX、NT/2000等操作系统，这位软件和硬件的开发提供了很大的便利。现在的工业设计计算机技术已经能够完全达到要求。325电子控制单元EPS的电子控制单元（ECU）处理芯片通常有两种方式，第一种是采用一个8位单片机系统或者一个16位电机。另一种采用数字信号也可以达到要求。ECU由数字信号处理器（或单片机）、双桥臂脉宽调制信号输出MOSFET、功率开关驱动器等组成。根据车速、转向盘扭矩等信号，以及进行分析后发出的指令，控制离合器与电机的动作组成了ECU的功能特点。另外，ECU也具有自我诊断以及安全保护的功能，其工作状态时通过采集电动机的电压、电流、发动机工作状况等信号，如果工作状态异常，则助力会自动取消，系统状态会自动转换成手动。这时ECU会进行故障分析诊断。33传感器的选择331转矩传感器转矩传感器是为了测定方向盘与转向器输出轴之间传递的转矩，并将其转矩的大小转化为电压值信号，送给ECU，是控制转向助力大小的一个重要决定因素。数据采集卡信号放大器计算机EPS上的扭矩传感器方向盘扭矩信号方向盘转角转向盘扭矩传感器光电编码器数据处理卡方向盘扭矩传感器主要测量转向盘输出扭矩的大小和方向，然后将其转化为相应的电压值传送给控制器的ECU。目前EPS使用的转矩传感器分为接触式和非接触式两种，前者有摆臂式和滑线式，后者有光电式和电感式。由于国内非接触式传感器的价格比较高，因此我们开发的电动助力转向系统采用摆臂式转矩传感器。转矩传感器的工作原理可以看成为一个电位计（如图32所示），它拥有双回路的输出，即是副扭矩的输出和主扭矩的输出。副扭矩的输出是为了诊断传感器的故障。主、副扭矩输出的特性如图33所示。当转矩传感器平常工作的时候，主扭矩和副扭矩的信号的平常范围都在14V。当方向盘位于中间位置时，扭矩传感器的主扭矩和副扭矩的输出电压都为25V；当方向盘向右旋转时，主扭矩的输出电压至少25V,副转矩的输出电压至多25V；当方向盘向左旋转时的情况正好相反。33电位计原理图34转矩传感器输出特性332角度传感器试验中需要测量方和记录向盘的转向角度，这就需要用到角度传感器，即旋转编码器。编码器的工作原理是塔采纳了光栅经光电变换，再将轴的角度的位移转变成电脉冲的信号。编码器通常安装在轴和轴直接测量的角落的一端，但在某些情况下，在相应的设备两端的轴外部的，那么你只能使用空集编码，测试台中转向齿轮输入轴端的是这种情况。编码器输出信号通常是在电脉冲的形式，采用光电编码器数据处理卡，就能测出对应的转角值，再传送至计算机作为对其他设备进行控制的依据。34伺服电机341伺服电机的原则伺服电机是通过控制脉冲数量与频率实现调速功能的，伺服驱动器就是来控制脉冲数量与频率。根据选用电机的一般原则基本条件电机的机械特性、启动、制动、调速及其它控制性能应满足机械特性和生产工艺过程的要求，电机工作过程中对电源供电质量的影响，应在容许的范围内；按预定的工作制、冷却方法基辅在情况所确定的电动机功率，电机的温升应在限定的范围内；根据环境条件、运行条件、安装方式、传动方式，选定电机的结构、安装、防护形式，保证电机可靠工作。合理选择电动机的功率电动机输出的最大功率是有限度的，如果电动机的功率选择过小，负载超过了电动机的额定输出功率就会发生电动机过载，过载时会出现电动机发热、振动、转速下降、声音异常等现象，严重过载时，将会烧毁电动机。而功率过大，则会造成经济浪费。规格选择在选择产品规格时可考虑在电源电压可调的场合，可按实际需要选择转矩、转速与产品相应的额定值接近的规格，通过改变电压得到所需转速；在电源电压固定的场合，如果没有适当规格的产品可供选用时，可先按转矩选择适当规格，而产品的电压与转速之间可作适当调整。综合考虑一次投资几运行费用，整个驱动系统经济、节能、合理、可靠和安全。伺服电机的位置环控制是通过脉冲来实现定位的，就是上机位给多少个脉冲伺服电机，伺服就走多少角度，但在电机变速时仍然可能出现滑动，即是工件在丝杆上行走或者升降的位移并不是伺服电机理论上的角度，需要通过传感器测量工件的位置提供反馈参数对伺服脉冲进行控制，实现闭环控制，在传感器的选择上，结合浸涂机的动作流程，所用传感器不需要接触到工件，当工件当工件靠近我们需要定位的位置时，传感器就产生感知报告给控制系统所以我们选用接近开关来检测。342伺服电机驱动器伺服驱动器是用来控制伺服电机的一种控制器，设计选用的伺服驱动器需与所选伺服电机匹配，根据松下伺服发布资料400W（小惯量）通用型MSMD042G1UMADHT2510脉冲型MSMD042G1UMADHT2510E，根据松下伺服电机驱动器说明书14，位置控制专用型的注明，所以伺服驱动器选用MADHT2510E型号，电源电压3相200V,电源设备容量09KVA，规格为50，50W。松下A系列伺服驱动器具有如下特点14采用松下公司独特算法，使速度频率响应提高2倍，达到500HZ；定位超调整定时间缩短为以往产品的1/4。具有共振抑制和控制功能可函盖机械的刚性不足，从而实现高速定位。具有全闭环控制功能通过外接高精度的光栅尺，构成全闭环控制，进一步提高系统精度。具有一系列方便使用的功能内藏频率解析功能（FFT）,从而可检测出机械的共振点，便于系统调整。有两种自动增益调整方式常规自动增益调整和实时自动增益调整。配备有RS485,RS232通信口，上位控制器可同时控制多达16个轴。4电动助力转向系统的助力特性曲线41EPS系统的助力特性分析对于轻便性的操纵稳定性实验，国家标准规定使汽车以1020KM/H的车速沿双扭线路径行驶,待车速稳定后,开始记录转向盘转角和作用力矩,并记录行驶车速作为监督参数。汽车沿双扭线绕行一周至记录起始位置,即完成一次试验。411迟滞曲线图41是车速为20KM/H,方向盘输入2HZ的正弦信号时输入扭矩输出电流变化曲线。因助力电机电感参数的影响,曲线出现一定的迟滞性。曲线迟滞的量化值可以作为考察控制器动态响应的衡量标准,并可以借此选配合适的电机。图41F2HZ时扭矩电流迟滞曲线在曲线上取点AL1N以及对应的BL1N,ALI和BLI的间隔为TLI,电流饱和时的扭矩值为NF,定义量化电流迟滞特性的函数L,记作11100车速（KM/H）频率/HZ2040608010000151012803302225623310525718703695679不同频率、不同车速下迟滞量当F变化时,即输入传感器信号变化越快,迟滞L越大F增大到一定值时,迟滞L随车速V的变化较小。L的大小可表示出不同EPS控制器对电流的控制快慢,即L越大迟滞越大。但L的阈值还需要大量台架试验后确定。412助力状态下EPS系统的主要性能EPS系统在助力状态下的主要性能，可用电机转矩TM或电流I在某一负载下随转向盘转矩TS变化的曲线簇助力特性曲线在试验台上表示，为了方便对性能的比较，1000N为试验常取的负载，实验条件取车速为080KM/H。由EPS助力特性曲线见图42可知1所有的助力曲线基本上均从死区端点以线性形式，随着转向盘转矩增加，直至达到最大的试验载荷。该系统死区范围在转向盘转矩上为1NM,电机的助力在死区内的电流为02该系统各特性曲线助力电流的最大值随车速的增大而减小当车速VA0KM/H时，转向盘转矩最小，电机电流最大，故有良好的轻便性；当车速VA80KM/H时,为增大转向盘转矩的手感，所以电机几乎不产生助力，助力电流很小。413助力特性曲线的特征参数助力特性曲线有四个基本的特征参数,分别为1开始提供助力时的转向盘输入力矩TD0。根据人的感觉来感受灵敏度，EPS系统不起作用时，转向盘输入力矩属于0，TD0区间内，此时助力为0。本课题参考相关资料，初步取TD010NM。2转向盘提供的最大助力输入转矩TDMAX。驾驶员的输入转矩极限应该超过TDMAX，并且能合理匹配整车及EPS系统，根据人的操纵手感，取TDMAX60NM。3助力特性曲线的梯度K。梯度为K的常数曲线是直线型助力特性曲线；有两个不同梯度的特性曲线是折线型助力的特性，分别为K1、K2，并且K1K2；而转向盘力矩的递增函数就是曲线型助力特性的梯度，要根据转向与路感和实际的调试与助力特性曲线梯度来确定。4车速感应系数KV。助力特性与车速的关系还没有确定的研究结果，只能确定随着车速的增加，助力的会变小。要根据KV对转向轻便性与路感的影响和实际调试来确定。42EPS系统的助力特性性能评价指标汽车转向操纵性能的评价指标有很多，如转向路感，转向灵敏度，操纵稳定性等等。为了分析转向系统性能，需要定义这些指标。其中的主要指标就是转向灵敏度，它能衡量汽车操纵性能，反应了转向动作对汽车的响应快慢，对汽车的操纵非常重要。图42EPS系统动力学示意图转向路感是衡量转向性能的另一个重要指标。最大可能的转向路感的舒适度应该是一个完美的转向系统能够为驾驶员提供的最好帮助。所以路感的定义为从输入阻力力矩到对于转向盘转角始终不变情况下，一个关于转向盘把所需要握力矩的传递函数。目前还处于探索和完善对汽车操控性的阶段，还没有较好的评价标准。转向系统和汽车横向动力学系统的综合稳定性就是稳定性，在以上定义的转向灵敏度函数中，这种稳定性得到了充分的体现，因此系统的稳定性应选择灵敏度函数的特征方程式来分析。5数据与信号采集的实现51数据与信号采集要求电动助力转向对中试验台的数据采集系统有角度、转矩2种信号，数据和信号的采集要求有4点1较强的实时性能。按顺序对多个输入通道提供的信息能够进行逐个检测，即巡回检测，或定向性检测某一个通道，即选择检测。2对电动助力转向系统的正常工作不造成影响。3保证采样的精度和频率与EPS所使用的数据相同。数据的采集的最后目的是检验EPS的工况，而且数据保持相同对EPS工况的分析有好处。4运用简便。可以采样进行检阅和办理当采集到的数据超出上下限值时，系统即判定电动助力转向系统或试验台系统发生故障，发出报警信号，提示操作人员处理；采样得到的数据保存在系统内包含有实时时钟，这个时钟可以保证系统可以定时中断采集过程，还可以表明采集数据的周期，给采样过程显示提供目前的时刻，操作人员能够根据它提供的信息针对性的分析采集结果。52数据与信号采集系统硬件结构数据采集硬件系统主要由计算机，信号处理装置，传感器，数字量信号输入/输出板以及A/D转换板等组成，其中的基本的结构如图51所示。在32节中已经对数据采集硬件系统做了初步的介绍。试验台传感器输出两种型信号，一种是数字信号，还有一种是模拟信号。而计算机仅能对数字信号进行处理，为了使计算机能够对模拟信号处理或存储，就必须将模拟信号转换为数字信号，主要通过数据采集卡对模拟信号进行采集和转换，然后输入计算机，通过计算机进行处理；由数字信号（光电编码器输出的脉冲信号）输入输出处理板来完成对数字信号的采集。本实验台中转矩信号经传感器和变送器采集和处理后得到的信号属于模拟信号；经光电编码器处理对方向盘角度信号处理输出后得到的信号是脉冲信号，属于数字信号。计算机A/D板信号处理扭矩传感器方向盘转矩计数器光电编码器方向盘转角图51数据采集硬件系统本实验台中所采用的数据采集卡是研华公司PCL818HD多功能数据采集卡，支持不同种类的数据采集方式，包括软件触发采集方式、中断触发采集方式和DMADIRECTMEMORYACCESS采集方式。软件触发编程数据采集编程虽然实现很容易，但是采集数据的速度很慢。DMA方式在数据采集过程不需要经过CPU影响，在外部设备与内存之间可以直接传递数据，DMA方式的采集速率基本和采集卡的最高采集速率对等。PCL818数据采集卡包含有16路单端或8路差分模拟量输入通道；40KHZ12位A/D转换器，100KHZ数据采集速率，带有DMA的自动通道/增益扫描；每个输入通道（最多8）的增益可进行编程；板上还有一个1K采样FIFO缓冲器和可编程中断；其中，软件可以被DMA自动通道/增益扫描电路代替，在采样期间由它来控制多路开关的切换。不同通道的增益值都存储在卡上的SRAM，而且SRAM能够对不同的通道使用对应的增益，对于多通道的高速采样，使用DMA数据传输功能来完成。53数据采集软件总体设计本次试验台应该的采用软件是VC的编程语言，运用了模块化构造。软件主要的作用是实时曲线显示，位置的设定，收集，数据时间显示，数据处理与保持等。方向盘通过试验台上面的输入电动机提供的扭矩信息经过扭矩传感器传输给PCL818的数据采集卡，数据采集卡将此模拟信号再转换为数字信号，通过采集软件进行存储等操作；安装在方向盘上的光电编码器将脉冲信号通过光电编码器数据处理卡输入到计算机中，然后运用采集软件，利用计算脉冲数量来判定方向盘的转角。该软件自带基本的数据存储等作用，还包括了实时数据以及曲线的显示，软件能够直接显示出系统工作时候的扭矩大小以及方向盘的转角，还可以通过软件察看它们之间的关联。软件的构造图如下所示（图52）。图52数据采集软件结构框图采用可视化WINDOWS编程技术可以获得良好的用户界面，VISUALC60能够运用到环境开发中去。WINDOWS是可以多个任务同时进行操作的系统，几个程序能够同时运行，几个任务以及多个任务之间的转换同时进行。相对PCL818HD的采样卡,其接口必须用特定的驱动程序来完成,它可以用来连接底层硬件和VC的开发程序。它的作用是将那些与硬件相关的复杂程序保存在一起,如果操作者需要对板卡进行各种操作，只需要通过调用程序来完成即可。这样就不需要编程人员完全了解板卡的物理结构,就可以在程序本身的开发上花跟多的精力,从而提高了效率。其基本操作流程如图53所示。例如在编写扭矩传感器的扭矩信号采集的软件过程中,可通过调用驱动函数来实现大部分程序的相关操作，即用软件触发编程来实现对扭矩传感器的扭矩信号采样，将其转换成数字量并。图53数据采集卡操作基本流程54系统抗干扰设计541干扰源分析由于实验环境相对复杂，故大概存在空间无线电波、交流接地系统、大功率电器设备、大电流的电力电线、高电压等对实验的干扰。它们产生的地电流、交变磁场和高压电场等很简单地影响工业控制的计算机过程通道的传播过程，扰乱在过程通道中的存在形成主要表现是共阻抗藕合、磁场辐合、静电辐合等方式。在高压电场的前提下，如果信号通道离高压回路和装置比较近，则会有电流通过电容，这电容是通过高压电线和信号线而形成的，再经接地电容接地，则电流会产生附加的干扰电压。这一过程称为静电辐射方式。产生变化的磁场是因为大电流是不可能恒定的，这个磁场会产生感应电动势，是叠加于信号电压上的过程称为磁场辐合方式。当同一阻抗有两个电路的电流通过时，将会产生阻抗耦合。一个电路会受到另一个电路的影响，这个影响产生在这个阻抗的电压，从而干扰电压信号在这个电路上形成。形成之后，输送到计算机系统中是通过信号线传递的。所以预防干扰的耦合、传导和形成是抗干扰的重点。这种方式是共阻抗藕方式。542硬件抗干扰1信息线的抉择考虑到受干扰的因素，以下几个要素是信号线选择所主要考虑的首先是信号受到干扰源的影响而使得干扰变大、信号的类别以及干扰的原因等。用来降低干扰的方法是，选择金属屏蔽电缆，或者分开电力线和双绞线信号线，另外将电缆尽量放在离干扰源远的地方。2屏障与接地办法电场的屏蔽、磁场的屏蔽以及电磁场的屏蔽是屏蔽的主要组成部分。必须接地的是电场屏蔽；而且其必须尽量减少静电场与信号线的电容，通过电磁锁产生的电压要少，且电力线中电场的传播应该尽量杜绝；减少干扰源与信号线的互感系数，削弱磁力线的传播。务必通过抉择符合的金属材料才能完成磁场的屏蔽。电磁场的屏蔽，一般所说的屏蔽多指电磁屏蔽，它能够通过选择合适的材料以及正确的接地两种方式同时进行来完成屏蔽。在输入、输出信号通道中，只要以铁质带状金属作为屏蔽保护层，对磁场藕合干扰也有比较好的屏蔽作用，屏蔽主要针对抗静电藕合干扰。并且遵循单点接地原则，防止形成干扰。3分离和滤波办法在通道信号回路产生干扰，如果要防止它传入微机系统，可以在信号通道中附加隔离系统。光电隔离技术是最宽泛利用的隔离方法。它具有的优点是输入阻抗非常小。但其干扰源内阻很大，且发光的条件是光电隔离器的发光二极管通过一定得驱动电流。因此即使干扰电压很高，但没有驱动，因此不能使二极管发生作用。55采集数据的过滤传感器受试验台的干扰很大，所以我们需要处理处理采集到的信号，软件滤波是必不可少的。主要的方法包括限幅滤波、算术平均值滤波和中值滤波等。其中限幅滤波法的定义是对于超过被测量可能是上下限的值，则可以被当做是偶然脉冲噪声引起，忽略该测量值。试验台系统在数据的采集过程中，一定会发生脉冲干扰，这个数据采集系统对模拟量用的数字法是结合很多优点，如抗脉冲干扰平均法和动平均滤波法。不仅能提高系统性能，也可以防止干扰，这个设置的数据个数是M个，每次更新不同的数据，主程序会调用一次子程序，然后去掉M个数据中的最