電動轉向對中試驗臺電控部分的設計本科畢業(yè)設計

1、電動轉向對中試驗臺電控部分的設計本科畢業(yè)設計摘 要電動助力轉向系統(tǒng)(EPS)是一種直接依賴電機提供輔助扭矩的動力轉向系統(tǒng)，它能夠很簡單地實完成不同車速供給不同助力成效的功能，確保汽車在低速行駛的時候輕巧靈便，在高速行駛的時候相對穩(wěn)定，有利于增加汽車的主動安全性，更加有利于環(huán)保，于是具有寬泛的應用前景。目前國內EPS對中試驗的研究報道較少，而EPS對中試驗是車輛制造中的一個重要環(huán)節(jié)。本文分析了電動助力轉向系統(tǒng)的工作原理，在此基礎上研究了電動助力轉向系統(tǒng)對中試驗對中方法，用以開發(fā)以計算機為控制核心的電動轉向系統(tǒng)對中試驗臺。本文分析了對中試驗，并研究了試驗臺信號采集系統(tǒng)的實現方法；對扭矩傳感器的各種

2、故障類型進行了研究，為對中試驗項目提供了檢測判定依據；在Windows操作系統(tǒng)下基于VC平臺對試驗臺測控軟件進行了模塊化的總體設計，包括硬件初始化模塊、數據采集模塊、數據輸出模塊、狀態(tài)采集模塊和狀態(tài)輸出模塊。該試驗臺能為后續(xù)實車試驗獲得所需的基本參數和算法，可降低實車路試試驗的危險性和研究成本，能有效地縮短EPS的開發(fā)周期，提供更加快速和安全的試驗環(huán)境。關鍵詞：電動助力轉向系統(tǒng)（EPS），試驗臺，數據采集，扭矩傳感器，對中ABSTRACTThe electric power steering system (EPS) is a power steering system which diect

3、 depends on the motor to provide auxiliary torque.it can easily be achieved booster effect at different speed .So the car is light and flexible at low speeds.The car is stability reliable at high speeds.EPS can improves the vehicles active safety and the environment. Therefore EPS has broad applicat

4、ion prospects. Currently in the country the study reported on the EPS test is fewer，and the middle of EPS test is an important part of vehicle. In this paper, test method for the middle of test bench for electric power steering is researched according to the work principle of electric power steering

5、. This method can be used to develop the middle of test bench for electric power steering, which takes industrial personal computer(IPC) as its control center.the middle of test for electric power steering is analyzed according to “Technical Conditions and Bench Test Method of Electric Power Steerin

6、g Devices”. Torque sensor, angle sensors, data acquisition card and other components are selected, the implementation of signal acquisition system is studied. The study of breakdown types for torque sensor provides the determination method of the middle of test items. Control software of the test be

7、nch is modular overall designed based on the VC platform in the windows operating system，including hardware initialization module, data acquisition module, data output, status acquisition module and the state output module.This test bench can obtain the necessary basic parameters and algorithms of f

8、ollow-up real vehicle testing and reduce the risk of real car road tests and research costs, it also can effectively reduce the development cycle of EPS, providing a more rapid and safe testing environment.Key words：electric power steering(EPS), test bench, data acquisition, Torque sensor, the middl

9、e of目 錄摘 要IABSTRACTII1 緒論11.1電動轉向系統(tǒng)概述11.1.1 電動轉向的基本概念11.1.2 電動助力轉向系統(tǒng)的組成和分類11.1.3電動助力轉向系統(tǒng)的工作原理31.2 電動轉向技術國內外研究現狀41.3 課題研究的目的和意義61.4 本文研究的主要內容和目標62 對中試驗臺的總體設計82.1 試驗臺整體介紹82.2 對中試驗項目92.3 試驗臺測試項目92.4 測量過程92.4.1 測量的操作過程92.4.2 測量的操作理論103 試驗臺的電控部分113.1試驗臺電控部分總體結構113.2 電控部分相關的主要部件113.2.1 驅動加載裝置113.2.2 傳感器11

10、3.2.3 信號與數據采集裝置123.2.4 工控機133.2.5 電子控制單元133.3 傳感器的選擇133.3.1 轉矩傳感器133.3.2 角度傳感器143.4 伺服電機143.4.1 伺服電機的原則143.4.2 伺服電機驅動器154電動助力轉向系統(tǒng)的助力特性曲線174.1 EPS系統(tǒng)的助力特性分析174.1.1遲滯曲線174.1.2 助力狀態(tài)下EPS系統(tǒng)的主要性能184.1.3 助力特性曲線的特征參數184.2 EPS系統(tǒng)的助力特性性能評價指標195 數據與信號采集的實現205.1 數據與信號采集要求205.2 數據與信號采集系統(tǒng)硬件結構205.3 數據采集軟件總體設計215.4系統(tǒng)

11、抗干擾設計245.4.1干擾源分析245.4.2硬件抗干擾245.5采集數據的過濾256 轉矩傳感器故障診斷266.1 轉矩傳感器常見故障和判別信號265.2 故障顯示電路265.3 安全防范措施277 總結與展望297.1 總結297.2 展望29參 考 文 獻311 緒論1.1電動轉向系統(tǒng)概述1.1.1 電動轉向的基本概念電動轉向系統(tǒng)是一個純電動動力轉向的裝置。電動助力轉向裝置包括了動力轉向控制器、傳感器、機械部件和電機等。一般把電動控制器、傳感器、機械部件和電機安裝在一起、控制器是另外的安裝、用電線束把他們和蓄電池（電源）連接在一起的結構稱為電動轉向系統(tǒng)的結構。也有把控制器和轉向器機械部

12、分安裝在一起的結構。電動助力轉向系統(tǒng)是一種通過電機為司機操縱包裝系統(tǒng)提供動力的設備。控制器（ECU）輸出電流來控制這種動力的大小。通過控制器的控制可為駕駛員在轉向過程中提供理想的電流，進而使電機提供最佳的轉向助力。扭矩傳感器、速度傳感器和發(fā)動機的信號通過ECU來采集，再通過計算來得到輸出的電流。電動助力轉向系統(tǒng)在汽車的轉向過程中依據不同的方向盤的旋轉速度、車速，精確的提供了不同的道路條件下的最佳的轉向助力活阻尼，這些都是在控制器（ECU）的操作下實現的。電動轉向器是在電子控制器作用下完成了控制電機的電流的變化大小，最后完成了不同的轉向動力。電動助力轉向系統(tǒng)（EPS）以蓄電池做為能源，用電機作為

13、動力元件，刻獨立于發(fā)動機外工作，且在不轉向時不工作，因此無“寄生損失”。由于電動助力轉向不需要采用液壓助力，不在采用油介質，無液體泄漏損失，減少了油污染的可能，對環(huán)境幾乎沒有污染。1.1.2 電動助力轉向系統(tǒng)的組成和分類EPS 系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機械式轉向系統(tǒng)的基礎上設計而成的，主要由車速傳感器、電子控制單元（ECU）、轉向盤轉矩和轉角傳感器、軸重傳感器、電磁機、電動機、減速機構和電磁離合器等組成。其電動助力轉向系統(tǒng)的結構框圖如圖1.1所示。圖1.1 電動助力轉向系統(tǒng)的結構框圖根據助力電機及其動力源的位置，EPS可分為4種類型C-EPS軸助力型、P-EPS小齒輪助力型、R-EPS齒條助力型和X-EP

14、S循環(huán)球型。 C-EPS:它的減速機構連同電機、傳感器一起安裝在轉向傳動管柱中間，下端用傳動軸與機械轉向器相連。 P-EPS:它的減速機構同電機、傳感器一起安裝在轉向器的小齒輪位置，成為一個整體。R-EPS:它的減速機構連同電機、傳感器一起安裝在轉向器的與小齒輪位置相對布置的另一側，另有一套小齒輪，與之嚙合的同一齒條上夜有齒形，這樣組合成為一個整體。X-EPS:在循環(huán)球電動轉向器中，扭距傳感器、直流電機、減速裝置和循環(huán)求機械轉向器是安裝成一體的。轉向傳動軸是獨立的，他與機械轉向器輸入軸機械相連；二控制器與扭距傳感器、直流電機是用電線來連接的。幾種類型的電動助力轉向系統(tǒng)結構如圖1.2示。圖1.2

15、 助力轉向系統(tǒng)的幾種類型結構1.1.3電動助力轉向系統(tǒng)的工作原理汽車不轉向時，電動機不工作。當駕駛員操縱方向盤轉向時，安裝在轉向軸上的扭矩和旋轉角度傳感器將所檢測到的扭矩和旋轉角的方向和大小信號輸入給電子控制器。速度傳感器、軸重傳感器等也將每個檢測到的信號輸入給ECU。電子控制器依據所得到的信號，并與所測試的助力電機的電流反饋信號相結合，進行了操作處理，用于肯定電機的助力電流方向和大小。此電流就是所需要的助力扭矩，由電磁離合器通過減速的機構增加轉矩及減速以后，加在轉向軸使的得到一個與汽車行駛工作狀況相符合的轉向作用力。當ECU測試到異常信號的時候，應該立即切斷電磁離合器，撤出助力模式，并且打開

16、故障指示燈。其EPS系統(tǒng)控制簡圖如圖1.3所示。圖1.3 EPS系統(tǒng)控制簡圖1.2 電動轉向技術國內外研究現狀這一模式延用至今主要是因為國內在助力轉向系統(tǒng)的研發(fā)上開始的比較晚起點比較低，這個情況下導致了目前國內仍未在這一方面取得重大的突破和成就。長期以來，國內高檔轎車都是以高昂的價格引進國外先進的ESP相關系統(tǒng)，而中低檔的轎車卻沒有能力承受如此昂貴的費用，因為這不僅大大地增加了汽車行業(yè)的生產成本，同時也無形中為消費者增添了負擔。國外公司對EPS技術的研究一直處于領先低位，而對這一技術的壟斷也是造成國內EPS技術研究遲遲不前的重要因素，因此為了打破這一技術的局限，順利解決國內汽車在助力轉向系統(tǒng)的

17、落后問題，促進企業(yè)和技術的發(fā)展進步，許多汽車廠家開始聯合科研機構共同開發(fā)EPS產品。 就目前來看，國內廠家在研究EPS控制系統(tǒng)上投入了大量的人力、物力；而另一方面，EPS控制系統(tǒng)試驗臺的研究設計也在有條不紊地進行，這將成為EPS控制系統(tǒng)研發(fā)的重要支撐。所以本課題的設計在提升EPS技術方面具有重要的意義。 國內也有許多大學在從事汽車EPS試驗臺的研究，比如吉林大學和北京理工大學共同開發(fā)的試驗臺產品就有便于使用，相對穩(wěn)定的運行，可靠等特點，所測試結果的精度以及效率都能達到標準，適用EPS的基本性能的測試和控制系統(tǒng)的開發(fā)。 清華大學的汽車工程系的老師和教授同時做手對EPS性能試驗臺進行設計研究，并取

18、得了較大的進展，而且對從國外進口的EPS內部所包括的轉矩傳感器以及電機電流傳感器等采取了標定，再進行了對臺架整體性能的測控和試驗。最后所得到的測試的結果為以后EPS有關的傳感器以及控制器元件的選取、探索開發(fā)研究和其控制方式的采取都有很大的參考價值。 江蘇省首屆人才高峰資助的計劃項目之一“轎車的電動助力轉向系統(tǒng)開發(fā)與研究”是由隸屬于江蘇大學下的汽車工程的重點實驗室來開展。該課題研究組目前已經取得了較大的成果，開發(fā)出了以轉向軸作為驅動形式的EPS性能試驗臺及其樣機；并為之類汽車的電動助力的轉向器樣機設計好相應的EPS性能試驗以及EPS可靠性試驗，路試了幾百公里并且完成了超過10000公里的可靠性試

19、驗。結果表明，項目的研究達到了預期的目標，取得了重要成果，該實驗平臺元轉穩(wěn)定，性能可靠。也填補了國內的空白，使國外公司不在對該技術壟斷。因此，國內研究的具有自主知識產權的EPS，提升了國內助力轉向類汽車產品的科技含量，增強了相應國內產品的市場競爭力，而且對國內汽車類零部件產業(yè)的發(fā)展起著較為深遠的影響。 自從美國通用汽車公司在1953年首次在其生產的車輛上安裝HPS以來，汽車的超控性能得到顯著提升，人們不再需要大直徑轉向盤以提供足夠的轉向力。汽車助力轉向系統(tǒng)是對于汽車轉向系統(tǒng)來說是必不可少的，它的存在直接影響了汽車駕駛的穩(wěn)定性、舒適性，使汽車的行駛安全性提高。相對于傳統(tǒng)的機械式轉向，液壓轉向系統(tǒng)

20、擁有諸多優(yōu)點，不過它依然具有的許多缺陷會造成一些不必要的麻煩。伴隨著電子技術的不斷成長特別是迅速成熟起來的微電子技術為新型的電子控制式助力轉向系統(tǒng)的產生提供了有利條件。上世紀80年代，自日本鈴木公司首次開發(fā)出EPS后，日本多家汽車公司相繼開發(fā)出適合各公司車型的EPS?，F日本精工已然成為世界最大的EPS生產廠，占全球的30%。1993年本田汽車公司首次將EPS裝備進行批量產生；與此同時，一款暢銷歐洲大陸的經濟廉價轎車在裝備德爾菲公司所生產的EPS的條件下取得了明顯的銷售提升成果。 由于完全不需要液壓裝置，用電能取代了液壓能，減少了系統(tǒng)的能耗且環(huán)保，而且具有卓越的性能，EPS技術很快就使用在國外各

21、大公司的汽車中。EPS系統(tǒng)已經被廣泛地應用于各公司的中高檔轎車以及中型以上的貨車。盡管EPS這一新興技術的強大功能得到了大家的認同，但由于電子產品在當時價格較高，導致EPS成本較高。使其在實際生產中的應用受到了較大的限制。 直到近些年，微電子產品價格大跌，同時EPS通過長時間的發(fā)展，技術也日趨成熟。與此同時，因為EPS在一些生產公司也投入使用，EPS本身的性能也決定了其強大的吸引力，所以，許多公司及研究所都不斷地加強了在研究轉向系統(tǒng)方面的投入，由此EPS迎來了一輪新的研發(fā)浪潮，整個行業(yè)進入了朝氣蓬勃的大好時代。從國內外的研究來看,EPS今后的研究主要集中在以下幾方面：(1)系統(tǒng)匹配技術。助力特

22、性、電機及其減速機構、傳感器以及其EPS系統(tǒng)與其它子系統(tǒng)進行匹配。是使整車性能達到最優(yōu)的關鍵。(2) EPS助力控制策略。一種依靠減速機構把助力電機的輸出的力矩作用到機械轉向系統(tǒng)上的一種助力控制的基本控制模式，為減輕方向盤的操縱力，助力控制策略的主要方法是依據助力特性曲線，經過計算來確定助力電動機輸出的助力矩大小，幫助駕駛員便于實現汽車轉向控制?？刂撇呗允荅PS系統(tǒng)的重點研究方向。(3) 可靠性。轉向系統(tǒng)是駕乘人員的重要工具，必須保證它的可靠性。優(yōu)秀的EPS不僅僅擁有良好的硬件環(huán)境，更需要良好的軟件來滿足應用需求。所以EPS的可靠性需要很高的要求。EPS系統(tǒng)的助力形式也由低速、轉向柱助力型向全

23、速、齒條助力型發(fā)展。由于技術、制造和維修成本等多種原因，目前汽車轉向系統(tǒng)仍以液壓助力的HPS(包括ECHPS、EHPS)為主。線控轉向系統(tǒng)由于成本高以及現有法規(guī)限制等原因,在近期也很難在車輛上進行裝配。EPS具有節(jié)能與環(huán)保等諸多優(yōu)點,EPS取代HPS是今后一段時間內汽車轉向系統(tǒng)發(fā)展的趨勢和研究重點。1.3 課題研究的目的和意義本課題的目的及意義是：目前的對中主要是依靠人工操作，工人勞動強度大，生產效率低，在在更換試驗件過程中，會造成人力、時間上的浪費，而且精度也較難控制。研制開發(fā)自動浸涂機。研制汽車電動助力轉向裝置的對中系統(tǒng)的意義在于改變落后陳舊的生產力，減少人為參與因素的質量不穩(wěn)定性、均勻性

24、，提升企業(yè)形象的需要，使生產效率大大提高，產品質量的穩(wěn)定性也獲得提高。1.4 本文研究的主要內容和目標在試驗臺中，需要獲取和處理的信號有轉向角度信號與轉向盤轉矩信號。通過這些信號來調節(jié)EPS上的扭矩傳感器的位置使的EPS對中。獲取這些信號的方法和調節(jié)EPS上的扭矩傳感器的位置就是本文研究的主要內容。本文研究的主要內容為：1 確定電動助力轉向對中試驗臺的總體結構方案；2 試驗臺轉向力加載系統(tǒng)的設計；3 試驗臺測控系統(tǒng)的分析和設計，包括轉向角度測控裝置、扭矩傳感器的分析等；4 信號和數據采集處理系統(tǒng)的設計；5 試驗臺控制系統(tǒng)軟件總體設計。2 對中試驗臺的總體設計2.1 試驗臺整體介紹EPS對中試驗

25、臺工作原理：伺服電機模擬駕駛員轉動轉向盤，轉向盤轉矩由電動助力轉向系統(tǒng)上的轉矩傳感器測量，轉向盤轉角由安裝在轉向軸上的光電編碼器測出。在 EPS對中系統(tǒng)的同時，試驗臺的測控系統(tǒng)會測量并記錄各種傳感器的信號，調整EPS上的扭矩傳感器的位置，使得EPS系統(tǒng)的對中。 電動轉向試驗臺的組成： 1 轉向機構 2 直流電機，通過減速機構和轉向柱連接 3 試驗臺，用于固定個部件 4 扭距傳感器 5 車速信號模擬裝置和控制電路板 6 電源 7 數據采集卡扭矩信號角度信號信號放大器數據采集卡計算機顯示器數據庫EPS上的扭矩傳感器角度傳感器圖2.1 電動助力轉向系統(tǒng)對中試驗臺設計框圖試驗臺結構總框圖如圖2.1所示

26、，通過傳感器來獲得信息，這些信息為： EPS中轉向盤的主扭矩、轉向盤的轉向角度。把這些量通過數據采集卡傳送到計算機上，來分析EPS是否對中，然后然后通過改變EPS裝置上的扭矩傳感器的位置，使EPS達到對中。2.2 對中試驗項目將被試裝置安裝于實驗臺上，裝置的安裝角度應與整車安裝角度一致，使系統(tǒng)能正常工作。電動機先以20km/h轉速正向轉動，當轉動穩(wěn)定時，通過計算機分三次間斷記錄下三圈完整的扭矩信號，然后電動機反向轉動，同理記錄下相應的扭矩信號。測算正轉和反轉的最大扭矩信號的中間值是否位于橫軸5%的區(qū)間范圍內，若在，則被測試裝置合格；若不在，調整扭矩傳感器的位置，重復上述操作，直至被測裝置符合標

27、準為止。2.3 試驗臺測試項目根據以上可靠性試驗項目的內容和要求，需要測試的數據項目有：轉向盤角度和轉向盤轉矩。根據對中試驗的內容和要求，需對轉向盤的轉矩和角度進行檢測。轉向盤的轉矩由傳感器采集轉換后，經信號放大器處理后傳送至數據采集卡，再經數據采集卡進行A/D轉換處理后輸入計算機，集成試驗臺控制系統(tǒng)的計算機顯示數據，根據這些信號來調整扭矩傳感器的位置，使得電動助力轉向系統(tǒng)對中。安裝在方向盤上的光電編碼器將脈沖信號通過光電編碼器數據處理卡輸入到計算機中，由采集軟件通過計算脈沖數的大小來得到方向盤的轉角。2.4 測量過程2.4.1 測量的操作過程對中就是使得傳感器處于某個位置（即對中位置），電動

28、機先以20km/h帶動輸入軸，當轉動穩(wěn)定是，通過計算機分三次間斷幾路下1.5圈的完整的扭矩信號，然后電動機反向轉動，通例記錄下相應的扭矩信號，在這1.5圈的數據中測算正傳和反轉的最大扭矩信號的中間值是否位于最大扭矩信號的5%的區(qū)間范圍內如果在，表示被測試的裝置合格即EPS對中完成，如果不在的話，調整扭矩傳感器的位置，重復上述的操作，直至被測裝置符合標準。例如：在左轉1.5圈中，測的最大扭矩值為-0.6mv，右轉為+1.8mv，中間值為1.2，相差50%，表示該被測試的裝置不合格（即未完成對中），這就需要改變扭矩傳感器的位置，直至找到對中位置為止（被測裝置已經對中）。操作的電路原理圖如圖2.2所

29、示.圖2.2操作的電路原理圖2.4.2 測量的操作理論從扭矩傳感器的工作原理圖可以看出，當傳感器處于中間位置時，右轉和左轉產生的扭矩是一樣的時候。即傳感器表示為主扭矩的電壓值與副扭矩的電壓值之差的絕對值是一樣的。例如當扭矩傳感器處于對中位置時，右轉，轉矩達到最大時，主扭矩IN+為5v,副扭矩為0v，電壓差為5v；左轉，轉矩達到大時，主扭矩IN+為0v,副扭矩為-5v，電壓差為-5v。當傳感器的位置處于對中位置時，汽車方向盤沒有受左右力，主扭矩和副扭矩的輸出電壓為2.5v，電壓差為0v，扭矩傳感器將信號傳給助力系統(tǒng)，不需要提供助力。當傳感器的位置不對中位置時，傳感器傳出的扭矩信號不是0，助力系統(tǒng)

30、將會多給或者少給助力。因此我們可以通過這個理論來對中。3 試驗臺的電控部分3.1試驗臺電控部分總體結構圖3.1 試驗臺電控部分結構圖試驗臺電控部分結構圖如圖3.1所示，其中：1-轉角信號；2-扭矩信號；3-報警燈控制；4-蓄電池電源控制；5-伺服電機電源控制；6-伺服電機控制信號3.2 電控部分相關的主要部件3.2.1 驅動加載裝置為實現對EPS的可控加載，采用伺服電機（松下MSMA系列）驅動加載機構進行轉向力的輸入。輸入電機由工控機通過伺服電機驅動器進行控制。由于本試驗的主要功能是檢測EPS的對中狀況，而對EPS的性能，可靠性等數據關注不高，所以不需要對輸出軸加載負載。3.2.2 傳感器試驗

31、臺信號列表表3.1序號信號信號源類型占用通道信號標準1角度信號角度傳感器模擬量1PWM方波2轉矩信號轉矩傳感器模擬量2PWM方波傳感器是可以理解被測的量的消息，并可以將這些消息遵照一定的規(guī)則更迭為能夠用輸出的信息的器材。在現實的測量中，隨時間變化的動態(tài)信號是其中大部分被測量，精確反映被測量的大小這就成為傳感器最主要的輸出功能，重現隨時間變化的被測量的規(guī)律也必須正確，即需要動態(tài)特性要好的傳感器。在本系統(tǒng)中待檢測信號是轉矩信號和角度信號。試驗臺信號如表3.1所示。二種傳感器的選型將在3.3節(jié)中詳細介紹。3.2.3 信號與數據采集裝置數據采集(DAQ)，是指從傳感器和其它待測設備等模擬和數字被測單元

32、中自動采集非電量或者電量信號,送到上位機中進行分析,處理。數據采集系統(tǒng)是結合基于計算機或者其他專用測試平臺的測量軟硬件產品來實現靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。本次設計采用的是PCL-818HD型號的數據采集卡，該型號的采集卡有四個通道，每通道的最高采樣速率51.2Ks/s,輸入電壓范圍5v，采樣分辨率為24位， 該采集卡需要USB總線供電并且能夠高速USB數據傳輸。PCL-818HD采集卡的線性相位特性比同類數據采集卡更好些，如果采集卡的相位特性是非線性的，會使得信號的不同頻率成分之間存在大概幾度的相對相位差。這種現象對于大多數機器狀態(tài)監(jiān)測方面的應用來說可能并不明顯，但是對于專業(yè)的音頻測試設備

33、來說，可能會造成麻煩，所以要選擇線性相位特性好點的。其次，本次設計給數據采集卡提供電源的是24v的直流電源，但PCL-818HD的數據采集卡耦合方式為交流耦合。PCL-818HD數據采集卡是可以通過編程來確定耦合方式直流還是交流，所選擇該數據采集卡很好的選項。另外該型號的數據采集卡內置信號調理器，適用多種傳感器，多種端子可選，適用不同環(huán)境和不同傳感器；采樣速率快，每通道的最大采樣速率51.2Ks/s，比同類采集卡的采樣速率的高一點。PCL-818HD動態(tài)信號采集模塊是振動及聲學數據記錄應用中的理想選擇，因為工程師能夠自由開關IEPE調理及選擇AC或DC耦合。模塊提供了24位分辨率，102 dB

34、的動態(tài)范圍及抗混疊濾波器。PCL-818HD模塊能與PCL的聲音及振動測量套件配合使用，套件包括聲音及振動助手，通過提供獨立、交互式的分析采集環(huán)境來簡化噪聲及振動信號的采集和分析。獨立軟件支持在磁盤記錄數據同時，實時修改數據分析設置。信號與數據采集系統(tǒng)硬件如圖3.2所示。數據采集卡信號放大器計算機EPS上的扭矩傳感器方向盤扭矩信號方向盤轉角轉向盤扭矩傳感器光電編碼器數據處理卡方向盤圖3.2 數據采集系統(tǒng)硬件框圖3.2.4 工控機整個測控系統(tǒng)由工業(yè)控制計算機來控制。工控機具有以下優(yōu)點：1、開發(fā)工具齊全；2、計算速度快；3、應用程序接口和圖形界面友好。3、工控機可以存儲很多數據用于分析，即存儲容量

35、大。另外，工控機可以適用于多數編程語言以及DOS、UNIX、NT/2000等操作系統(tǒng)，這位軟件和硬件的開發(fā)提供了很大的便利。現在的工業(yè)設計計算機技術已經能夠完全達到要求。3.2.5 電子控制單元EPS的電子控制單元（ECU）處理芯片通常有兩種方式，第一種是采用一個8位單片機系統(tǒng)或者一個16位電機。另一種采用數字信號也可以達到要求。ECU由數字信號處理器（或單片機）、雙橋臂脈寬調制信號輸出MOSFET、功率開關驅動器等組成。根據車速、轉向盤扭矩等信號，以及進行分析后發(fā)出的指令，控制離合器與電機的動作組成了ECU的功能特點。另外，ECU也具有自我診斷以及安全保護的功能，其工作狀態(tài)時通過采集電動機的

36、電壓、電流、發(fā)動機工作狀況等信號，如果工作狀態(tài)異常，則助力會自動取消，系統(tǒng)狀態(tài)會自動轉換成手動。這時ECU會進行故障分析診斷。3.3 傳感器的選擇3.3.1 轉矩傳感器轉矩傳感器是為了測定方向盤與轉向器輸出軸之間傳遞的轉矩，并將其轉矩的大小轉化為電壓值信號，送給ECU，是控制轉向助力大小的一個重要決定因素。扭矩傳感器主要測量轉向盤輸出扭矩的大小和方向，然后將其轉化為相應的電壓值傳送給控制器的ECU。目前EPS使用的轉矩傳感器分為接觸式和非接觸式兩種，前者有擺臂式和滑線式，后者有光電式和電感式。由于國內非接觸式傳感器的價格比較高，因此我們開發(fā)的電動助力轉向系統(tǒng)采用擺臂式轉矩傳感器。轉矩傳感器的工

37、作原理可以看成為一個電位計（如圖3.2所示），它擁有雙回路的輸出，即是副扭矩的輸出和主扭矩的輸出。副扭矩的輸出是為了診斷傳感器的故障。主、副扭矩輸出的特性如圖3.3所示。當轉矩傳感器平常工作的時候，主扭矩和副扭矩的信號的平常范圍都在1-4V。當方向盤位于中間位置時，扭矩傳感器的主扭矩和副扭矩的輸出電壓都為2.5V；當方向盤向右旋轉時，主扭矩的輸出電壓至少2.5V,副轉矩的輸出電壓至多2.5V；當方向盤向左旋轉時的情況正好相反。 3.3 電位計原理圖 3.4 轉矩傳感器輸出特性3.3.2 角度傳感器試驗中需要測量方和記錄向盤的轉向角度，這就需要用到角度傳感器，即旋轉編碼器。編碼器的工作原理是：塔

38、采納了光柵經光電變換，再將軸的角度的位移轉變成電脈沖的信號。編碼器通常安裝在軸和軸直接測量的角落的一端，但在某些情況下，在相應的設備兩端的軸外部的，那么你只能使用空集編碼，測試臺中轉向齒輪輸入軸端的是這種情況。編碼器輸出信號通常是在電脈沖的形式，采用光電編碼器數據處理卡，就能測出對應的轉角值，再傳送至計算機作為對其他設備進行控制的依據。3.4 伺服電機3.4.1 伺服電機的原則伺服電機是通過控制脈沖數量與頻率實現調速功能的，伺服驅動器就是來控制脈沖數量與頻率。根據選用電機的一般原則：基本條件：電機的機械特性、啟動、制動、調速及其它控制性能應滿足機械特性和生產工藝過程的要求，電機工作過程中對電源

39、供電質量的影響，應在容許的范圍內；按預定的工作制、冷卻方法基輔在情況所確定的電動機功率，電機的溫升應在限定的范圍內；根據環(huán)境條件、運行條件、安裝方式、傳動方式，選定電機的結構、安裝、防護形式，保證電機可靠工作。合理選擇電動機的功率：電動機輸出的最大功率是有限度的，如果電動機的功率選擇過小，負載超過了電動機的額定輸出功率就會發(fā)生電動機過載，過載時會出現電動機發(fā)熱、振動、轉速下降、聲音異常等現象，嚴重過載時，將會燒毀電動機。而功率過大，則會造成經濟浪費。規(guī)格選擇：在選擇產品規(guī)格時可考慮：在電源電壓可調的場合，可按實際需要選擇轉矩、轉速與產品相應的額定值接近的規(guī)格，通過改變電壓得到所需轉速；在電源電

40、壓固定的場合，如果沒有適當規(guī)格的產品可供選用時，可先按轉矩選擇適當規(guī)格，而產品的電壓與轉速之間可作適當調整。 綜合考慮一次投資幾運行費用，整個驅動系統(tǒng)經濟、節(jié)能、合理、可靠和安全。伺服電機的位置環(huán)控制是通過脈沖來實現定位的，就是上機位給多少個脈沖伺服電機，伺服就走多少角度，但在電機變速時仍然可能出現滑動，即是工件在絲桿上行走或者升降的位移并不是伺服電機理論上的角度，需要通過傳感器測量工件的位置提供反饋參數對伺服脈沖進行控制，實現閉環(huán)控制，在傳感器的選擇上，結合浸涂機的動作流程，所用傳感器不需要接觸到工件，當工件當工件靠近我們需要定位的位置時，傳感器就產生感知報告給控制系統(tǒng)所以我們選用接近開關來

41、檢測。3.4.2 伺服電機驅動器伺服驅動器是用來控制伺服電機的一種控制器，設計選用的伺服驅動器需與所選伺服電機匹配，根據松下伺服發(fā)布資料：400W（小慣量）通用型MSMD042G1U +MADHT2510脈沖型MSMD042G1U+MADHT2510E，根據松下伺服電機驅動器說明書14，位置控制專用型的注明，所以伺服驅動器選用MADHT2510E型號，電源電壓3相200V,電源設備容量0.9KVA，規(guī)格為50，50W。松下A系列伺服驅動器具有如下特點14：采用松下公司獨特算法，使速度頻率響應提高2倍，達到500HZ；定位超調整定時間縮短為以往產品的1/4。具有共振抑制和控制功能：可函蓋機械的剛

42、性不足，從而實現高速定位。具有全閉環(huán)控制功能：通過外接高精度的光柵尺，構成全閉環(huán)控制，進一步提高系統(tǒng)精度。具有一系列方便使用的功能：內藏頻率解析功能（FFT）,從而可檢測出機械的共振點，便于系統(tǒng) 調整。有兩種自動增益調整方式：常規(guī)自動增益調整和實時自動增益調整。配備有RS485,RS232通信口，上位控制器可同時控制多達16個軸。4電動助力轉向系統(tǒng)的助力特性曲線4.1 EPS系統(tǒng)的助力特性分析對于輕便性的操縱穩(wěn)定性實驗，國家標準規(guī)定: 使汽車以10 20km /h的車速沿雙扭線路徑行駛,待車速穩(wěn)定后, 開始記錄轉向盤轉角和作用力矩,并記錄行駛車速作為監(jiān)督參數。汽車沿雙扭線繞行一周至記錄起始位置

43、, 即完成一次試驗。4.1.1遲滯曲線圖4.1是車速為20 km/ h,方向盤輸入2Hz的正弦信號時輸入扭矩-輸出電流變化曲線。因助力電機電感參數的影響, 曲線出現一定的遲滯性。曲線遲滯的量化值可以作為考察控制器動態(tài)響應的衡量標準, 并可以借此選配合適的電機。圖4.1 f = 2 Hz 時扭矩-電流遲滯曲線 在曲線上取點A L 1- n 以及對應的B L 1-n ,AL i 和B L i 的間隔為TL i , 電流飽和時的扭矩值為Nf , 定義量化電流遲滯特性的函數L% , 記作:L%=1nNfi=1nTLi100%頻率/HZ車速（km/ h）20406080100001.510.12.80.

44、330222.56.23.31.052.571.870.369.567.9不同頻率、不同車速下遲滯量當f變化時,即輸入傳感器信號變化越快,遲滯L%越大;f增大到一定值時,遲滯L%隨車速V的變化較小。L%的大小可表示出不同EPS控制器對電流的控制快慢, 即L越大遲滯越大。但L%的閾值還需要大量臺架試驗后確定。4.1.2 助力狀態(tài)下EPS系統(tǒng)的主要性能EPS系統(tǒng)在助力狀態(tài)下的主要性能，可用電機轉矩Tm(或電流I)在某一負載下隨轉向盤轉矩Ts變化的曲線簇(助力特性曲線)在試驗臺上表示，為了方便對性能的比較，1000N為試驗常取的負載，實驗條件取車速為080 km/ h。由EPS助力特性曲線(見圖4.

45、2)可知：(1)所有的助力曲線基本上均從死區(qū)端點以線性形式，隨著轉向盤轉矩增加，直至達到最大的試驗載荷。該系統(tǒng)死區(qū)范圍在轉向盤轉矩上為1Nm,電機的助力在死區(qū)內的電流為0;( 2)該系統(tǒng)各特性曲線助力電流的最大值隨車速的增大而減小:當車速Va= 0 km/ h時，轉向盤轉矩最小，電機電流最大，故有良好的輕便性；當車速Va80 km/ h時,為增大轉向盤轉矩的手感，所以電機幾乎不產生助力，助力電流很小。4.1.3 助力特性曲線的特征參數助力特性曲線有四個基本的特征參數,分別為:(1) 開始提供助力時的轉向盤輸入力矩Td0。根據人的感覺來感受靈敏度，EPS系統(tǒng)不起作用時，轉向盤輸入力矩屬于0，Td

46、0區(qū)間內，此時助力為0。本課題參考相關資料，初步取Td0=1.0 Nm。(2) 轉向盤提供的最大助力輸入轉矩Tdmax。駕駛員的輸入轉矩極限應該超過Tdmax，并且能合理匹配整車及EPS系統(tǒng)，根據人的操縱手感，取Tdmax=6.0Nm。(3) 助力特性曲線的梯度K。梯度為K的常數曲線是直線型助力特性曲線；有兩個不同梯度的特性曲線是折線型助力的特性，分別為K1、K2，并且K1K2；而轉向盤力矩的遞增函數就是曲線型助力特性的梯度，要根據轉向與路感和實際的調試與助力特性曲線梯度來確定。(4) 車速感應系數Kv。助力特性與車速的關系還沒有確定的研究結果，只能確定隨著車速的增加，助力的會變小。要根據Kv

47、對轉向輕便性與路感的影響和實際調試來確定。4.2 EPS系統(tǒng)的助力特性性能評價指標汽車轉向操縱性能的評價指標有很多，如轉向路感，轉向靈敏度，操縱穩(wěn)定性等等。為了分析轉向系統(tǒng)性能，需要定義這些指標。其中的主要指標就是轉向靈敏度，它能衡量汽車操縱性能，反應了轉向動作對汽車的響應快慢，對汽車的操縱非常重要。圖4.2 EPS系統(tǒng)動力學示意圖轉向路感是衡量轉向性能的另一個重要指標。最大可能的轉向路感的舒適度應該是一個完美的轉向系統(tǒng)能夠為駕駛員提供的最好幫助。所以路感的定義為：從輸入阻力力矩到對于轉向盤轉角始終不變情況下，一個關于轉向盤把所需要握力矩的傳遞函數。目前還處于探索和完善對汽車操控性的階段，還沒

48、有較好的評價標準。轉向系統(tǒng)和汽車橫向動力學系統(tǒng)的綜合穩(wěn)定性就是穩(wěn)定性，在以上定義的轉向靈敏度函數中，這種穩(wěn)定性得到了充分的體現，因此系統(tǒng)的穩(wěn)定性應選擇靈敏度函數的特征方程式來分析。5 數據與信號采集的實現5.1 數據與信號采集要求電動助力轉向對中試驗臺的數據采集系統(tǒng)有角度、轉矩2種信號，數據和信號的采集要求有4點:1.較強的實時性能。按順序對多個輸入通道提供的信息能夠進行逐個檢測，即巡回檢測，或定向性檢測某一個通道，即選擇檢測。2.對電動助力轉向系統(tǒng)的正常工作不造成影響。3. 保證采樣的精度和頻率與EPS所使用的數據相同。數據的采集的最后目的是檢驗EPS的工況，而且數據保持相同對EPS工況的分

49、析有好處。4.運用簡便?？梢圆蓸舆M行檢閱和辦理;當采集到的數據超出上下限值時，系統(tǒng)即判定電動助力轉向系統(tǒng)或試驗臺系統(tǒng)發(fā)生故障，發(fā)出報警信號，提示操作人員處理；采樣得到的數據保存在系統(tǒng)內;包含有實時時鐘，這個時鐘可以保證系統(tǒng)可以定時中斷采集過程，還可以表明采集數據的周期，給采樣過程顯示提供目前的時刻，操作人員能夠根據它提供的信息針對性的分析采集結果。5.2 數據與信號采集系統(tǒng)硬件結構數據采集硬件系統(tǒng)主要由計算機，信號處理裝置，傳感器，數字量信號輸入/輸出板以及A/D 轉換板等組成，其中的基本的結構如圖5.1所示。在3.2節(jié)中已經對數據采集硬件系統(tǒng)做了初步的介紹。試驗臺傳感器輸出兩種型信號，一種是

50、數字信號，還有一種是模擬信號。而計算機僅能對數字信號進行處理，為了使計算機能夠對模擬信號處理或存儲，就必須將模擬信號轉換為數字信號，主要通過數據采集卡對模擬信號進行采集和轉換，然后輸入計算機，通過計算機進行處理；由數字信號（光電編碼器輸出的脈沖信號）輸入輸出處理板來完成對數字信號的采集。本實驗臺中轉矩信號經傳感器和變送器采集和處理后得到的信號屬于模擬信號；經光電編碼器處理對方向盤角度信號處理輸出后得到的信號是脈沖信號，屬于數字信號。計算機A/D板信號處理扭矩傳感器方向盤轉矩計數器光電編碼器方向盤轉角圖5.1 數據采集硬件系統(tǒng)本實驗臺中所采用的數據采集卡是研華公司PCL-818HD多功能數據采集

51、卡，支持不同種類的數據采集方式，包括軟件觸發(fā)采集方式、中斷觸發(fā)采集方式和DMA(Direct Memory Access)采集方式。軟件觸發(fā)編程數據采集編程雖然實現很容易，但是采集數據的速度很慢。DMA方式在數據采集過程不需要經過CPU影響，在外部設備與內存之間可以直接傳遞數據，DMA方式的采集速率基本和采集卡的最高采集速率對等。PCL-818數據采集卡包含有16路單端或8路差分模擬量輸入通道；40 kHz12位A/D轉換器，100KHz數據采集速率，帶有DMA的自動通道/增益掃描；每個輸入通道（最多 8）的增益可進行編程；板上還有一個1K采樣FIFO緩沖器和可編程中斷；其中，軟件可以被DMA

52、自動通道/增益掃描電路代替，在采樣期間由它來控制多路開關的切換。不同通道的增益值都存儲在卡上的SRAM，而且SRAM能夠對不同的通道使用對應的增益，對于多通道的高速采樣，使用DMA數據傳輸功能來完成。5.3 數據采集軟件總體設計本次試驗臺應該的采用軟件是VC的編程語言，運用了模塊化構造。軟件主要的作用是實時曲線顯示，位置的設定，收集，數據時間顯示，數據處理與保持等。方向盤通過試驗臺上面的輸入電動機提供的扭矩信息經過扭矩傳感器傳輸給PCL-818的數據采集卡，數據采集卡將此模擬信號再轉換為數字信號，通過采集軟件進行存儲等操作；安裝在方向盤上的光電編碼器將脈沖信號通過光電編碼器數據處理卡輸入到計算

53、機中，然后運用采集軟件，利用計算脈沖數量來判定方向盤的轉角。該軟件自帶基本的數據存儲等作用，還包括了實時數據以及曲線的顯示，軟件能夠直接顯示出系統(tǒng)工作時候的扭矩大小以及方向盤的轉角，還可以通過軟件察看它們之間的關聯。軟件的構造圖如下所示（圖5.2）。圖5.2數據采集軟件結構框圖采用可視化WINDOWS編程技術可以獲得良好的用戶界面，VISUALC+6.0能夠運用到環(huán)境開發(fā)中去。WINDOWS是可以多個任務同時進行操作的系統(tǒng)，幾個程序能夠同時運行，幾個任務以及多個任務之間的轉換同時進行。相對PCL-818HD的采樣卡,其接口必須用特定的驅動程序來完成,它可以用來連接底層硬件和VC的開發(fā)程序。它的

54、作用是將那些與硬件相關的復雜程序保存在一起,如果操作者需要對板卡進行各種操作，只需要通過調用程序來完成即可。這樣就不需要編程人員完全了解板卡的物理結構,就可以在程序本身的開發(fā)上花跟多的精力,從而提高了效率。其基本操作流程如圖5.3所示。例如在編寫扭矩傳感器的扭矩信號采集的軟件過程中, 可通過調用驅動函數來實現大部分程序的相關操作，即用軟件觸發(fā)編程來實現對扭矩傳感器的扭矩信號采樣，將其轉換成數字量并。圖5.3 數據采集卡操作基本流程5.4系統(tǒng)抗干擾設計5.4.1干擾源分析由于實驗環(huán)境相對復雜，故大概存在空間無線電波、交流接地系統(tǒng)、大功率電器設備、大電流的電力電線、高電壓等對實驗的干擾。它們產生的

55、地電流、交變磁場和高壓電場等很簡單地影響工業(yè)控制的計算機過程通道的傳播過程，擾亂在過程通道中的存在形成主要表現是共阻抗藕合、磁場輻合、靜電輻合等方式。在高壓電場的前提下，如果信號通道離高壓回路和裝置比較近，則會有電流通過電容，這電容是通過高壓電線和信號線而形成的，再經接地電容接地，則電流會產生附加的干擾電壓。這一過程稱為靜電輻射方式。產生變化的磁場是因為大電流是不可能恒定的，這個磁場會產生感應電動勢，是疊加于信號電壓上的過程稱為磁場輻合方式。當同一阻抗有兩個電路的電流通過時，將會產生阻抗耦合。一個電路會受到另一個電路的影響，這個影響產生在這個阻抗的電壓，從而干擾電壓信號在這個電路上形成。形成之

56、后，輸送到計算機系統(tǒng)中是通過信號線傳遞的。所以預防干擾的耦合、傳導和形成是抗干擾的重點。這種方式是共阻抗藕方式。5.4.2硬件抗干擾1.信息線的抉擇考慮到受干擾的因素，以下幾個要素是信號線選擇所主要考慮的：首先是信號受到干擾源的影響而使得干擾變大、信號的類別以及干擾的原因等。用來降低干擾的方法是，選擇金屬屏蔽電纜，或者分開電力線和雙絞線信號線，另外將電纜盡量放在離干擾源遠的地方。2.屏障與接地辦法電場的屏蔽、磁場的屏蔽以及電磁場的屏蔽是屏蔽的主要組成部分。必須接地的是電場屏蔽；而且其必須盡量減少靜電場與信號線的電容，通過電磁鎖產生的電壓要少，且電力線中電場的傳播應該盡量杜絕；減少干擾源與信號線的互感系數，削弱磁力線的傳播。務必通過抉擇符合的金屬材料才能完成磁場的屏蔽。電磁場的屏蔽，一般所說的屏蔽多指電磁屏蔽，它