1、EPA測(cè)試系統(tǒng)王浩祥 3130401121 車卓1302摘要 本文在分析EPA工作原理和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了EPA測(cè)試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，并給出了硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的構(gòu)架和具體的測(cè)試方法。一、 EPA功能特點(diǎn)及測(cè)試方法1.1 EPA簡(jiǎn)介 利用外加能源助力，減輕駕駛員操縱汽車轉(zhuǎn)向手力的方法稱之為動(dòng)力轉(zhuǎn)向或助力轉(zhuǎn)向。對(duì)于重型汽車，由于轉(zhuǎn)向阻力和汽車車輪上負(fù)載成一定比例，前輪負(fù)載20kN以上，駕駛員很難原地轉(zhuǎn)向，因此國(guó)家規(guī)定8噸以上的貨車必須采用助力轉(zhuǎn)向，以減輕駕駛員的操舵力，為了減少駕駛員的疲勞和提高安全性，我國(guó)有關(guān)部門(mén)建議重型車駕駛員操舵力不應(yīng)超過(guò)50N。 對(duì)于轎車而言，除輕便性(操舵力不超過(guò)為15

2、-20N)外還有靈敏性要求，在手動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)向器中，輕便性和靈敏性是一對(duì)矛盾，在機(jī)械轉(zhuǎn)向器中雖然可以用加大傳動(dòng)比的辦法來(lái)減小操舵力，但它帶來(lái)的另一后果是使轉(zhuǎn)向速度減小而使轉(zhuǎn)向不靈敏，隨著車速的增加對(duì)轉(zhuǎn)向靈敏性要求也越來(lái)越高，國(guó)外規(guī)定最大瞬時(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)速度對(duì)轎車而言為1. 5圈/s，而貨車為1. 0圈/s，只有采用動(dòng)力轉(zhuǎn)向才能兼顧轉(zhuǎn)向輕便性與靈敏性的要求，解決兩者之間的矛盾。 EPA系統(tǒng)一般由機(jī)械式轉(zhuǎn)向器和電子控制伺服系統(tǒng)組成。其中電子控制伺服系統(tǒng)包括傳感器(扭矩傳感器、車速傳感器和角度傳感器)、控制器(控制單元、動(dòng)力單元)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)(電機(jī)及助力減速機(jī)構(gòu))。電機(jī)的能源來(lái)自車載蓄電池，其工作電流大小與方向

3、受傳感器信號(hào)控制。助力減速機(jī)構(gòu)把電機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力，經(jīng)過(guò)降速增矩后傳遞給轉(zhuǎn)向器。控制其根據(jù)各個(gè)傳感器的信號(hào)，按照一定的控制策略和汽車工作狀態(tài)，發(fā)出控制指令決定電流的大小及電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，從而完成實(shí)時(shí)助力控制轉(zhuǎn)向。它可以很容易地實(shí)現(xiàn)按車速不同提供不同的助力效果，保證汽車在低速行駛時(shí)輕便靈活，高速時(shí)穩(wěn)定可靠。1.2 EPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理EPA是利用助力電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力來(lái)幫助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向的，系統(tǒng)一般由機(jī)械式轉(zhuǎn)向器和電子控制伺服系統(tǒng)組成，如圖3.1所示。其中電子控制伺服系統(tǒng)包括傳感器(扭矩傳感器、光學(xué)編碼器)、控制器(控制單元、動(dòng)力單元卿執(zhí)行機(jī)構(gòu)(電機(jī)、離合器、助力減速機(jī)構(gòu))。電動(dòng)機(jī)僅在需要轉(zhuǎn)向助力時(shí)

4、工作。駕駛員在操縱方向盤(pán)時(shí)，扭矩傳感器根據(jù)力和角度的大小產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)，車速傳感器檢測(cè)到車速信號(hào)，控制單元根據(jù)這些信號(hào)，運(yùn)行控制算法，給出指令控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)離合器和助力機(jī)構(gòu)，從而產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)向助力。1、扭矩傳感器 扭矩傳感器用來(lái)檢測(cè)方向盤(pán)的扭矩大小和方向。差動(dòng)變壓器式扭矩傳感器主要由兩部分組成一線圈和鐵心。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向軸上端為輸入軸，下端為輸出軸，輸入軸與輸出軸之間由扭桿連接。轉(zhuǎn)向時(shí)，輸入軸和輸出軸之間產(chǎn)生相對(duì)位移，扭桿受到扭矩作用，扭矩傳感器將扭桿所受到的扭矩轉(zhuǎn)化為鐵心的上下位移，由于線圈與鐵心的感應(yīng)作用，就可通過(guò)線圈檢測(cè)到扭矩的大小和方向。2、光學(xué)編碼器 轉(zhuǎn)向柱和電機(jī)輸出軸的

5、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速以及車速由光學(xué)編碼器來(lái)測(cè)量。光學(xué)編碼器可用來(lái)測(cè)量一個(gè)旋轉(zhuǎn)設(shè)備的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速，它輸出一對(duì)脈沖序列，給出增量型位置計(jì)數(shù)，在給定的采樣周期內(nèi)測(cè)出計(jì)數(shù)的增量，就可計(jì)算出速度和加速度。3、電動(dòng)機(jī)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多采用永磁直流伺服電機(jī)。為了改善電機(jī)的穩(wěn)定性，提高轉(zhuǎn)向路感，降低噪聲和振動(dòng)，可在電機(jī)轉(zhuǎn)子周緣開(kāi)設(shè)斜槽或不對(duì)稱環(huán)槽。4、助力機(jī)構(gòu) EPA的助力減速機(jī)構(gòu)與電動(dòng)機(jī)相連，起減速增矩的作用，它在EPA系統(tǒng)中占有重要位置。目前，減速機(jī)構(gòu)有助力方式和位置推動(dòng)方式兩種形式。助力方式主要有蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)和齒輪箱變速機(jī)構(gòu);位置推動(dòng)方式主要有差動(dòng)輪系機(jī)構(gòu)。5、電子控制單元(ECU) ECU的功能是根據(jù)信號(hào)傳感器測(cè)

6、定的信號(hào)，進(jìn)行邏輯分析與計(jì)算后，發(fā)出指令，控制電動(dòng)機(jī)和離合器的動(dòng)作。1.3 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的控制策略目前一般由電動(dòng)控制單元控制的電動(dòng)助力系統(tǒng)為車速感應(yīng)控制型。根據(jù)汽車?yán)碚?，隨著車速的提高，給予方向盤(pán)的輔助助力相應(yīng)的減小。也就是說(shuō)，隨著車速的升高，助力電動(dòng)機(jī)的電流減小。在啟動(dòng)和低速時(shí)電動(dòng)機(jī)電流的變化比較大，因?yàn)樵谲囁贅O低時(shí)方向盤(pán)上需要的扭矩比中速時(shí)大得多。當(dāng)車速超過(guò)30km/h時(shí)，方向盤(pán)上的操縱力很小，為了保持一定的操作手感，這時(shí)助力電機(jī)將停止工作。另外，助力電動(dòng)機(jī)的電流還隨著方向盤(pán)的扭矩的增加而增加，當(dāng)方向盤(pán)扭矩增加到一定程度后，在一定的車速范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)電流維持不變。因?yàn)楦蟮姆较虮P(pán)扭矩出現(xiàn)的

7、概率很小，所以從整體上來(lái)說(shuō)對(duì)駕駛員的轉(zhuǎn)向操縱力影響不大。助力電機(jī)的控制曲線圖如圖3.2所示。從圖3.2中可以很清楚的看到方向盤(pán)扭矩、車速以及有兩者所確定的助力電流三者之間的關(guān)系。助力電流時(shí)汽車電動(dòng)助力系統(tǒng)的重要參數(shù)，因此對(duì)其進(jìn)行測(cè)試是必須的。1.4 系統(tǒng)測(cè)試方法 根據(jù)不同工作狀況的需要，駕駛?cè)藛T作用于方向盤(pán)上的扭矩不同，產(chǎn)生的助力扭矩也不同。根據(jù)上面對(duì)助力系統(tǒng)控制特性圖的分析，助力扭矩是通過(guò)存儲(chǔ)在電子控制單元中不變的特性圖程序控制的(即控制算法)，一般分為車速為0-2.5km/h, 2.5-10km/h, 10-15km/h, 15-20km/h, 20-25 km/h和25-30 km/h。

8、根據(jù)廠家的不同，控制算法會(huì)有不同，但基本思想相似。特性曲線表明助力扭矩有車速和方向盤(pán)扭矩兩者決定。在不同的工況下，駕駛?cè)藛T操縱方向盤(pán)轉(zhuǎn)向，安裝在轉(zhuǎn)向柱上的扭矩傳感器不斷檢測(cè)作用于轉(zhuǎn)向柱扭桿上的扭矩信息，車速傳感器采集車速信息，方向盤(pán)角度傳感器采集角度信息，ECU接收傳感器傳送過(guò)來(lái)的扭矩信號(hào)、車速信號(hào)和方向盤(pán)角度信號(hào)，進(jìn)行控制算法進(jìn)行運(yùn)算處理，確定助力扭矩的大小和方向，并輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作，電動(dòng)機(jī)經(jīng)離合器及減速機(jī)構(gòu)將扭矩傳遞給牽引前輪轉(zhuǎn)向的橫拉桿，最終起到為駕駛?cè)藛T提供輔助轉(zhuǎn)向力的作用。 測(cè)試系統(tǒng)要做的事情就是在汽車各種工況下進(jìn)行測(cè)試，每種工況下進(jìn)行一次方向盤(pán)操作，方向盤(pán)從回正位置旋轉(zhuǎn)

9、到左極限，再?gòu)淖髽O限位置回到回正回正，再向右旋轉(zhuǎn)到極限位置。數(shù)據(jù)采集卡采集扭矩信號(hào)、電動(dòng)機(jī)助力電流信號(hào)、車速信號(hào)。通過(guò)CAN模塊完成測(cè)試系統(tǒng)與被測(cè)模塊的通信，包括被測(cè)對(duì)象的初始化數(shù)據(jù)設(shè)定和狀態(tài)讀取，本系統(tǒng)中的CAN模塊主要用于以后的擴(kuò)展，如可將測(cè)試系統(tǒng)擴(kuò)展成一個(gè)整車測(cè)試數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)。LabVIEW開(kāi)發(fā)的上層應(yīng)用程序?qū)Σ杉呐ぞ睾椭﹄娏鬟M(jìn)行實(shí)時(shí)顯示(扭矩信號(hào)和電流信號(hào)用波形圖顯示，車速信號(hào)用數(shù)值表示)，同時(shí)可以完成信號(hào)的濾波，以及信號(hào)的數(shù)據(jù)保存，根據(jù)保存的數(shù)據(jù)文件可以作進(jìn)一步的分析。二、 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 根據(jù)前面對(duì)EPA測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試分析，選用NI公司出產(chǎn)的基于PXI

10、的硬件產(chǎn)品，配以NI公司的各種測(cè)試模塊，由于均為NI公司的產(chǎn)品，因此不需要額外尋找硬件驅(qū)動(dòng)程序，只需將測(cè)試模塊插入機(jī)箱的插槽中，并在主機(jī)上安裝硬件驅(qū)動(dòng)即可進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試工作。如圖3.4所示系統(tǒng)，該系統(tǒng)給出了基于PXI的測(cè)試系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，PXI系統(tǒng)由嵌入式PXI控制器PXI81%和PXI機(jī)箱組成，起到控制中心的重要作用。在EPA測(cè)試系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集模塊采集扭矩、車速和電動(dòng)機(jī)助力電流。NI PXI-846X CAN模塊用來(lái)與被測(cè)對(duì)象進(jìn)行通信，包括初始化參數(shù)設(shè)置和運(yùn)行狀態(tài)讀取等。 PXI控制器PXI8196，可以提供很好的實(shí)時(shí)控制和豐富的接口，可以方便的進(jìn)行各種擴(kuò)展，完成各種按需求所定制的測(cè)試系統(tǒng)

11、任務(wù)。具有以下功能特點(diǎn):該控制器的Mobile Intel 915GM Express芯片組為千兆位以太網(wǎng)ExpressCard/34插槽提供PCT Express接口，提供和多種外圍I/O之間的高速接口;具備雙信道DDR2內(nèi)存，最大內(nèi)存容量為2GB;集成四個(gè)USB 2.0連接端口、一個(gè)GPIB接口，以及串行端口和并行端口;全功能的千兆位以太網(wǎng);PXI6070E系列提供16路1.25MS/s 12bit多功能數(shù)據(jù)采集卡，帶2路模出和8路DIO，并具有以下功能特點(diǎn):LabVIEW, LabWindows/CVI以及集成Visual Basic和Visual Studio .NET的Measure

12、ment Studio ; NIST校準(zhǔn)認(rèn)證書(shū)以及70多個(gè)信號(hào)調(diào)理選項(xiàng);2路12位模擬輸出;8條數(shù)字I/O線;2個(gè)24位計(jì)數(shù)器;模擬觸發(fā);包括NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)軟件和附加測(cè)量服務(wù)。 PXI-846X CAN模塊支持PCI, PXI/CompactPCI, ISA，及PCMCIA總線的CAN接口。具有以下特點(diǎn):1和2個(gè)端口;高，低，雙速版本;Intel 80386EX微處理器;ISO 11898一高速CAN, ISO 11519一低速CAN; SOOV光隔離;標(biāo)準(zhǔn)與擴(kuò)展CAN判別ID;接收CAN框架的時(shí)間注記;CAN框架的傳輸時(shí)間:2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)本測(cè)試系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)采用LabVEIW開(kāi)發(fā)

13、平臺(tái)，主要完成了下列任務(wù)1)利用LbaVEIW強(qiáng)大的圖形化界面功能，快速地編制友好的用戶界面。用戶可以簡(jiǎn)單的通過(guò)主界面上的控件操作測(cè)試系統(tǒng)以完成測(cè)試任務(wù)。通過(guò)主界面上的顯示控件，進(jìn)行測(cè)試的波形顯示、數(shù)據(jù)顯示等。2)編制各種測(cè)試功能模塊，這是軟件系統(tǒng)最核心的部分，也是整個(gè)虛擬測(cè)試系統(tǒng)的核心。 3)對(duì)測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、顯示和分析，并生成測(cè)試報(bào)告。 在系統(tǒng)的編制中采用了結(jié)構(gòu)化和模塊化的編程思想。結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，即是要求自頂而下的把軟件從整體到局部進(jìn)行層層細(xì)分，分析各個(gè)任務(wù)的細(xì)節(jié)，以及相互之間的關(guān)系。模塊化設(shè)計(jì)，是模塊化設(shè)計(jì)的重要手段，即要求進(jìn)行具體編程的過(guò)程中，按照層次結(jié)構(gòu)，對(duì)每個(gè)獨(dú)立的任務(wù)編制相應(yīng)獨(dú)立的程序模塊，根據(jù)主程序任務(wù)的需要，對(duì)