汽车电动助力转向试验台设计

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　　电动助力转向系统（Electric Power Steering，简称EPS）凭借其高效、节能、环保以及结构紧凑等优点成为现代汽车技术发展上的重点和热点之一。电动助力转向（EPS）的成功开发必须进行大量的实车试验，将系统的性能调整到最佳的工作状态。实车试验需要消耗大量的人力、物力和财力，如果在实车试验之前进行必要的台架试验，为后续实车试验获得某些基本参数和算法，是非常有益的。随着EPS系统的发展，和其密切相关的电动助力转向试验台也获得了巨大的市场发展空间。
　　电动助力转向试验台可以模拟转向的实际环境为转向系统提供转向阻力矩，并通过一系列的传感器收集相关数据。这些数据可以用来研究EPS系统的参数和控制方法，特别是直流电机的控制、转矩传感器的工作特性等；也可以用来初步研究 EPS助力控制规律，确定助力控制规律如何满足驾驶员对转向轻便性的要求；还可以研究EPS自身的工作特性，深入了解EPS的基本结构和功能，以及为EPS的仿真研究提供试验数据，用于仿真模型的验证。这些EPS基本技术问题，能为将来的实车试验提供必要的试验数据，成为EPS产品化开发设计的前提和基础。
　　1 EPS试验台组成和工作原理
　　图1为EPS试验台的基本结构框图。EPS试验台工作原理为：试验人员转动转向盘，从而带动磁粉制动器，通过磁粉制动器来向系统施加转向阻力矩。转向阻力矩的大小由数字式扭矩传感器来测量；转向盘转角由安装在转向轴的光电编码器来测得；转向盘转矩由和转向轴刚性连接的转矩传感器测量。在测试EPS系统时，转动方向盘后，EPS开始工作，测试系统测量并记录各种传感器信号用于EPS性能与特性分析。
　　

　　1.转向盘 2.双行星齿轮 3.光电编码器 4.扭矩传感器 5.双万向节
　　6.循环球式助力转向器 7.联轴器 8.数字式扭矩传感器 9.减速器 10.磁粉制动器
　　图1 EPS试验台基本结构框图
　　2 EPS试验台总体设计
　　按照标准汽车电动助力转向装置技术条件与台架试验方法，一套典型的汽车电动助力转向装置包括转向管柱、转向传动轴、减速器、传感器、电动机(带电磁离合器或不带)、电子控制器及转向器等。ECU检测到汽车点火信号后，会监视转向轴的扭矩传感器和光电编码器，一旦发现这两个信号产生输入，将会对着两个信号进行处理，并传给控制器。同时结合输入的车速信号、负载信号等，采用合适的控制方法，控制助力电机的工作电流输出力矩，从而实现对转向盘的助力及优化回正力。对于助力电机电流的控制一般采用PID闭环控制，此外，控制器还会设有一些额外的保护诊断功能，发现系统有异常工作情况时，将会立即停止助力转向，并将该异常通过信号显示通知驾驶人员，同时，助力转向将切换为纯手动转向，由驾驶人员手动控制转向。在实现助力的同时可以保障整个系统的可靠、稳定，从而大大提高该ECU的安全性能。
　　3 EPS试验台硬件系统设计
　　EPS试验台主要由转向力矩输入、转向阻力模拟系统及试验台测控系统组成，试验台能够对不同类型的电动助力转向系统进行测试。
　　3.1 转向输入力矩的实现
　　系统可以通过人工操纵转向盘转动进行测试，也可以在双行星齿轮处增加带减速机的驱动电机，通过编写电机驱动程序控制电机带动转向盘转动实现自动输入转矩。
　　3.2 转向阻力矩模拟系统
　　在实际汽车转向过程中，转向盘会受到来自地方的转向阻力，它受路面摩擦系数、前桥负荷、车速等因素的影响。转向试验台通过在转向摇臂端增加磁粉制动器向转向机构提供模拟阻力矩。磁粉制动器选用CZK-5型自冷式空心轴超薄磁粉制动器，它的额定转矩为50N・m，激励电流为1A，允许滑差功率为1200W。转向机构输出转矩为100N・m，故需要减速机构来增加阻力矩。如选用100N・m的磁粉制动器需要增加水冷冷却装置，故可采用齿轮式减速器来实现。
　　3.3 转向试验台测控系统
　　转向试验台测控系统的作用是在测试时，通过数据采集卡实时采集试验台上各种传感器信号，如：转向盘转角、转向盘扭矩、转向阻力矩、助力电机电流等信号，显示在工控机上，并保存到数据库中共试验分析用。图2为EPS试验台的测控系统框图。此外，制作控制柜，将工控机、数据采集卡、直流稳压电源、磁粉制动器的驱动器以及信号发生器装置集中安置，以方便对试验进行控制操作。
　　

　　图2 转向试验台测控系统框图
　　4 EPS试验台软件系统设计
　　试验台软件系统应具有数据采集、数据处理、数据显示、电机控制、安全保护等功能。软件系统可采用模块化的设计方法，由界面通信模块、综合控制模块、数据采集模块、电机控制模块、转向回正模块和信号给定模块组成。试验台软件系统的结构如图3所示。各部分功能为：
　　软件主控系统。整套试验程序的主界面，管理各个试验分项程序和功能模块。
　　试验准备。试验参数的设置，试验前对各个传感器进行调零和 标定，检测试验台的状态以确保能够进行试验。
　　运动控制。对电机进行控制，使其按照标准中规定的形式运动和加载，同时将运动状态进行反馈。
　　数据采集。采集各个模拟信号和开关信号。
　　数据分析处理。对从数据采集卡上采集的各路模拟信号进行分析和处理，主要是对干扰信号进行软件滤波。
　　试验显示。把经过分析处理的数据在屏幕上实时地显示出来，对要求绘制试验曲线的试验还会在屏幕上动态地绘制出试验图形。
　　数据库。存储和管理试验数据和结果，也可以在试验软件中的数据库操作界面中对历史数据进行查询。
　　

　　图3 试验台软件系统结构图
　　5 结论
　　设计开发了电动助力转向试验台。试验台分硬件系统和软件系统两部分，采用模块化设计。软件系统将伺服控制和数据采集集合在工控机上，有效地提高了测控系统的效率和精度
　　电动助力转向试验台可以使工程师在实车试验前，通过台架试验获得转向机构的某些疾病参数和算法，减少EPS试验投入，缩短开发周期。(end)