基于LabVIEW軟件的電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向臺(tái)架測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

解后循，高 翔，夏長(zhǎng)高

(1.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215008)

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基于LabVIEW軟件的電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向臺(tái)架測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

解后循1,2，高 翔1，夏長(zhǎng)高1

(1.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215008)

針對(duì)電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向試驗(yàn)臺(tái)架的功能要求，利用LabVIEW軟件與通用數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)了臺(tái)架測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合運(yùn)用數(shù)據(jù)采集卡及串口數(shù)據(jù)通信功能，在對(duì)方向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩及液壓缸壓力數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，通過(guò)與電動(dòng)液壓泵控制器的數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)液壓泵轉(zhuǎn)速、電流數(shù)據(jù)的接收及電機(jī)目標(biāo)控制轉(zhuǎn)速命令的發(fā)送，較好地模擬了電動(dòng)液壓變助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工況。試驗(yàn)運(yùn)行表明：系統(tǒng)能有效控制電動(dòng)液壓泵的運(yùn)行及實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，各項(xiàng)功能正常運(yùn)行，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

車輛工程；電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)控系統(tǒng)；臺(tái)架試驗(yàn)；LabVIEW軟件

電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EHPS)將成熟的液壓助力轉(zhuǎn)向技術(shù)與電機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合，既保留了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力平滑、手感好等優(yōu)點(diǎn)，又能提供更安全、更舒適的轉(zhuǎn)向操控性，同時(shí)也降低了系統(tǒng)的能耗。傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)過(guò)相對(duì)簡(jiǎn)單的改裝即可成為EHPS系統(tǒng)，適用于各種車型，具有很好的發(fā)展前景。EHPS的優(yōu)點(diǎn)及其較大的市場(chǎng)需求量引起國(guó)內(nèi)的專家學(xué)者及相關(guān)企業(yè)對(duì)其產(chǎn)生越來(lái)越濃厚的關(guān)注，已成為我國(guó)汽車技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。

目前，有學(xué)者對(duì)電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，但是研究的重點(diǎn)集中在實(shí)車及臺(tái)架數(shù)據(jù)采集分析，對(duì)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹的較少，采集的數(shù)據(jù)也不全面，特別是電機(jī)運(yùn)行的電流、轉(zhuǎn)速等相關(guān)數(shù)據(jù)較為欠缺[1-4]。筆者基于LabVIEW軟件設(shè)計(jì)了電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)液壓泵轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)控制和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集分析。

1 電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向臺(tái)架總體結(jié)構(gòu)及測(cè)控系統(tǒng)功能

EHPS臺(tái)架試驗(yàn)裝置硬件包括：①液壓助力方向機(jī)，轉(zhuǎn)向輪部件及車輪橫向加載部件；②電動(dòng)液壓泵系統(tǒng)，包含無(wú)刷直流電機(jī)泵總成、控制板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)板等；③試驗(yàn)臺(tái)架數(shù)據(jù)測(cè)控系統(tǒng)包括方向盤轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)矩儀、液壓壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、上位微機(jī)(含串口通信)等部件。軟件部分包括：①電動(dòng)液壓泵控制軟件，負(fù)責(zé)控制電動(dòng)液壓泵按照上位微機(jī)發(fā)送的目標(biāo)轉(zhuǎn)速運(yùn)行；②試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)控系統(tǒng)，負(fù)責(zé)采集臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)及發(fā)送電動(dòng)液壓泵目標(biāo)轉(zhuǎn)速，采集數(shù)據(jù)包括方向盤的轉(zhuǎn)角信號(hào)、助力油液的壓力信號(hào)及電動(dòng)液壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流、轉(zhuǎn)速等信號(hào)。

筆者設(shè)計(jì)的電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向臺(tái)架測(cè)控系統(tǒng)主要功能為：①測(cè)量方向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩及助力液壓油壓力數(shù)據(jù)；②串口發(fā)送電動(dòng)液壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行控制及目標(biāo)轉(zhuǎn)速命令，接收電動(dòng)液壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速及電流數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)控系統(tǒng)的硬件組成

測(cè)試系統(tǒng)硬件主要部件參數(shù)如下。

轉(zhuǎn)角傳感器：量程 -540～+540°，輸出信號(hào)±2 V，精度2.5 mV/(°)。

轉(zhuǎn)矩傳感器：量程 -200～+200 N·m，輸出信號(hào) ±5 V，精度10 mV/(N·m)。

壓力傳感器：量程0～20 MPa，輸出信號(hào)為1～5 V電壓信號(hào)。

PMD-1208FS數(shù)據(jù)采集卡[5]：由USB采集器及USB數(shù)據(jù)傳輸線組成，PMD-1208FS具有8路(或4路差分模式)模擬量輸入端口，12位分辨率，輸入電壓范圍為 ±20，±10，±5，±4，±2.5，±2.0，±1.25，±1.0 V；2個(gè)模擬量輸出端口，16路數(shù)字輸入輸出端口和一個(gè)32位計(jì)數(shù)器。PMD-1208FS由USB數(shù)據(jù)線通過(guò)電腦提供5 V的電壓，無(wú)需額外的電源。

3 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)程序采用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)。LabVIEW是由美國(guó)國(guó)家儀器(NI)公司研制開(kāi)發(fā)的一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境。它是計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，核心是軟件技術(shù)，是一個(gè)測(cè)試自動(dòng)化系統(tǒng)的高性能、低成本運(yùn)載平臺(tái)，被視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件[6]。

3.1 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的軟件總體設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)控系統(tǒng)軟件包括臺(tái)架數(shù)據(jù)采集模塊和電動(dòng)液壓泵測(cè)控模塊兩部分，系統(tǒng)流程見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的軟件流程

由圖1可見(jiàn)，數(shù)據(jù)采集與電動(dòng)液壓泵測(cè)控模塊在程序運(yùn)行過(guò)程中基本各自獨(dú)立運(yùn)行，兩者之間的唯一聯(lián)系是數(shù)據(jù)采集模塊計(jì)算得到的電動(dòng)液壓泵目標(biāo)轉(zhuǎn)速由測(cè)控模塊串口發(fā)送，電動(dòng)液壓泵控制器接收目標(biāo)轉(zhuǎn)速后迅速控制電機(jī)跟隨目標(biāo)轉(zhuǎn)速運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)液壓泵轉(zhuǎn)速及液壓油流量的實(shí)時(shí)控制功能。電動(dòng)液壓泵的實(shí)時(shí)電流及轉(zhuǎn)速也由串口接收，由測(cè)控系統(tǒng)處理后，進(jìn)入虛擬示波器實(shí)時(shí)顯示。

3.2 試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)控系統(tǒng)人機(jī)界面、數(shù)據(jù)采集及電動(dòng)液壓泵測(cè)控模塊設(shè)計(jì)

3.2.1 系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面是測(cè)控系統(tǒng)的操作界面，主要功能為進(jìn)行采集參數(shù)設(shè)定及采集過(guò)程的監(jiān)控[7-8]。筆者設(shè)計(jì)的測(cè)控系統(tǒng)界面放置了采集卡的參數(shù)設(shè)置框、串口選擇控制設(shè)置框、采集過(guò)程控制按鈕、電動(dòng)液壓泵轉(zhuǎn)速恒定控制及隨動(dòng)控制轉(zhuǎn)換按鈕等控制按鈕，界面上還放置了主要采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示虛擬示波器，具體功能設(shè)計(jì)如圖2。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)人機(jī)界面

3.2.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

采集模塊通過(guò)PMD-1208FS采集卡提供的動(dòng)態(tài)連接庫(kù)與LabVIEW采集程序連接，LabVIEW通過(guò)該動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)控制采集卡的采集及獲取采集模塊端口的數(shù)據(jù)；采集模塊可以對(duì)數(shù)據(jù)采樣的頻率，樣本數(shù)量及采集端口的選擇等進(jìn)行控制，在此基礎(chǔ)上采集模塊調(diào)用數(shù)據(jù)處理函數(shù)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，如將其轉(zhuǎn)換為工程物理量、數(shù)據(jù)濾波處理等，并通過(guò)虛擬示波器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)波形顯示，同時(shí)完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的保存[7-8]，具體設(shè)計(jì)如圖3。

圖3 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)LabVIEW主程序

3.2.3 電動(dòng)液壓泵測(cè)控模塊

電動(dòng)液壓泵測(cè)控模塊通過(guò)通用的RS232串口模塊(微機(jī)自帶)與電機(jī)控制程序串口中斷程序進(jìn)行雙工數(shù)據(jù)通信[9]，定時(shí)接收電機(jī)控制程序的電流、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，發(fā)送電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)液壓泵狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)速控制，具體設(shè)計(jì)如圖3。

4 電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證測(cè)控系統(tǒng)測(cè)控功能及運(yùn)行的可靠性，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)運(yùn)行。

4.1 試驗(yàn)內(nèi)容及步驟

1)在電動(dòng)液壓泵不同轉(zhuǎn)速下，方向盤穩(wěn)態(tài)力矩變化。試驗(yàn)設(shè)定電動(dòng)液壓泵幾種不同轉(zhuǎn)速分別測(cè)量方向盤力矩。慢速轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(模擬方向盤穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向力矩)，測(cè)量方向盤力矩及電機(jī)電流變化。

2)快速轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，方向盤力矩變化?？焖俎D(zhuǎn)動(dòng)方向盤，測(cè)量方向盤力矩及電機(jī)電流變化，與第1步的穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)力矩作比較。

3)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨動(dòng)控制，方向盤力矩變化。電機(jī)轉(zhuǎn)速隨動(dòng)控制下，測(cè)量方向盤力矩及電機(jī)轉(zhuǎn)速與第2步的力矩、轉(zhuǎn)速作比較。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.2.1 方向盤穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)

不同電機(jī)轉(zhuǎn)速、“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”(方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)頻率約為0.05 Hz)轉(zhuǎn)向工況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速、方向盤轉(zhuǎn)角、力矩、電機(jī)電流及助力液壓缸壓力的變化見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 電機(jī)轉(zhuǎn)速不同時(shí)的速度波形、方向盤轉(zhuǎn)角、方向盤轉(zhuǎn)矩及電流的變化

圖5 不同電機(jī)轉(zhuǎn)速下液壓缸壓力變化

由力矩波形圖4(c)可知，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，方向盤反饋力矩明顯減小，可見(jiàn)，改變電動(dòng)液壓泵轉(zhuǎn)速起到了變助力的作用。

由電流波形圖4(d)可知，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，電機(jī)穩(wěn)態(tài)(方向盤轉(zhuǎn)角為0)運(yùn)行電流上升，符合電機(jī)運(yùn)行理論；方向盤轉(zhuǎn)角增大時(shí)，高轉(zhuǎn)速工況的電機(jī)電流升高快于低速工況，起到了增大系統(tǒng)助力矩，降低方向盤反饋力矩的作用。但是從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

1)圖4(c)中，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，方向盤力矩?cái)?shù)據(jù)波動(dòng)有加大趨勢(shì)。

2)圖4(d)中，高轉(zhuǎn)速工況電流最高值低于轉(zhuǎn)速低工況，且電流振蕩加劇。

以上問(wèn)題的主要原因分析如下：

1)由圖4(a)可知，在轉(zhuǎn)向工況，目標(biāo)轉(zhuǎn)速高時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)加大，導(dǎo)致液壓油流量變化加大，液壓助力矩變化加大，從而方向盤反饋力矩波動(dòng)加大。可見(jiàn)高轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速PID控制調(diào)節(jié)參數(shù)需要適當(dāng)調(diào)整，調(diào)節(jié)精度有待提高。

2)高轉(zhuǎn)速工況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)加大，導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)節(jié)電流波動(dòng)變化加大，如圖4(d)。但是由于電機(jī)的動(dòng)態(tài)慣性力，高轉(zhuǎn)速工況下液壓系統(tǒng)助力壓力值仍較低轉(zhuǎn)速工況大，如圖5。

3)高轉(zhuǎn)速工況下最高電流值小于低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)工況，主要是由于低速工況的方向盤轉(zhuǎn)角大于其他工況所致。

4.2.2 方向盤快速轉(zhuǎn)向試驗(yàn)

電動(dòng)液壓泵轉(zhuǎn)速為1000 r/min時(shí)，方向盤快速(約0.2 Hz)轉(zhuǎn)動(dòng)下，方向盤轉(zhuǎn)角、力矩值、電機(jī)電流的變化圖，見(jiàn)圖6。由圖6(b)可知，在方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)頻率提高后，方向盤反饋力矩〔與圖4(c)相比〕明顯增加，且最大力矩與最大輪胎回正力矩(方向盤轉(zhuǎn)角最大位置)不一致，電機(jī)最高電流也有適當(dāng)下降，如圖6(c)，說(shuō)明采用恒電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的助力系統(tǒng)在方向盤轉(zhuǎn)速變化時(shí)助力的隨動(dòng)性不夠。

圖6 快速轉(zhuǎn)向工況方向盤轉(zhuǎn)角、力矩及電流的變化

4.2.3 方向盤轉(zhuǎn)速隨動(dòng)控制試驗(yàn)

電動(dòng)液壓泵轉(zhuǎn)速1 000 r/min時(shí)，采取轉(zhuǎn)速隨動(dòng)控制(方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)頻率約0.12 Hz)下，方向盤轉(zhuǎn)角、力矩值及電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化見(jiàn)圖7。

圖7 轉(zhuǎn)速隨動(dòng)控制工況方向盤轉(zhuǎn)角、力矩及電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化

如圖7(b)，轉(zhuǎn)速隨動(dòng)控制工況下方向盤力矩波形與準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)(慢速)工況力矩波形基本一致，與圖6(b)相比助力隨動(dòng)性得到了提高；但是圖7(b)中方向盤力矩最大值(約-3 N·m)與輪胎側(cè)向力最大值(方向盤轉(zhuǎn)角為-75° 處)仍存在不相對(duì)應(yīng)的情況，說(shuō)明控制程序的電機(jī)速度調(diào)節(jié)值有待調(diào)整，也可能是由于測(cè)控程序控制速度滯后所致，可在后續(xù)研究中加以改進(jìn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

從臺(tái)架試驗(yàn)運(yùn)行情況可知，筆者設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)控系統(tǒng)基本達(dá)到要求，可以進(jìn)行電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集及電動(dòng)液壓泵的控制。改變電動(dòng)液壓泵轉(zhuǎn)速起到了變助力轉(zhuǎn)向控制的效果，通過(guò)采取隨方向盤轉(zhuǎn)速變化改變液壓泵目標(biāo)轉(zhuǎn)速的隨動(dòng)控制可以提高助力系統(tǒng)的隨動(dòng)性，使之更加符合駕駛者的習(xí)慣，提高駕駛路感。

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Measurement and Control System Design of Electro-Hydraulic Power Steering System Test Bench Based on LabVIEW

Xie Houxun1,2, Gao Xiang1, Xia Changgao1

(1. School of Automobile & Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China; 2. Suzhou Polytechnic Institute of Agriculture, Suzhou 215008, Jiangsu, China)

According to the requirements of electro-hydraulic power steering system test bench, a measurement and control system was designed based on LabVIEW software. By using both data acquisition card and serial data communication technology, the system not only can acquire test data of steer angle, steer torque and hydraulic pressure, but also can acquire data of drive BLDC motor current and speed. The test bench system can simulate working condition of electro-hydraulic power steering system better. Experimental results demonstrate that the system can control the motor pump speed and acquire test data successfully. It shows the system has achieved its design goals.

vehicle engineering; electro-hydraulic power steering system(EHPS); test bench measurement and control system; bench test; LabVIEW software

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.03.32

2013-03-21；

2013-12-17

江蘇省科技攻關(guān)項(xiàng)目(BC2010450)

解后循(1969—)，男，江蘇興化人，副教授，主要從事汽車電控助力轉(zhuǎn)向技術(shù)方面的研究。E-mail：xhx1217@163.com。

U463.4

A

1674-0696(2015)03-162-05