基于xPC的阻尼可調(diào)減振器測(cè)試臺(tái)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究*

謝方偉 宣芮 張兵 王存堂 張凱

（江蘇大學(xué)）

基于xPC的阻尼可調(diào)減振器測(cè)試臺(tái)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究*

謝方偉 宣芮 張兵 王存堂 張凱

（江蘇大學(xué)）

為滿足阻尼可調(diào)汽車減振器對(duì)測(cè)試臺(tái)架頻率響應(yīng)快和精度高的要求，設(shè)計(jì)了一種電液伺服式減振器測(cè)試臺(tái)架。該測(cè)試臺(tái)架電控部分基于xPC Target快速控制原型思想，利用上下位機(jī)聯(lián)合工作分別實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和控制。利用該測(cè)試臺(tái)架對(duì)阻尼可調(diào)汽車減振器的性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，該測(cè)試臺(tái)架可完全替代現(xiàn)有的機(jī)械式測(cè)試臺(tái)架，且能夠滿足阻尼可調(diào)汽車減振器對(duì)測(cè)試臺(tái)架響應(yīng)和精度的要求。

1 前言

汽車減振器是實(shí)現(xiàn)汽車行駛舒適性和平穩(wěn)性的主要部件，同時(shí)也是汽車懸架系統(tǒng)的重要組成部分[1]。近年來，阻尼可調(diào)汽車減振器日益受到業(yè)界推廣[2]，其不僅具備多級(jí)阻尼可變模式，還具有同一模式下壓縮狀態(tài)和回彈狀態(tài)不同的阻尼可變特性[3]。

在阻尼可調(diào)汽車減振器研發(fā)和試制過程中，對(duì)檢測(cè)產(chǎn)品性能的測(cè)試臺(tái)提出了更高的要求。我國減振器生產(chǎn)廠家大多使用傳統(tǒng)機(jī)械式測(cè)試臺(tái)，此種類型的測(cè)試臺(tái)通過電機(jī)帶動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)闇p振器活塞的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，形成正弦激勵(lì)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)減振器主活塞做壓縮和回彈往復(fù)運(yùn)動(dòng)[4]。這種測(cè)試臺(tái)的頻寬和精度較低并且操作繁瑣，不能滿足阻尼可調(diào)汽車減振器的測(cè)試要求；當(dāng)需要更改激勵(lì)信號(hào)參數(shù)時(shí)，必須停機(jī)更換機(jī)械裝置，操作相當(dāng)不便[5]。電液伺服式減振器測(cè)試臺(tái)由于頻寬大、精度高，可以產(chǎn)生多種激勵(lì)信號(hào)，還能對(duì)信號(hào)的幅值、頻率等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修改，越來越受到人們的重視[6]。

針對(duì)當(dāng)前所研制的阻尼可調(diào)汽車減振器，本文設(shè)計(jì)了一種基于xPC快速控制原型思想的電液伺服式測(cè)試臺(tái)，該測(cè)試臺(tái)可完全替代機(jī)械式測(cè)試臺(tái)，能夠滿足阻尼可調(diào)汽車減振器對(duì)測(cè)試臺(tái)高頻響和高精度的要求。

2 測(cè)試臺(tái)總體方案

汽車減振器的測(cè)試臺(tái)是按照減振器的性能測(cè)試要求來設(shè)計(jì)的，主要依據(jù)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《QC/T 545—1999汽車筒式減振器臺(tái)架實(shí)驗(yàn)方法》繪制出所研制的阻尼

可調(diào)汽車減振器的示功圖，即阻尼力F與位移x關(guān)系曲線[7]，同時(shí)，為測(cè)試車身負(fù)載的振動(dòng)衰減性能，設(shè)計(jì)了模擬1/4車輛負(fù)載加速度衰減特性試驗(yàn)。減振器測(cè)試臺(tái)組成如圖1所示。

從圖1可看出，該測(cè)試臺(tái)由機(jī)械、液壓和電控3個(gè)部分構(gòu)成。機(jī)械部分主要由臺(tái)架和連接件組成，該部分是測(cè)試臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，其中臺(tái)架由導(dǎo)軌、滑套及支座組成，連接件用來連接液壓缸與減振器。液壓部分主要由油源、電液伺服閥和液壓缸等組成，是測(cè)試臺(tái)的驅(qū)動(dòng)控制核心，圖中作動(dòng)器即為閥控缸模塊，其中液壓缸為非對(duì)稱伺服液壓缸，活塞桿行程為120 mm，最高速度為0.6 m/s。電控部分主要由監(jiān)控器、控制器和相關(guān)傳感器組成，利用數(shù)據(jù)采集與驅(qū)動(dòng)板卡完成力、加速度和位移等信號(hào)的采集，同時(shí)驅(qū)動(dòng)伺服閥控制液壓缸給減振器以激勵(lì)。

該測(cè)試臺(tái)的開發(fā)基于xPC Target快速控制原型設(shè)計(jì)思想，可以將控制策略直接應(yīng)用于實(shí)物裝置，快速地進(jìn)行半物理在線仿真和調(diào)試[8]。工程師只需要掌握Simulink和LabVIEW等相關(guān)軟件，就可以在項(xiàng)目開發(fā)階段使用Simulink所開發(fā)的控制策略進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證[9]。設(shè)計(jì)思想的優(yōu)點(diǎn)在于考慮了被控對(duì)象的擾動(dòng)、噪聲等實(shí)際因素，能夠快速發(fā)現(xiàn)模型的缺陷，仿真結(jié)果更接近實(shí)際應(yīng)用效果，從而提高了項(xiàng)目開發(fā)效率。下面將對(duì)減振器測(cè)試臺(tái)的電控部分進(jìn)行重點(diǎn)闡述。

3 電控部分硬件構(gòu)成

為了繪制減振器示功圖和加速度特性曲線，根據(jù)測(cè)試臺(tái)的組成，需要采集減振器活塞桿的位移信號(hào)、減振器的阻尼力信號(hào)和車身負(fù)載的加速度信號(hào)，同時(shí)將系統(tǒng)控制信號(hào)送到伺服閥對(duì)作動(dòng)器進(jìn)行實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)。位移信號(hào)采用位移傳感器DA-75采集，DA-75的量程為150 mm，精度為1%FS，輸出電壓為-5～+5 V；阻尼力信號(hào)采用拉壓力傳感器RZZSA采集，RZZSA的量程為1 000 kg，精度為0.05%FS，輸出電流為4～20 mA；加速度信號(hào)采用加速度傳感器BZ1186采集，其量程為40 ms-2，精度為1%FS，輸出電流為4～20 mA；采用電液伺服閥FF106-100驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器，F(xiàn)F106-100的額定電流為40 mA。根據(jù)測(cè)控系統(tǒng)采集信號(hào)的數(shù)量，采用的數(shù)據(jù)采集與驅(qū)動(dòng)板卡包括六路模擬量輸入通道和三路模擬量輸出通道。減振器測(cè)試臺(tái)電控部分硬件組成如圖2所示。

該系統(tǒng)采用了2臺(tái)計(jì)算機(jī)，其中一臺(tái)作為上位機(jī)監(jiān)控器，可運(yùn)行Matlab R2011b、LabVIEW8.2和VC2005等軟件，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示和控制參數(shù)實(shí)時(shí)修正等；另一臺(tái)采用研祥PC104-1812CN作為下位機(jī)控制器，采集傳感器數(shù)據(jù)和發(fā)送伺服閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

4 電控部分軟件結(jié)構(gòu)

電控部分軟件由下位機(jī)和上位機(jī)兩部分程序組成，分別以Simulink和LabVIEW為編程工具。

4.1 下位機(jī)程序

下位機(jī)程序主要實(shí)現(xiàn)測(cè)試臺(tái)的伺服控制，其組成和Simulink模型分別如圖3和圖4所示。

從圖3和圖4可知，邏輯保護(hù)模塊產(chǎn)生控制信號(hào)，對(duì)測(cè)試臺(tái)進(jìn)行初始化（如使作動(dòng)器的活塞桿至中間位置），

并且根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工作狀況進(jìn)行故障診斷，確保測(cè)試臺(tái)處于安全狀態(tài)；信號(hào)發(fā)生模塊利用Simulink代碼產(chǎn)生常用的測(cè)試信號(hào)（如正弦、方波、掃頻和隨機(jī)等），這些信號(hào)的幅值、頻率和相位等參量可以實(shí)時(shí)修改；數(shù)據(jù)采集與驅(qū)動(dòng)模塊包括AD和DA，負(fù)責(zé)將采集到的傳感器信號(hào)反饋至控制模塊，同時(shí)將控制模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳給伺服作動(dòng)器?？刂颇K是伺服控制的核心，利用位移、速度和加速度3個(gè)狀態(tài)前饋及反饋的控制策略，實(shí)現(xiàn)高頻、高精度控制；通訊模塊負(fù)責(zé)上位機(jī)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，并將參考信號(hào)和反饋信號(hào)上傳至監(jiān)控器。

4.2 上位機(jī)程序

上位機(jī)程序與下位機(jī)程序的數(shù)據(jù)交互由Matlab提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫文件xpcapi.dll中相應(yīng)xPC Target API接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)[10]。下位機(jī)程序編譯后生成model.dlm、modelbio.m和modelpt.m等3個(gè)文件。上位機(jī)程序開始運(yùn)行后首先對(duì)相關(guān)變量初始化，使得所有控件工作在確定狀態(tài)；然后打開網(wǎng)絡(luò)端口，建立通訊連接，下載model.dlm文件到下位機(jī)，再取得相應(yīng)參數(shù)的操作標(biāo)識(shí)符；最后運(yùn)行下位機(jī)程序，觸發(fā)雙緩沖區(qū)，進(jìn)行數(shù)據(jù)操作和參數(shù)修改。上位機(jī)程序流程如圖5所示。

對(duì)采集到的阻尼力和加速度數(shù)據(jù)運(yùn)用算術(shù)平均濾波法去除高頻雜波后，在監(jiān)控器上進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)或頻域分析操作。數(shù)據(jù)顯示模塊能夠顯示位移、力和加速度信號(hào)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊可以保存需要離線分析的數(shù)據(jù)，以便后期處理；頻域分析模塊能夠明確所調(diào)試參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響；參數(shù)修改模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)激勵(lì)信號(hào)的參數(shù)，若發(fā)生變化則調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫中相應(yīng)的函數(shù)進(jìn)行修改。LabVIEW參數(shù)修改程序如圖6所示。

5 測(cè)試臺(tái)應(yīng)用測(cè)試

選用帶空氣彈簧的四擋阻尼可調(diào)汽車減振器作為試驗(yàn)對(duì)象，通過上位機(jī)程序修改激勵(lì)信號(hào)的幅值和頻率，并手動(dòng)開關(guān)調(diào)節(jié)減振器的阻尼狀態(tài)。減振器測(cè)試臺(tái)、控制器和上位機(jī)操作界面分別如圖7～圖9所示。

5.1 示功試驗(yàn)

進(jìn)行示功試驗(yàn)時(shí)，首先啟動(dòng)液壓泵，調(diào)節(jié)手動(dòng)開關(guān)使減振器處于1擋阻尼狀態(tài)；然后運(yùn)行上位機(jī)，將閉環(huán)形式選為位置閉環(huán)控制，信號(hào)發(fā)生器選正弦信號(hào)；再設(shè)定正弦信號(hào)的幅值為0.025 m、頻率為0.331 Hz；點(diǎn)擊READY按鈕，等待伺服缸活塞桿升到中位；最后點(diǎn)擊START按鈕開始試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，減振器活塞桿以0.025 m行程、0.052 m/s速度進(jìn)行壓縮和復(fù)原運(yùn)動(dòng)，點(diǎn)擊保存按鈕可保存位移和阻尼力數(shù)據(jù)。一組試驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉START，保持激勵(lì)信號(hào)的幅值不變，通過改變頻率使減振器活塞桿速度分別為0.131 m/s、0.393 m/s和0.520 m/s，再按照上述步驟重復(fù)試驗(yàn)。根據(jù)保存的位移和阻尼力數(shù)據(jù)繪制示功圖，如圖10所示。由圖10可看出，減振器活塞桿以相同行程、不同速度運(yùn)行時(shí)，速度越快，阻尼力越大，做功越多。

按照上述操作步驟，調(diào)節(jié)手動(dòng)開關(guān)使減振器處于1擋阻尼狀態(tài)，設(shè)定激勵(lì)正弦信號(hào)幅值為0.025 m、頻率為3.31 Hz進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)后保存位移和阻尼力數(shù)據(jù)。再保持激勵(lì)信號(hào)不變，依次使減振器處于2、3、4擋阻尼狀態(tài)，分別進(jìn)行試驗(yàn)并保存數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)繪制示功圖，如圖11所示。由圖11可看出，該減振器在不同阻尼擋位下，壓縮阻尼力與復(fù)原阻尼力變化明顯，其中壓縮行程阻尼力＜0，復(fù)原行程阻尼力＞0；曲線1壓縮行程與復(fù)原行程的阻尼力均為最大值，減振器處于最硬狀態(tài)；曲線2壓縮行程比復(fù)原行程的阻尼力大，減振器處于硬壓縮、軟復(fù)原狀態(tài)；曲線3復(fù)原行程比壓縮行程的阻尼力大，減振器處于硬復(fù)原、軟壓縮狀態(tài)；曲線4壓縮行程與復(fù)原行程的阻尼力均為最小值，減振器處于最軟狀態(tài)。

5.2 振動(dòng)試驗(yàn)

進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，首先啟動(dòng)液壓泵，調(diào)節(jié)手動(dòng)開關(guān)使減振器處于1擋阻尼狀態(tài)；其次運(yùn)行上位機(jī)，將閉環(huán)形式調(diào)節(jié)到位置閉環(huán)控制；然后點(diǎn)擊READY按鈕，此時(shí)伺服缸活塞桿升到中位；再選閉環(huán)形式為加速度閉環(huán)控制，信號(hào)發(fā)生器選正弦信號(hào)，設(shè)定幅值為20 m/s2、頻率為8 Hz；最后點(diǎn)擊START按鈕開始試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，減振器活塞桿在幅值為20 m/s2、頻率為8 Hz的加速度信號(hào)激勵(lì)下進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，點(diǎn)擊保存按鈕保存時(shí)間和負(fù)載加速度數(shù)據(jù)。一組試驗(yàn)結(jié)束后關(guān)閉START，保持激勵(lì)信號(hào)幅值不變，分別使頻率為12 Hz和20 Hz，再按照上述步驟重復(fù)試驗(yàn)。根據(jù)保存的時(shí)間和負(fù)載加速度數(shù)據(jù)繪制負(fù)載加速度特性曲線，如圖12所示。由圖12可看出，隨著激勵(lì)加速度信號(hào)的頻率增加，負(fù)載加速度分別由20 m/s2衰減到7.5 m/s2、3.0 m/s2和1.0 m/s2，分別衰減了62.5%、85%和95%，激勵(lì)信號(hào)的頻率越大，負(fù)載加速度越小，減振器效果更明顯。

按照上述操作步驟，調(diào)節(jié)手動(dòng)開關(guān)使減振器處于1擋阻尼狀態(tài)，設(shè)定激勵(lì)加速度信號(hào)幅值為20 m/s2、頻率為10 Hz進(jìn)行試驗(yàn)并保存時(shí)間和負(fù)載加速度數(shù)據(jù)。再保持激勵(lì)信號(hào)不變，依次使減振器處于2、3、4擋阻尼狀態(tài)分別進(jìn)行試驗(yàn)并保存數(shù)據(jù)，繪制負(fù)載加速度特性曲線如圖13所示。由圖13可看出，該減振器在不同阻尼擋位下，負(fù)載加速度最大值變化明顯，在第4擋阻尼狀態(tài)下檢測(cè)到的負(fù)載加速度最小，激勵(lì)加速度值被衰減的最多，減振效果最好。

6 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種基于xPC的電液伺服式減振器測(cè)試臺(tái)，與傳統(tǒng)機(jī)械式的減振器測(cè)試臺(tái)相比，所研制的汽車減振器測(cè)試臺(tái)頻寬大、精度高，完全滿足阻尼可調(diào)汽車減振器的性能測(cè)試要求。另外，該測(cè)試臺(tái)還能對(duì)激勵(lì)信號(hào)的幅值和頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)修改，模擬任意工況，顯示了基于xPC Target快速控制原型設(shè)計(jì)思想的優(yōu)越性。試驗(yàn)結(jié)果表明，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)所繪制的減振器示功圖和負(fù)載加速度特性圖，曲線平滑流暢，沒有空程和畸變，完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

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（責(zé)任編輯 文 楫）

修改稿收到日期為2015年8月8日。

3 結(jié)束語

本文通過試驗(yàn)結(jié)合主觀評(píng)價(jià)的方法得知發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣噪聲和車身低頻結(jié)構(gòu)聲是噪聲的主要來源。針對(duì)進(jìn)氣噪聲，設(shè)計(jì)了合適的波長管，并采用優(yōu)化了消聲容積和擴(kuò)張比的新型空氣濾清器，降低了進(jìn)氣的中低頻噪聲成分；針對(duì)結(jié)構(gòu)噪聲，調(diào)整了怠速轉(zhuǎn)速以避開結(jié)構(gòu)共振，從而降低了低頻結(jié)構(gòu)噪聲。最終大幅降低了車內(nèi)噪聲，同時(shí)消除了異響，使汽車聲品質(zhì)得到了顯著改善。

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（責(zé)任編輯 簾 青）

修改稿收到日期為2015年11月1日。

Design and Experimental Study of Test Bench for Damping Adjustable Shock Absorber Based on xPC

Xie Fangwei,Xuan Rui,Zhang Bing,Wang Cuntang,Zhang Kai
（Jiangsu University）

To meet the requirements for rapid frequency response and high precision of the automotive damping adjustable shock absorber,an electro-hydraulic servo type shock absorber test bench the is designed.The electronic control part of the test bench is developed based on xPC Target rapid control prototyping,and the monitor and control can be achieved via joint work of host and target computer.The test bench is used to test performance of the damping adjustable shock absorber.The results show that the test bench can completely replace the existing mechanical test bench,moreover, it can also meet the requirement of automotive damping adjustable shock absorber for response and precision.

Damping Adjustable Shock Absorber,Test Bench,Electro-hydraulic Servo,xPC Target

阻尼可調(diào)減振器 測(cè)試臺(tái)架 電液伺服 xPC Target

U467.3

A

1000-3703（2015）12-0044-05

江蘇省工業(yè)支撐重點(diǎn)項(xiàng)目子課題（項(xiàng)目編號(hào)：BE2013009-3）。