基于LabVIEW的EPS助力特性测试系统的设计

时利，黄鹤，赵林峰，邵文彬

（1.安徽理工大学 机械工程学院，安徽 淮南 232001；2.合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009；3.江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230009）

基于LabVIEW的EPS助力特性测试系统的设计

时利1，黄鹤2，赵林峰2，邵文彬3

（1.安徽理工大学 机械工程学院，安徽 淮南 232001；2.合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009；3.江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230009）

基于LabVIEW图形化编程语言设计了汽车电动助力转向系统（EPS）的助力特性测试系统，采用信号发生模块模拟车速信号、发动机转速信号以及转向盘操纵力矩信号并注入EPS控制器，实现EPS在LabVIEW环境下模拟整车环境的工作状况；同时，采用信号采集模块对助力转矩信号以及助力电流信号进行采集、处理。使用该测试系统对某型号EPS在不同车速工况下的助力特性进行测试，证实了该测试系统的有效性，同时测试结果为EPS控制器的设计以及控制策略的制定提供了一定的参考依据。

EPS；测试系统；助力特性；整车环境；LabVIEW

电动助力转向系统（EPS）因节能、环保和助力响应迅速等优点而受到广泛的应用［1］。在EPS的开发过程中，为了测试、验证助力特性的合理性、有效性，需对装有EPS的车辆进行实车的转向轻便性测试［2］，一方面，实车试验较高的测试成本［3］及高速危险性使其难以普遍使用；另一方面，对于无论是直线型、折线型或是曲线型的助力策略［4］，实车试验均无法有效地、完整地进行验证。因此有必要开发一种针对EPS助力特性的测试系统，用于实验室环境下模拟整车环境进行EPS助力特性的测试，利用记录的测试数据对EPS的助力特性进行评价分析以及为EPS控制器的设计及控制策略的制定提供一定的参考依据。

笔者基于LabVIEW设计了汽车电动助力转向系统的助力特性测试系统，对某种型号EPS在不同车速工况下的助力特性进行了测试。

1 测试系统的组成

1.1 测试原理

如图1所示，为测试整车环境下EPS的助力特性，需要对车辆的部分信号诸如车速、发动机转速以及驾驶员对转向盘的操纵力矩信号进行构建并注入EPS控制器中，再通过信号采集模块对EPS输出的助力力矩以及助力电流进行实时采集、记录，最后通过绘制转向盘操纵力矩与EPS助力电流以及助力力矩的相关性图线可得到不同车速工况下EPS的助力特性。

图1 测试系统原理图

1.2 硬件组成

测试系统主要由EPS控制器、助力电机、工控机、数据采集卡、转矩传感器以及磁粉加载器等组成，包括工控机、数据采集卡等在内的信号处理设备以及助力电机的安装布置情况具体如图2所示。

图2 测试系统布置图

2 信号发生模块

电动助力转向系统（EPS）在整车中接受车速传感器和发动机转速传感器发出的车速信号和发动机转速信号，在研究了被测试的某型号EPS控制器信号类型的基础上，基于LabVIEW图形化编程语言［5］设计了信号发生模块，其具体包括车速、发动机转速信号发生模块以及转向盘操纵力矩信号发生模块。

2.1 车速及发动机转速信号发生模块

对被测试EPS控制器中使用的车速信号以及发动机转速信号进行信号采集分析，确定了车速信号和发动机转速信号均为定幅值、定占空比，变频率的脉冲信号。通过Matlab［6］将实验数据进行拟合得到了车速、发动机转速与各自频率的图线，如图3所示，其关系公式为

式中：Spd为车速；Rpm为发动机转速。

图3 车速信号与发动机转速信号曲线

基于此2种信号的特征，采用模拟输出接口发送脉冲波形信号，编写了如图4所示的车速、发动机转速信号的发生模块。

图4 车速与发动机转速信号发生模块

2.2 转向盘操纵力矩信号发生模块

如上所述，已经完成对EPS控制器所需车速信号以及发动机转速信号的构建，而EPS实际助力大小主要是依靠转矩传感器检测到的驾驶员对转向盘的操纵力矩并结合当前的车速来决策，而发动机转速信号则对车速信号的有效性进行校验。所以，在未知原转矩传感器的工作原理情况下，对其输出的信号进行分析并模拟出与其具有相同信号特征的自定义转向盘操纵力矩信号，对于EPS助力特性测试系统而言至关重要，同时也是本测试系统的关键技术。

如图5a所示，断开位于转向管柱上的转矩传感器与EPS控制器之间的联系后，将插针连接上原转矩传感器的输出端，采用测力方向盘并结合图5b所示的采集、标定程序对其输出的转矩信号进行频率、占空比及幅值等特征的分析，得知其工作原理为：原转矩传感器输出的是两路幅值、频率相同的方波信号，分别定义为T1、T2，随着转向盘的操纵力矩的增大，T1、T2的频率、幅值均恒定，而其占空比发生变化。无负载情况下，占空比T1dc和T2dc为0.5，在负载由0逐渐增大时，T1dc由 0.5线性增加，T2dc由0.5线性减小，整个加载过程中，T1dc与T2dc数值之和始终为1。基于此信号特征，对信号T1、T2进行标定，如图6所示，将采集到的实验数据进行拟合得到T1、T2与转向盘操纵力矩T的关系曲线公式为

图5 转向盘操纵力矩信号的分析、标定

图6 转矩拟合曲线

通过以上对原转矩传感器输出信号的分析、标定，可以模拟输出与之相同频率、幅值的方波波形，并且依照标定公式（3）自定义方波信号的占空比来模拟实际的转向盘操纵力矩信号。T1、T2两路转矩信号为高频信号，采用计数器输出接口发送，编写转向盘操纵力矩发送程序如图7所示。

图7 转向盘操纵力矩发送模块

3 助力信号与EPS指示灯采集模块

助力电机输出的助力转矩直接表征了EPS的助力特性，本测试系统采用磁粉加载器作为助力电机的输出负载，故采集安装在助力电机与磁粉加载器之间的转矩传感器信号可以等效测量出助力转矩；同时，助力电机的直流特性使得其输出的助力转矩与电枢电流成正比，因此助力电流也是体现EPS助力特性的重要参数［7］，故测试系统中采用助力转矩和助力电流表示助力特性。为了确保测试下的EPS控制器能够正常工作，采集EPS工作指示灯用以指示EPS的工作状态。

助力转矩及助力电流均为模拟量信号，使用模拟输入接口采集，而EPS工作指示灯信号为数字量，其采集使用数字接口，最终编写助力信号以及EPS工作指示灯信号的采集程序如图8所示。

图8 助力信号与EPS工作指示灯采集程序

4 试验测试

通过将自定义的车速信号、发动机转速信号以及操纵转矩信号注入EPS控制器，在LabVIEW环境下模拟整车上EPS的工作环境，采用如图9所示的助力特性测试面板对其助力特性进行测试。

图9 助力特性测试面板

试验测试中，通过发送0.2N·m增量的转向盘操纵力矩给EPS控制器，在车速分别为0km·h-1、10km·h-1、20km·h-1、40km·h-1、60km·h-1、80km·h-1的6种工况下，测试助力电机输出的助力转矩及助力电流，采用相关性图线，分析得到转向盘操纵力矩与助力转矩、助力电流的关系，即EPS的助力特性；不同车速下的助力特性如图10所示。

结合图10中的助力电流以及助力转矩同转向盘操纵力矩的关系曲线可以得知：1）测试车速工况下的助力特性线型均为曲线型，其助力电流峰值恒定约为52A，助力转矩峰值恒定约为47N·m，两者均不随车速变化。2）在试验测试车速工况下，随着车速的增加，助力启动死区的上限值变化范围是1.2～2 N·m，助力饱和死区下限值变化范围是3～4.6 N·m。

图10 助力特性

5 结论

基于LabVIEW图形化编程语言设计了汽车电动助力转向系统（EPS）的助力特性测试系统，通过模拟信号并注入EPS控制器的测试原理，实现LabVIEW环境下模拟EPS正常工作所需的整车环境。

经过试验测试，设计的测试系统有效地采集并记录了不同车速工况下助力电机的助力转矩以及助力电流，利用记录下的测试数据对EPS控制器的助力特性进行相关图线绘制，可以得出结论：

1）测试的EPS在不同车速下的助力特性线型为曲线型，其助力电流峰值和助力转矩峰值为定值，均不随车速变化。

2）测试的EPS助力启动死区的上限值和助力饱和死区下限值对应的操纵力矩均随着测试车速的增加而增加。

3）在测试的各个车速工况下，正反2个方向的助力电流以及助力转矩的对称性较好。

4）设计的测试系统可以在实验室环境下实现对包括助力转矩以及助力电流在内的助力策略进行完整、有效地测试；同时，包括助力电流峰值、助力转矩峰值、助力启动死区及助力饱和死区的取值范围等在内的测试结果对EPS控制器的设计以及助力策略的制定具有一定的参考价值。

［1］赵万忠，徐晓宏，赵婷，等.新型汽车动力转向技术发展综述［J］.汽车工程学报，2012，2（6）：393-399.

［2］GB/T 6323.5-94,汽车操纵稳定性试验方法——转向轻便性试验［S］.

［3］施国标，林逸，陈万忠，等.汽车电动助力转向试验台测试系统开发［J］.测控技术，2005，24（3）：23-25.

［4］申荣卫，林逸，台晓虹，等.电动助力转向系统建模与补偿控制策略［J］.农业机械学报，2007，38（7）：5-9.

［5］王冠华.LabVIEW 图形化程序设计［M］.北京:国防工业出版社，2011.

［6］敬照亮.MATLAB教程与应用［M］.1版.北京：清华大学出版社，2011.

［7］季学武，马小平，陈奎元.EPS系统性能试验研究［J］.江苏大学学报：自然科学版，2004（2）：116-119.

［8］袁带英.汽车电动助力转向虚拟测试系统的研究［D］.重庆：重庆交通大学，2009.

［9］王迅.电动助力转向系统 （EPS）技术现状与发展［J］.湖北汽车工业学院学报，2008（3）：21-24.

Design of Assist Characteristic Testing System for EPS Based on LabVIEW

Shi Li1,Huang He2,Zhao Linfeng2,Shao Wenbin3
（1.School of Mechanical Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China; 2.School of Machinery and Automobile Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China; 3.Technology Center,Jianghuai Automobile Co.Ltd.,Hefei 230009,China）

A testing system of assist characteristic in Electric Power Steering system （EPS）was designed based on the LabVIEW.The speed signal,the engine speed signal and the steering wheel torque signal were simulated and injected to the EPS controller by signal generation module to simulate the EPS’s working conditions in vehicle environment by LabVIEW.The assist torque signal and the assist current signal were collected,processed by the signal collection module.A type of EPS was tested by the testing system in different speed conditions,the results confirm the effectiveness of the assist characteristic testing system and provides a certain reference for designing the EPS controller and formulating the control strategies.

EPS;testing system;assist characteristic;vehicle environment;LabVIEW

U463.4

A

1008－5483（2014）01－0001－04

2014-03-19

校企合作项目（102-43352302）；中央高校基本科研业务费专项资金（2013HGBH0006）

时利（1990-），男，安徽宿州人，硕士生，主要从事车辆动力学及其控制方面的研究。

10.3969/j.issn.1008-5483.2014.01.001