基于LabVIEW的EPS性能试验台测控系统

李洪强，孟建兵，曲宝军，董小娟，娄广军，黄丙琪

(山东理工大学 机械工程学院，山东 淄博 255049)

随着汽车的普及和电子技术的广泛应用，驾驶员对操纵汽车的轻便性、灵活性、稳定性、安全性等要求越来越高，越来越多的电子控制技术被应用到汽车的各个系统中[1]。电动助力转向系统(Electric Power Steering， EPS)是一种使用电机提供助力的新型动力转向系统。与液压动力转向系统相比，EPS可以提高车辆助力转向的特性，保证汽车转向轻便性和驾驶安全性[2-3]。EPS的成功研发必须依靠大量的实车试验，将系统的各项性能调整到最优的工作状态[4-5]。对EPS进行实车试验需要大量的人力、物力，试验费用高，而且还有一定的危险性，而通过台架性能试验可以掌握EPS的基本特性,并有助于控制系统的测试和调试。台架虽然不能精确模拟实际路面行驶工况力特性,但通过研究电机的控制规律以及参数的调整,分析EPS的综合性能和控制参数变化对EPS综合性能的影响，能为将来实车测试提供一些基本的参数和算法，可以降低实车路试的危险性和研究成本[6]。因此，开发出一套EPS的台架试验测控系统是非常有必要的。

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一种用图标来代替文本用以创建应用程序的计算机编程语言[7]，它是目前国际上首先推出并应用最广的数据采集和控制开发环境之一，主要应用于仪器控制、数据采集、数据分析、数据显示等领域,并适用于多种不同的操作系统平台[8]。本文基于双诺AC6614数据采集系统卡与 LabVIEW 软件开发一套对数据采集、传输、处理、监控和显示的EPS试验台测控系统。

1 EPS试验台的机械装置

本文EPS试验台主要用于检测和开发EPS的基础性能试验，是参照我国的《汽车电动助力转向装置技术条件与台架试验方法》手册中对EPS基础性能台架试验方法的要求设计的。EPS试验台的机械结构包括试验台架、模拟转向盘输入装置 (包括输入端步进电机、输入端伺服电机、减速器、输入扭矩传感器、联轴器)、EPS转向器总成(包括蜗轮蜗杆减速机构、控制器、扭矩传感器、直流电机)、输出加载装置(包括输出端步进电机、输出端伺服电机、减速器、输出扭矩传感器、联轴器)等组件。其机械结构示意图如图1所示。

试验台的主要作用是模拟汽车在不同的车速、实际转向时所受转向阻力矩大小等工况，通过信号采集系统采集和检测助力电机电流、电压、助力扭矩、转向盘转角、转向盘扭矩等信号，实时处理、显示，然后绘制成各种曲线显示在屏幕上，并将处理后的数据保存到数据库中，供试验分析、研究EPS的性能参数，并对软硬件的改进作出指导，同时也可用来研究控制系统的控制算法，并为将来实车试验准备所需的一些数据。

图1 EPS试验台机械结构示意图Fig.1 Schematic mechanical structure of EPS test bench

2 EPS试验台的硬件系统设计和工作原理

EPS试验台主要由转向输入驱动部分、EPS总成部分、输出加载部分、转速信号发生部分、数据采集部分、工控机等组成，其结构如图2所示。在EPS试验过程中，工控机通过运动控制器向伺服驱动器发送指令控制输入、输出端伺服电机转动方向、转动角度和加载大小，按试验要求进行试验。同时工控机还会控制车速、发动机转速信号发生器发出脉冲信号，经信号调制器输入到ECU中，EPS就会在相应车速和发动机转速工况下工作。各种不同功用的传感器会根据采集卡的需要采集各种不同的信号，并且输送到数据采集卡中，然后通过数据采集卡模拟量通道输入工控机，经工控机处理后实时显示各种数据和绘制成各种曲线显示在屏幕上。系统试验程序运行在工控机上，通过程序来模拟实车测试的环境。

输入、输出端的连接与断开均由步进电机的左转和右转完成，工控机通过程序控制运动控制器向步进电机驱动器发送指令，控制步进电机的左转与右转，带动导轨的前进和后退，完成输入、输出端的断开与连接，实现了连接和断开的自动化，减少了手动连接与断开，提高了工作效率。

转向输入驱动部分主要由输入端伺服电机及伺服驱动器、输入端减速器、输入端扭矩传感器等构成。伺服电机控制器控制伺服电机转动，可以准确得到转动力矩的大小、转动角度和输入轴转速，用来模拟在转向时，驾驶员施加在方向盘上的手力、方向盘转角的大小和方向盘转动速度的快慢。

图2 EPS试验台硬件系统结构示意图Fig.2 The schematic diagram of the structure of the EPS test bench

输出加载部分主要由输出端伺服电机及伺服驱动器、输出端减速器、输出端扭矩传感器等构成。在汽车的实际转向过程中，轮胎会受到来自地面的转向阻力，它受到车辆前桥载荷、轮胎与地面摩擦系数、轮胎内压、车辆行驶速度等因素的影响。输出端的伺服电机可以加载不同比例系数的力矩，用来准确模拟汽车在不同车速时，转向所受到的转向阻力矩。

汽车实际转向过程中是带有车速的，而EPS试验属于台架试验，所以发动机转速信号和车速信号要利用转速信号发生部分模拟。实际汽车的发动机转速信号和车速信号为脉冲信号，在EPS试验中，发动机转动速度、车速所需要的脉冲信号的频率是由试验程序来控制的，从而实现了对发动机转动速度和车速的模拟。

数据采集卡、扭矩和转角传感器、电流传感器等组成了信号采集部分，其所需采集的信号包括输入、输出端扭矩信号、EPS中的扭矩转角信号、助力电机和ECU的电压和电流信号。这些复杂的信号都会由不同功用的传感器收集并输送到数据采集卡中。本试验台所采用的数据采集卡为双诺公司的AC6614数据采集卡，AC6614数据采集卡采集速率100 kHz,具有32路单端/16路差分模拟输入、开关量16路输入/16路输出、2路静态输出DA、2路20位脉冲输出和4路24位计数器。AC6614数据采集卡的采集通路和采集速率完全满足EPS试验台的采集任务要求。

工控机实现对输入、输出端伺服电机的驱动控制，车速和发动机转速信号的模拟输出，接收经数据采集卡收集转换的各种数据，对这些数据处理、分析、保存和实时显示，同时将这些数据绘制为各种类型的曲线，以便于分析和研究。

3 EPS试验台的软件实现

本EPS试验台软件系统由虚拟仪器的LabVIEW实现。虚拟仪器是一种应用于计算机的仪器，当前，虚拟仪器发展的一个重点就是和计算机的紧密结合。结合方式共有两种，一种是嵌入系统的仪器，另外一种便是将仪器安装于计算机中，以计算机操作系统和硬件为依托，展现仪器的种种功能。EPS试验台软件系统就是应用虚拟仪器技术来采集各类所需的数据，使试验台测控系统的准确性和工作效率得到提高[9]。LabVIEW是一种集图形化编程语言和服务与测试测量于一体的软件，具备数据采集、数据分析和处理、产生信号、信号处理、输入输出控制等功能，提供处理信号的函数和从上层界面到驱动底层仪器等一系列的解决方案及应用于不同场合的工具包，同时它支持各种仪器接口，并提供一系列便捷的仪器调试工具[10]。EPS试验台测试系统程序设计包括以下几个部分：

1)软件主控制界面。EPS试验台软件测试系统由参数设置、传感器标定、数据处理、性能测试、元件测试等部分组成，软件主控制界面主要是管理和进入测试系统的各个部分。软件测试系统主控制界面如图3所示。

图3 软件测试系统主控制界面Fig.3 Master control interface of software testing system

2)参数设置与传感器的标定。参数设置包括合格标准、用户信息、过程参数、车速选择，可根据试验要求对其中的一些参数进行更改。通过对各传感器的参数进行标定，用以确保试验中所采集数据的真实性。

3)伺服电机运动控制。利用运动控制器对EPS输入、输出端的伺服电机进行控制，使其按照试验规定运动和加载，伺服电机的运动状态由伺服电机上的编码器反馈的信号监控。

4)传感器信号采集。负责采集的信号包括输入、输出端扭矩信号，EPS中的扭矩和转角信号，助力电机和ECU的电压和电流信号等。

此外，LabVIEW具有数据分析功能，可以用它对数据进行滤波处理、频谱分析以及曲线拟合等。

5)图形、数据显示。将处理过的试验数据实时显示，并在LabVIEW前面板上绘制成各种曲线。

6)数据保存。保存试验数据和结果，用户可以通过数据库操作界面对已保存的试验数据进行查询。

EPS试验台测试系统程序设计流程图如图4所示。

图4 EPS试验台测试系统程序设计流程图Fig.4 The programming flow diagram of the EPS test bench

在试验测试过程中，实验数据的采集、处理、分析等部分是在LabVIEW程序框图面板上实现的。每个VI前面板和框图程序面板的程序是一一对应的，通过在框图程序面板的控件之间进行连线和添加程序来处理采集的实验数据，并在前面板控件上进行显示。测试系统正向空载试验的部分框图程序如图5所示。

图5 测试系统正向空载试验的部分框图程序Fig.5 Some block diagram procedure of the test system under forward to no-load test

4 EPS试验台试验结果

本文以循环球式电动助力转向系统为例进行测试，将测试EPS安装到试验台上，测试系统正常工作，按照试验要求对EPS试验台进行输入扭矩/输出扭矩试验，方法如下：连接好输入、输出端，输出端固定,汽车点火开关开启，发动机信号开启，设置0 km/h、20 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h 5个不同车速，输入轴从中间位置以30°/s±5%的转速顺时针转动，直到达到10 N·m的力矩时，以同样的速度反转回到初始位置，再以相同的速度逆时针转动输入轴，直到达到-10 N·m的力矩，最后输入轴回到中间位置，试验结束。图6为输入扭矩/输出扭矩-速度特性曲线，在输入扭矩/输出扭矩试验中，测得在车速为0 km/h、20 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h 5个不同车速时曲线的对称度分别为96.94%、95.38%、94.14%、93.02%、91.89%，均在试验测试要求的90%以上。试验结果表明，本文所开发的电动助力转向基础性能试验台所测量的试验数据可靠，能够达到EPS基础性能试验要求的标准。

图6 输入扭矩/输出扭矩-速度特性曲线图Fig.6 Input torque / output torque-speed characteristic curve

5 结束语

本文基于LabVIEW开发了一套集数据采集、分析、处理、图形绘制、数据显示等一体的电动助力转向性能试验台测试系统，该测控系统主要用于对EPS的输入、输出扭矩，电动机的吸收电流、马达电流和电动机提供的助力扭矩等信号的检测并对某型汽车的循环球式EPS系统进行基础性能试验。本文开发的电动助力转向性能试验台架可以准确检测汽车电动助力转向系统基础性能参数在满足试验要求的前提下是否符合标准，为进一步研究和开发EPS系统性能提供了方便。