CN101726421B - 一种交流电动助力转向系统的实验台架 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种交流电动助力转向系统的实验台架，应用于汽车零部件领域。车辆电动助力转向系统从开始研发都要经过长时间的台架实验，检验控制算法的可行性，经过台架试验后才可进行装车实验。本发明设计了一个用于交流电动助力转向系统的实验台架，可进行电动助力转向系统控制方案的台架实验，实验结果为下阶段的装车实验做准备。应用本实验台架可进行阻力模拟、控制算法实施效果模拟等，通过台架试验可大大减少装车实验的工作量，进而节约开发成本、缩短开发周期。

Description

一种交流电动助力转向系统的实验台架

技术领域

一种交流电动助力转向系统的实验台架属于汽车零部件领域。

背景技术

车辆转向系统是车辆至关重要的部件，它的性能直接关系到车辆行驶的安全性及舒适性，所以任何一种转向系统(机械转向系统、液压助力转向系统、电动助力转向系统)从开始研发到大规模装车应用都要经过原理设计、台架实验、装车实验、修改完善四个阶段，开发周期要长达十年左右。如果台架试验做得好可部分替代装车实验和修改完善阶段的工作，进而节约试验成本、缩短开发周期。要实现以上目的必须设计一个功能齐全、可模拟实际工况的实验台架。

工况模拟、算法实现和数据采集是实验台架的三大功能，也是评价一个实验台架性能优劣的关键指标。对于电动助力转向系统来讲工矿模拟部分要能真实模拟车辆转向过程中转向系统所受的路面阻力，而且阻力大小能实时可调。经过综合比较，液压系统能保证实时性和是实现大阻力模拟，而且和刹车盘系统结合后能满足工艺要求。算法实现部分要能满足算法实现所需的计算机硬件、软件要求，要能保证算法实时性要求。经过对比，采用工控计算机来实现算法的实施和参数的修改。数据采集部分要能实时、快速的采集实验数据和工况数据。为保证数据采集的实时性和多传感器数据采集的要求，采用多路高速数据采集卡作为数据采集部分的最前端，而后数据按规定的格式存储到工控机中，这样既可以满足数据采集的要求。也可以存储海量数据。

本发明就设计了一个交流电动助力转向系统的实验台架，可进行电动助力转向系统控制方案的台架实验，为第三阶段的装车实验做准备。

发明内容

本发明的目的在于模拟电机直接驱动结构，可以模拟多种工况下的实验数据采集，提高台架和真实情况尽可能相近。

交流电动助力转向系统(AEPS)实验台架结构如图1所示，系统由五个部分组成：

1)机械转向：包括方向盘1、转向轴(输入轴2、输出轴9)；

2)路面阻力模拟部分：采用桑塔纳轿车的刹车系统来模拟路面阻力，包括刹车片、摩擦片6、液压站7，通过计算机控制液压系统压力来实现刹车片和摩擦片之间压力的调整，进而调整转向阻力的大小，实现对各种工况的模拟；

3)系统控制与数据采集系统5：系统控制分为为对电机输出转矩的给定控制和对模拟路面阻力的控制，系统控制与数据采集系统5实时把相关工况信息收集起来，为验证方案可行性、调整系统参数提供依据；

4)交流转矩伺服系统10：基于三相鼠笼电机的交流转矩伺服系统接受系统控制与数据采集系统5的输出转矩指令，控制转矩输出，实现助力；

5)多传感器系统：多传感器系统包括转角传感器3转矩传感器4和8，此外，还包括两个虚拟传感器车速传感器(给定)和侧向加速度传感器(计算出)。

其中，方向盘1与转向输入轴2相连，转向输入轴2上装有转矩传感器4，转向输入轴2同时和刹车盘6相连，刹车盘6和转向输出轴9相连，摩擦片8与液压站7相连，转向输出轴9上装有转矩传感器4、转角传感器3，同时和齿带传动系统11相连，齿带传动系统11和交流转矩伺服系统10相连。系统控制与数据采集系统5与转矩传感器4、转角传感器3相连，同时和液压站7和交流转矩伺服系统10相连。

交流电动助力转向系统(AEPS)实验台架主要工作原理如下：

1)路面阻力转矩模拟：由电动助力转向系统线性化模型知当轮胎弹性系数和粘性系数确定的情况下路面阻力转矩取决于方向盘的转角和转速。当转动方向盘1时转角传感器3不断测出转向轴上的转角的大小和方向，并将信号送到控制器，控制器根据车况信息和实验者给定的车辆转向模型输出信号给液压系统调整系统阻力的大小；

2)助力实现：控制器根据车况信息和电机输出转矩控制方案调整转矩伺服系统输出转矩的给定，电机输出转矩通过齿型带传给转向轴，实现助力；

3)数据采集：转矩传感器4、转矩传感器8、转角传感器3以及车速和侧向加速度信息都通过数据采集程序和采集卡被采集到计算机内。

本发明的优点如下：

1)路面阻力模拟实时可调：可根据实验者提供的车辆转向模型模拟用于多种车型的交流电动助力转向系统；

2)助力算法实时可调：可验证实验者提供的多种助力转向系统的助力算法；

3)实验数据的种类、数量可调：可根据实验者的需求调整采集数据的种类和数量。

附图说明

图1、交流电动助力转向系统实验台架结构示意图，图中：1、方向盘，2、转向轴(输入轴)，3、转角传感器，4、转矩传感器，5、系统控制与数据采集系统，6、刹车盘，7、液压站，8、摩擦片，9、转向轴(输出轴)，10、交流转矩伺服系统(三相鼠笼电机)，11、齿型带

图2、路面阻力转矩模拟过程示意图

图3、助力控制过程示意图

图4、数据采集过程示意图

图5、实验结果

具体实施方式

1)方向盘：选用老式桑塔纳轿车的方向盘，半径为15cm。

2)转矩传感器：选用中国航天科技集团第701研究所生产的AKC-205型扭矩传感器，量程为0-50N·m，输出信号为-5-+5V。

3)转角传感器：选用日本进口的光码盘，800。

4)刹车系统：选用老式桑塔纳轿车的刹车系统，包括刹车盘和摩擦片。

5)液压站：自行设计液压站，采用180W电机。

6)电液比例控制器：调节刹车系统压力大小采用国产的VT02000BK40型电液比例控制器，控制电压为-9V-+9V，可以手动控制也可自动控制。

7)三相鼠笼电机：选用日本生产的220V，750W变频电机。

8)交流转矩伺服控制器：选用第二章介绍的由余达太教授领导的课题组开发的交流伺服开放式平台(控制器选用32位专用单片机、功率模块选用IPM，以上器件由三菱半导体生产)，笔者在此基础上实现了对三相鼠笼电机转矩伺服控制。

9)齿型带：为降低成本(选用普通电机)、增加灵活性这里采用齿型带连接电机输出轴和转向轴，模拟电机轴和转向轴一体式结构。齿型带选用浙江生产的高强度类型。

10)计算机：计算机是实现最佳助力转矩运算、阻力模拟计算、数据采集的关键，这里选用抗干扰性强的研华公司生产的ADVANTECH工业控制计算机。

11)数据采集卡(A/D)：数据采集卡选用中泰计算机研究所生产的PC-6310D模入接口卡，输入信号范围0V-10V或-5V-+5V，可同时采集单端输入32路或双端输入16路信号。

12)数据输出卡(D/A)：选用研华公司提供的PCL-728型2路模出卡，可实现-5-+5V或0-10V电压信号输出，或0-20mA或4-20mA电流输出。

路面阻力转矩模拟

路面阻力转矩模拟过程如图2所示，当转动方向盘时转向输出轴上的转角传感器检测到方向盘的转角(转速)信息，计算机通过数据采集卡把转角(转速)信息采集到计算机中，根据路面阻力模型给出电液比例控制器的控制输入值，电液比例控制器根据此值控制液压站传输到刹车系统的液压压力，调整刹车盘和摩擦片之间的压紧力，模拟路面阻力转矩，可在0-300N·m之间调整。

这种结构可以通过不同路面阻力模型的设定模拟不同的路面阻力，调整起来只需改变软件结构及调整参数而不需要动硬件结构，所以非常灵活、方便。

助力控制

助力控制过程如图3所示：

当实验者转动方向盘时转向输入轴上的转矩传感器4、转向输出轴上的转角传感器3的信息通过数据采集卡传到工控机中，同时车速、侧向加速度(计算得到)信息也通过数据采集卡传到工控机中，工控机根据预先设定的控制方案得到电机输出转矩的给定值，通过数据输出卡把给定值传给交流转矩伺服系统，交流转矩伺服系统输出的转矩通过齿型带加到转向输出轴上，从而实现助力。

这种结构可实现多种助力控制方案的台架实验，如果在模拟大型车辆时如果电机输出转矩不够的情况下只需更换一下齿带和配套齿轮改变一下传动比即可，如果模拟电机轴和转向轴一体式结构则把传动比调整到1∶1就可以了。

数据采集

在转向实验过程中，数据采集模块通过数据采集卡实时把各个传感器信息收集起来，存储到不同的数据文件中，为提高响应速度，采用C语言实现数据采集。分析数据结果时用Matlab命令调用相关数据文件绘制出曲线图。

初步实验结果及分析

为了使实验结果更明显，设定实验条件如下：

1)给刹车系统适当、固定不变的压力。消除了路面阻力转矩模拟系统对结果的影响。

2)匀速正反转动方向盘。目的是消除方向盘惯性的影响使转矩传感器4的检测结果等于操舵力矩。

3)设定电机输出转矩1∶1跟随转矩传感器4的检测结果(操舵力矩)。

4)用系统控制与数据采集系统5实时检测、记录操舵力矩和电机输出转矩的值，采样周期为5ms。

实验结果如图5所示，从实验结果可看出：

1)基于三相鼠笼电机的电动助力转向系统是可行的，电机输出转矩能很好的跟随操舵力矩。

2)在每个转动周期开始时有一定的跟随误差，这与传感器及系统控制与数据采集系统5的响应速度有关，也和齿带有一定弹性有关，下一步研究可以在控制算法上努力以进一步提高系统性能。

Claims (4)

1.一种交流电动助力转向系统的实验台架，其特征在于：台架由机械转向部分，路面阻力模拟部分，系统控制与数据采集系统(5)，交流转矩伺服系统(10)、齿带传动系统(11)和传感器系统组成；机械转向部分包括方向盘(1)、转向输入轴(2)、转向输出轴(9)；路面阻力模拟部分包括刹车盘(6)、液压站(7)、摩擦片(8)；传感器系统包括转角传感器(3)第一转矩传感器和第二转矩传感器；方向盘(1)与转向输入轴(2)相连，转向输入轴(2)上装有第一转矩传感器，转向输入轴(2)和刹车盘(6)相连，刹车盘(6)和转向输出轴(9)相连，摩擦片(8)与液压站(7)相连，转向输出轴(9)上装有第二转矩传感器、转角传感器(3)，同时和齿带传动系统(11)相连，齿带传动系统(11)和交流转矩伺服系统(10)相连，系统控制与数据采集系统(5)与第一转矩传感器、第二转矩传感器、转角传感器(3)相连，同时和液压站(7)和交流转矩伺服系统(10)相连。

2.如权利要求1所述的实验台架，其特征在于：所述的路面阻力模拟部分通过系统控制与数据采集系统(5)控制液压站(7)压力来实现对刹车盘(6)与摩擦片(8)之间压力的调整，进而调整转向阻力的大小，实现对各种工况的模拟。

3.如权利要求1所述的实验台架，其特征在于：所述的系统控制与数据采集系统(5)分为为对电机输出转矩和对模拟路面阻力的进行控制，并实时把相关工况信息收集起来，为验证方案可行性、调整系统参数提供依据。

4.如权利要求1所述的实验台架，其特征在于：所述的交流转矩伺服系统(10)是采用基于三相鼠笼电机的交流转矩伺服系统，接受系统控制与数据采集系统(5)的输出转矩指令，控制转矩输出，实现助力。

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