CN105136486A - 一种电动助力转向系统综合性能测控台及测控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动助力转向系统综合性能测控台及测控方法，包括有待测试的EPS、固定装置、负载转矩系统、稳压电源、数据交换模块、工控机、方向盘、转角传感器及相应的线束接插件；所述待测试的电动助力转向系统包括有转矩传感器、助力电机及EPS控制器；所述负载转矩系统包括有伺服电机及伺服电机控制器。本发明通过EPS控制器性能测试则对EPS本身的性能参数比如助力特性，空载力矩性能、逆向冲击等进行测试；故障模拟则是为验证EPS控制器的故障容错策略及指导EPS控制器故障诊断程序的开发，同时便于整车EPS发生故障时的问题排查和评估提供了很好的手段。

Description

一种电动助力转向系统综合性能测控台及测控方法

技术领域

本发明属于电动助力转向系统测控技术领域，特别是指一种电动助力转向系统综合性能测控台及测控方法。

背景技术

电动助力转向系统(EPS，ElectricalPowerSteering)是一种直接依靠电机提供辅助转矩的动力转向系统。不同类型的EPS基本原理是相同的：转矩传感器与转向轴连接一起，当转动方向盘使得转向轴转动时，转矩传感器开始工作，把输入轴和输出轴在扭杆作用下产生的相对转动位移变成电信号传给EPS控制器，EPS控制器根据车速传感器和转矩传感器的信号决定助力电机的旋转方向和助力电流大小，从而完成实时控制助力转向。因此它可以实现随速助力功能，保证汽车在低速行驶时轻便灵活，高速行驶时稳定可靠。

现在助力电机分为有刷电机和无刷电机。一般的EPS正常工作需要的主要的条件：控制器的供电电源、点火信号、车速、发动机转速、转矩信号等。EPS与通讯常见的两种：硬线通讯、CAN通讯；一般诊断诊断模块通讯为CAN通讯。

EPS能节约燃料，提高主动安全性，且有利于环保，是一项紧扣现代汽车发展主题的新技术，有逐步取代传统液压动力转向(HPS)的趋势。

EPS的特点如下：1、EPS的助力大小可控。可通过设置不同的转向手力(驾驶员或操作人员施加在方向盘上的转向力)特性来满足不同使用对象的需要；2、EPS只在转向时电动机才提供助力，能提高燃料的经济性；3、EPS的质量更轻，结构更紧凑，在安装位置选择方面也更容易，并且能降低噪声；4、EPS没有液压回路，比HPS更容易调整和检测，装配自动化程度更高，且可以通过设置不同的程序，能快速与不同车型匹配，因而能缩短生产和开发周期。5、EPS不存在渗油问题，可大大降低保修成本，减小对环境的污染。

现技术的汽车电动助力转向系统仿真测试装置，阻力伺服电机用于模拟车轮对转向输出轴的阻力，其扭矩型号传送到数据采集卡。计算机通过数据采集卡采集相关数据和发送相关信号，并通过数据的处理，得到测试结果，可在仿真环境下对EPS进行调试和性能测试。现有的一些电动助力转向系统的测控台方案，未能集成硬件在仿真环境、性能测试及故障模拟测试功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种电动助力转向系统的综合性能测控台，可以实现EPS的故障模拟测试、性能测试及硬件在环仿真功能，更方便应用于EPS的测试及研发。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种电动助力转向系统综合性能测控台，包括有待测试的EPS、固定装置、负载转矩系统、稳压电源、数据交换模块、工控机、方向盘、转角传感器及相应的线束接插件；

所述待测试的EPS包括有转矩传感器、助力电机及EPS控制器；

所述负载转矩系统包括有伺服电机及伺服电机控制器；

所述待测试的EPS固定于所述固定装置上；所述负载转矩系统与所述待测试的EPS连接；

所述转角传感器设置于所述方向盘与所述待测试的EPS之间；

所述稳压电源的输出端与所述待测试的EPS电连接；

所述数据交换模块分别与所述转角传感器、所述EPS控制器、所述稳压电源及所述工控机连接。

所述稳压电源为可编程直流稳压电源。

所述数据交换模块包括有数据采集卡和CAN通讯卡。

所述助力电机为有刷电机，所述数据采集卡分别与所述可编程直流稳压电源的I/O口、所述EPS控制器的I/O口及所述伺服电机控制器的I/O口连接；

所述CAN通讯卡与所述转角传感器的输出端连接。

所述助力电机为无刷电机，所述数据采集卡分别与所述可编程直流稳压电源的I/O口、所述EPS控制器的I/O口及所述伺服电机控制器的I/O口连接；

所述CAN通讯卡分别与所述转角传感器的输出端、所述EPS控制器的I/O口及所述伺服电机控制器的I/O口连接。

进一步的，还包括有显示器，所述显示器与所述工控机连接。

一种电动助力转向系统综合性能测控方法，

设置EPS控制器工作所需要的模拟信号；

所述模拟信号通过数据交换模块直接或间接发送给所述EPS控制器；

所述EPS控制器输出相应的反馈信号。

所述测控方法包括有故障模拟测控方法、助力特性测控方法、空载转动力矩特性测控方法、逆向冲击测控方法及环境仿真测控方法。

所述模拟信号包括有电源信号、点火信号、车速信号、发动机转速信号及转矩信号中的一种或两种及以上的组合。

本发明的有益效果是：

本发明通过EPS控制器对虚拟的整车模型来模拟真实车辆和行驶路况，实现对EPS在虚拟整车环境下的测试评价；性能测试则对EPS本身的性能参数比如助力特性，空载力矩性能、逆向冲击等进行测试；故障模拟则是为验证EPS控制器的故障容错策略及指导EPS控制器故障诊断程序的开发，同时便于整车EPS发生故障时的问题排查和评估提供了很好的手段。

附图说明

图1为有刷助力电机故障模拟测控原理图；

图2为无刷助力电机故障模拟测控原理图；

图3为有刷助力电机助力特性测控原理图；

图4为有刷助力电机助力转矩特性关系曲线；

图5为有刷助力电机助力电流特性关系曲表；

图6为有刷助力电机空载转动力矩测控原理图；

图7为有刷助力电机空载力矩随转角变化特性的曲线；

图8为有刷助力电机逆向冲击测控原理图；

图9为环境仿真测控原理图。

附图标记说明

1方向盘，2转角传感器，3待测试的EPS，4数据采集卡，5CAN通讯卡，6工控机，7显示器，8可编程直流稳压电源。

具体实施方式

以下通过实施例来详细说明本发明的技术方案，以下的实施例仅是示例性的，仅能用来解释和说明本发明的技术方案，而不能解释为是对本发明技术方案的限制。

本发明提供一种电动助力转向系统综合性能测控台，如图1所示，包括有待测试的EPS3、固定装置、负载转矩系统、可编程直流稳压电源8、数据交换模块、工控机6、方向盘1、转角传感器2及相应的线束接插件。

还包括有显示器7，所述显示器7与所述工控机6连接；在本申请中，工控机可以根据需要为计算机、工作站或单片机等。

所述数据交换模块包括有数据采集卡4和CAN通讯卡5，用来实现兼顾硬线和CAN信号的通讯，在本实施例中，采用NI公司的数据采集卡PCIe-6323和CAN通讯卡PCI-8512。

数据采集卡PCIe-6323主要用来实现转矩信号采集和输出、可编程直流稳压电源电压电流信号采集和输出、伺服电机转矩转速信号采集和输出、EPS系统点火信号输出、EPS系统故障灯输出控制及整车车速、发动机转速等信号的输出等。

CAN卡PCI-8512用来转角传感器的采集通讯以及无刷EPS的CAN通讯，无刷EPS通过CAN卡实现工控机与EPS控制器之间的所有信号通讯，主要包括构建同EPS诊断单元的通讯连接、接收EPS单元工作参数、CAN转角传感器工作参数、模拟发送车速、发动机转速、ABS轮速、ABS车速、油门踏板、制动踏板等整车信号环境等。

工控机安装数据采集卡，经过软件的数据处理分析，通过数据采集卡采集相关数据和发送相关信号，实现故障模拟、性能测试机硬件在环仿真的功能，并通过显示器显示结果。

转角传感器提供方向盘的转角，在本实施例中，采用博世LWS_5.3.31，为CAN信号输出。

所述待测试的EPS(电动助力转向系统)包括有转矩传感器、助力电机及EPS控制器。

所述负载转矩系统包括有伺服电机、减速机及伺服电机控制器。本实施例选用英威腾的伺服电机控制器和伺服电机，型号分别为SV-DB100-2R0-2-1R，SV-MM13-2R3B-21-A0。减速机则选用减速比为16的PL120标准型精密行星减速机。

所述待测试的EPS固定于所述固定装置上；所述负载转矩系统与所述待测试的EPS连接；

所述转角传感器设置于所述方向盘与所述待测试的EPS之间；

所述可编程直流稳压电源的输出端与所述待测试的EPS电连接；

所述数据交换模块分别与所述转角传感器、所述EPS控制器、所述可编程直流稳压电源及所述工控机连接。

可编程直流稳压电源为EPS控制器供电，故障模拟测试中，可利用该电源进行EPS供电电压的欠压与过压等故障的模拟；在性能测试中检测其实际的电压电流参数，间接的用于评估EPS的助力电流特性等。在本实施例中，可编程直流稳压电源选用德国EA可编程直流电源，EA-PSI8040-1202U。

所述助力电机为有刷电机时，所述数据采集卡分别与所述可编程直流稳压电源的I/O口、所述EPS控制器的I/O口及所述伺服电机控制器的I/O口连接；

所述CAN通讯卡与所述转角传感器的输出端连接。

所述助力电机为无刷电机时，所述数据采集卡分别与所述可编程直流稳压电源的I/O口、所述EPS控制器的I/O口及所述伺服电机控制器的I/O口连接；

所述CAN通讯卡分别与所述转角传感器的输出端、所述EPS控制器的I/O口及所述伺服电机控制器的I/O口连接。

本发明还提供一种电动助力转向系统综合性能测控方法，

设置EPS控制器工作所需要的模拟信号；

所述模拟信号通过数据交换模块直接或间接发送给所述EPS控制器；

所述EPS控制器输出相应的反馈信号。

所述测控方法包括有故障模拟测控方法、助力特性测控方法、空载转动力矩特性测控方法、逆向冲击测控方法及环境仿真测控方法。

所述模拟信号包括有电源信号、点火信号、车速信号、发动机转速信号及转矩信号中的一种或两种以上的组合。

本申请的模拟信号是通过虚拟仪器技术产生的，虚拟仪器技术(virtualinstrument)是基于计算机的仪器，其以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。目前应用较为广泛的虚拟仪器技术是NI公司的LabVIEW。

LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)是一种用图标代替文本语言创建应用程序的图形化编程语言(G语言)，传统文本编程语言程序执行顺序依照语句和指令的先后进行，而LabVIEW则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定程序的执行顺序。LabVIEW提供外观与传统仪器(如示波器、万用表)类似的控件方便地创建用户界面；使用仪器图标、连线以及相应的逻辑图形模块就可以实现对虚拟仪器对象的控制。LabVIEW软件是NI设计平台的核心，其开发环境集成了快速构建各种应用所需的工具，是开发测量或控制系统的理想选择。

环境仿真是通过TESISDYNAware软件来实现的。

在EPS综合性能测控台的故障模拟测试以及性能测试中，基于工控机WindowsXP系统下的LabVIEW软件环境，实现硬件的在线控制、信号的实时采集处理以及曲线的显示等。在硬件在环仿真测试中，采用LabVIEW与车辆动力学软件TESISDYNAware相结合的联合仿真开发手段。

利用软件LabVIEW及信号采集卡和CAN通讯卡可以采集并监控EPS的工作状态；也可利用软件的信号发生模块模拟车速、发动机转速以及方向盘操纵力矩等EPS工作所需的信号，注入EPS控制器，进而实现对EPS故障性能的测试；利用动力学DYNAware软件建立整车模型，通过LabVIEW软件与DYNAware软件的通信，对测控台EPS的操作输入到虚拟整车模型，而虚拟整车模型将路感负载反馈给伺服电机并加注到EPS总成，形成硬件在线仿真。

故障模拟测控方法，如图1和图2所示，测试原理：工控机软件中人为设置不同的EPS工作所需信号的故障模拟信号，通过数据采集卡直接或间接发送到EPS控制器(电源信号通过数据采集卡控制可编程直流稳压电源发故障模拟信号到EPS控制器，模拟故障点火信号、模拟故障车速信号、模拟故障转矩信号及模拟故障发动机转速信号直接通过数据采集卡发送到EPS控制器)。

有刷助力电机EPS和无刷助力电机EPS只是与数据采集卡的连接和模拟故障信号的传输形式不同基本的实现原理是一样的。

以有刷助力电机EPS为例，如图1，工控机通过数据采集卡PCIe-6323发送电压控制信号、电流控制信号给可编程直流稳压电源，可编程直流稳压电源根据控制信号提供EPS控制器的供电电源信号，从而通过工控机中的软件实现EPS控制器工作的电源信号的模拟，比如电源的过压、欠压等，研究EPS控制器电源类的故障策略；同时工控机通过数据采集卡PCIe-6323发送软件模拟的EPS控制器工作所需的模拟故障点火信号、模拟故障车速信号、模拟故障发动机转速信号、模拟故障转矩信号等，进行各种信号故障的模拟。EPS控制器输出相应故障的故障代码和故障指示灯信号，通过数据采集卡PCIe-6323发到工控机并显示。通过以上EPS工作的各种故障模拟信号可以单个研究某一个故障信号的故障策略，也可多个故障信号的组合研究控制器故障策略。故障模拟功能为研究EPS的故障策略及整车出现EPS问题时的模拟排查验证提供了有力的手段。

助力特性测控方法，如图3至图5所示：

伺服电机控制器来控制伺服电机，伺服电机再通过减速机给EPS提供负载，工控机通过数据采集卡PCIe-6323给伺服电机控制器输入速度控制信号，通过手动设置伺服电机控制器的面板参数，使伺服电机工作在转矩外部速度控制模式，同时通过数据采集卡采集伺服电机的输出转矩和输出转速信号。断开EPS本身自带的转矩传感器与EPS控制器的连接，工控机通过数据采集卡直接或间接给EPS控制器提供EPS工作所需的电源信号、点火信号、车速信号、发动机转速信号、自定义转矩信号。同时通过数据采集卡采集可编程直流稳压电源的实际电流信号。

助力特性测试主要是想得到EPS输入力矩和输出力矩、输入力矩和EPS的工作电流的关系曲线。

自定义转矩信号即为模拟方向盘的操作力矩，为输入力矩；从伺服电机控制器采集到的伺服电机输出力矩即是助力力矩；从可编程直流稳压电源采集的电流间接地表征了EPS的电机输出电流，用它来代表助力电流。

软件中设定不同的车速工况，控制自定义的转矩信号由0线性加载至设定的峰值，伺服电机始终保持零速的制动状态(通过对伺服电机控制器的速度控制信号和伺服电机控制器面板参数设置，伺服电机为转矩外部速度控制模式)；整个过程中，实时采集伺服控制器输出的转矩信号以及直流电源的电流信号，最后绘制自定义转矩同伺服电机输出力矩和直流电源的电流的相关性图线，完成EPS系统的助力特性测试。

空载转动力矩特性测控方法，如图6和图7所示：

工控机通过数据采集卡直接或间接发送给EPS正常工作的电源信号、点火信号、车速信号、发动机转速信号等，同时采集转角传感器输出的转角信号和EPS本身自带的转矩传感器输出的转矩信号。此项测试时伺服电机不参与工作。操作者由方向盘中位顺时针/逆时针匀速转动方向盘至极限位置后再反向转动至极限位置，最终回正至转向零位，在整个转动过程中，通过PCIe-6323数据采集卡实时采集EPS的转矩传感器信号，通过CAN通讯卡实时采集EPS控制器输出的方向盘转角信号，并对方向盘转角及转矩信号进行相关性图线的绘制，得到EPS管柱总成在输出端空载工况下的力矩随转角变化特性的曲线。

逆向冲击测控方法，如图8所示，工控机通过数据采集卡直接给EPS控制器提供EPS正常工作所需的车速信号、发动机转速信号、点火信号。

伺服电机控制器来控制伺服电机，伺服电机再通过减速机给EPS提供负载转矩，工控机通过数据采集卡PCIe-6323给伺服电机控制器输入伺服电机转矩信号指令。需要说明的是该测试下的伺服电机通过手动操作伺服控制器面板的，通过参数设置将其调至转矩内部速度控制模式。

通过給可编程直流稳压电源提供电压、电流控制信号使可编程直流稳压电源给EPS提供合适的的电源信号。同时其实际的电压信号和实际电流信号通过采集卡反馈给工控机。

转角传感器输出转角信号通过CAN通讯卡输入到工控机。

数据采集卡同时采集EPS转矩传感器输出的转矩信号。

启动软件，使EPS正常工作，通过软件设置的车速、转速及给伺服电机的控制转矩指令输出到EPS，实现对EPS施加逆向冲击力矩，对整个冲击过程中的转角、转矩及电流等信号实时观测。

环境仿真测控方法，如图9所示，伺服电机控制器来控制伺服电机，伺服电机再通过减速机给EPS提供负载转矩，工控机通过数据采集卡PCIe-6323给伺服电机控制器输入伺服电机转矩信号指令。负载转矩信号由工控机VeDYNA软件的整车模型输出。需要说明的是硬件在环境仿真下的伺服电机通过手动操作伺服控制器面板，通过参数设置将其调至转矩内部速度控制模式。

工控机通过数据采集卡直接给EPS控制器提供EPS正常工作所需的车速信号、发动机转速信号、点火信号。车速信号、发动机转速信号基于工控机VeDYNA软件的整车模型输出。

通过给可编程直流稳压电源提供电压、电流控制信号使可编程直流稳压电源给EPS提供合适的电源信号。同时其实际的电压信号和实际电流信号通过采集卡反馈给工控机。

转角传感器输出转角信号通过CAN通讯卡输入到工控机，提供给整车的模型。

工控机通过数据采集卡采集故障代码及故障指示灯信号来监测EPS的工作状态。

利用TESISDYNAware软件的VeDYNA模块建立整车的动力学模型，该模型的方向盘转角信号，从测控台的转角传感器获得。具体实现是转角传感器输出的转角信号通过CAN通讯卡采集到工控机内并提供给整车模型使用。同时，整车模型计算出的转向系统的路面阻力通过数据采集卡发送给伺服电机控制器，利用伺服电机来模拟阻力。基于整车的动力学模型的车速、转速信号通过采集卡输入给EPS控制器。达成最终硬件在环的测试功能。

整车模型的整个计算过程通过分频技术，利用VeDYNA中的实时动画模块DYNAanimation实现车辆三维视角以及整车状态参数的实时显示。

通过硬件在环境仿真可以完成包括稳态回转测试、转向回正测试、直线行驶稳定性测试、各车速下手感的评价测试等装车条件下仿真测试。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (9)

1.一种电动助力转向系统综合性能测控台，其特征在于：包括有待测试的EPS、固定装置、负载转矩系统、稳压电源、数据交换模块、工控机、方向盘、转角传感器及相应的线束接插件；

所述待测试的EPS包括有转矩传感器、助力电机及EPS控制器；

所述负载转矩系统包括有伺服电机及伺服电机控制器；

所述待测试的EPS固定于所述固定装置上；所述负载转矩系统与所述待测试的EPS连接；

所述转角传感器设置于所述方向盘与所述待测试的EPS之间；

所述稳压电源的输出端与所述待测试的EPS电连接；

所述数据交换模块分别与所述转角传感器、所述EPS控制器、所述稳压电源及所述工控机连接。

2.根据权利要求1所述的电动助力转向系统综合性能测控台，其特征在于：所述稳压电源为可编程直流稳压电源。

3.根据权利要求1所述的电动助力转向系统综合性能测控台，其特征在于：所述数据交换模块包括有数据采集卡和CAN通讯卡。

4.根据权利要求3所述的电动助力转向系统综合性能测控台，其特征在于：所述助力电机为有刷电机，所述数据采集卡分别与所述可编程直流稳压电源的I/O口、所述EPS控制器的I/O口及所述伺服电机控制器的I/O口连接；

所述CAN通讯卡与所述转角传感器的输出端连接。

5.根据权利要求3所述的电动助力转向系统综合性能测控台，其特征在于：所述助力电机为无刷电机，所述数据采集卡分别与所述可编程直流稳压电源的I/O口、所述EPS控制器的I/O口及所述伺服电机控制器的I/O口连接；

所述CAN通讯卡分别与所述转角传感器的输出端、所述EPS控制器的I/O口及所述伺服电机控制器的I/O口连接。

6.根据权利要求1所述的电动助力转向系统综合性能测控台，其特征在于：还包括有显示器，所述显示器与所述工控机连接。

7.一种电动助力转向系统综合性能测控方法，其特征在于：

设置EPS控制器工作所需要的模拟信号；

所述模拟信号通过数据交换模块直接或间接发送给所述EPS控制器；

所述EPS控制器输出相应的反馈信号。

8.根据权利要求7所述的电动助力转向系统综合性能测控方法，其特征在于：包括有故障模拟测控方法、助力特性测控方法、空载转动力矩特性测控方法、逆向冲击测控方法及环境仿真测控方法。

9.根据权利要求7所述的电动助力转向系统综合性能测控方法，其特征在于：所述模拟信号包括有电源信号、点火信号、车速信号、发动机转速信号及转矩信号中的一种或两种及以上的组合。