CN105606301B - 一种汽车操纵力计二合一自动检定装置 - Google Patents
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Abstract
一种汽车操纵力计二合一自动检定装置，本装置主要包括信号处理单元、主控单元、传动加力单元、被检仪器固定单元。信号处理单元完成标准测力传感器信号的放大后，供主控单元进行采集处理；主控单元作为检定装置的控制中心，完成传感器数据的采集处理、电机控制以及实现控制算法功能；传动加力单元包括丝杠传动结构和标准测力传感器；被检仪器固定单元包括踏板力计固定板、手拉力计固定座。本发明能够对汽车制动踏板力计和制动手拉力计同时在一种检定装置上进行检定，实现了一机多用功能，改善了踏板力计检定的精度，改进了手拉力计检定的方式，提高了制动操纵力计检定装置的易用性，减小了人工操作的工作量。
Description
技术领域
本发明实现了一种汽车制动操纵力计(踏板力计和手拉力计)二合一自动检定装置，属于汽车测试检定设备技术领域。
背景技术
制动性是汽车的主要性能之一，它直接关系到行车安全。随着高速公路的迅速发展和车流密度的日益增大以及行驶速度的不断提高，保证行车安全是现代汽车的一项重要任务，因此，现如今对汽车制动踏板和制动手拉的检测要求也越来越高。在我国不同地方的各大汽车检测厂中，通常都在使用市面在售的新型踏板力计和手拉力计来为汽车制动踏板力和制动手拉力进行检测，其中制动踏板力的检测是将踏板力计与汽车踏板固定在一起，通过人脚踩踏可以使踏板力计和汽车踏板同时承受相同大小的力并观察踏板力计的仪器示数获得；制动手拉力的检测是将手拉力计与汽车手刹固定在一起，通过抬拉汽车手刹可以使两者同时承受相同大小的拉力并观察手拉力计的仪器示数获得测量参数。
因此，保证踏板力计和手拉力计的仪器精度和可靠性直接影响到汽车制动踏板和制动手拉的检测和性能。为了确保制动力计测试精度，根据JJF1169-2007《汽车制动操纵力计校准规范》要求，汽车操纵力计检定周期不超过一年，必须定期由计量部门进行检定校准。目前，计量部门检定踏板力计的方式采用手摇式推拉加力装置，在装置前端固定一个标准测力传感器，将踏板力计传感器部分固定在标准测力传感器前方的固定板上，通过手动推拉装置使得标准测力传感器和踏板力计传感器部分相互作用，比对踏板力计与标准装置之间的示数误差，得到踏板力计的仪器精度。检定手拉力计的方式采用在手拉力计传感器吊拉标准砝码，从而比对手拉力计与标准砝码之间的示数误差，得到手拉力计的仪器精度。这两种检定方式检测过程繁琐，工作量大，操作不方便，且踏板力计检定过程由于手动控制的影响可能导致测量结果存在较多不确定因素，若标准砝码在长时间使用之后出现破损等情况同样会影响到手拉力计检定结果。
发明内容
为了克服上述技术不足、改进检定方式不合理之处，本发明实现了一种关于汽车制动踏板力计和制动手拉力计二合一自动检定装置，通过重新定义传动、加力和固定结构，完成了同时在检定装置上进行踏板力计和手拉力计检定的自动推拉设计，实现了一机多用，克服了以前检定方法和过程的繁琐，工作量大缺点；通过使用高精度标准测力传感器和步进电机实现自动低速精确控制，保证检定装置标准力值参考点输出的准确性，减小了以前检定方法存在的较多不确定因素，提高仪器检定精度，使得检定结果更具说服力。
本发明实现的汽车制动踏板力计和制动手拉力计二合一自动检定装置主要包括信号处理单元、主控单元、传动加力单元、被检仪器固定单元。信号处理单元完成标准测力传感器信号的放大后，供主控单元进行采集处理；主控单元作为检定装置的控制中心，完成传感器数据的采集处理、电机控制以及实现控制算法功能；传动加力单元包括丝杠传动结构和标准测力传感器；被检仪器固定单元包括踏板力计固定板、手拉力计固定座。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
汽车制动操纵力计二合一自动检定装置的信号处理单元和主控单元安装在封闭的仪器箱中，ARM内核MCU最小系统、控制电路、信号放大电路为系统总PCB设计电路安装在仪器箱左侧顶层；电源稳压模块接入36V锂电池输出正负12V、正负5V，该模块电路安装在仪器箱右侧顶层；电机驱动与控制电路连接，位于仪器箱左侧中间层；步进电机与电机驱动连接，位于仪器箱左侧底层；36V锂电池与电机驱动、电源稳压模块电路连接，位于仪器箱右侧底层；薄膜按键与控制电路连接，位于仪器顶盖中间靠左下方；液晶屏与MCU最小系统连接，位于仪器顶盖中间靠左上方；调零电位器与MCU最小系统连接，位于仪器顶盖中间位置。
传动加力单元中丝杠顶端与封闭仪器箱内的电机输出轴采用弹性一体联轴器进行连接，此为丝杠转动的动力来源；丝杠顶端紧套丝杠固定座，丝杠底端紧套丝杠支承座，此为丝杠固定和支承方式；丝杠中的配型螺母与丝杠推板进行紧固，丝杠推板与标准传感器推板通过四根光轴进行连接和紧固，使得丝杠螺母运动后带动丝杠推板往复运动，进而带动标准传感器推板往复运动；四根光轴中上方两根较短，下方两根较长，下方两根较长的光轴分别套入直线轴承中，用于承受丝杠推板、标准测力传感器、光轴的重力，以免该重力加载在丝杠上，影响丝杠寿命和检定装置的精度。
被检仪器固定单元中的踏板力计固定板、手拉力计固定座与加力传动单元和封闭仪器箱一起固定放置在装置底座上，使得检定装置的所有单元全部位于同一水平高度上。
本发明实现的汽车制动操纵力计二合一检定装置在标准测力传感器与被检操纵力计相互作用时，首先标准测力传感器将测量信号传输给信号处理单元，由主控单元的MCU微控制器对经过处理的信号进行软硬件采集和数据处理，并通过匀速控制和PID增量型控制组合精确控制步进电机，步进电机带动丝杠转动，进而丝杠螺母带动丝杠螺母固定板和标准测力传感器固定板往复运动，于是固定在标准测力传感器固定板上的标准测力传感器便与被检操纵力计继续作用直至MCU微控制器采集到的测量信号落入标准参考点允许的范围内。在此过程中，由于步进电机与步进电机驱动器污染电源以及高频噪声干扰，特在装置中加入具有针对性的抗干扰措施。
(1)信号处理单元
标准测力传感器可以同时测量同一水平线上的压力和拉力，输出的测量信号为mV级信号，一级信号处理采用标准差分放大电路，在不改变输入电压的极性或运放输入引脚连线时，电路将压力和拉力信号放大到-1.5V到+1.5V。由于MCU微控制器无法采集负电压进行数据处理，因此需要采用二级信号处理的电位平移电路，将-1.5V到+1.5V电压平移到0-3V，供MCU微控制器进行采集处理。在标准测力传感器未受力时，为保证信号输出为0，特添加三级信号处理的调零电路，为整个信号放大单元电路进行信号调零。
(2)信号软硬件采集处理及控制算法
MCU微控制器采集AD信号的方式有很多，在本发明所用的MCU微控制器AD采集方式采用PIT触发PDB，PDB硬件触发ADC进行采集，ADC采集的信号通过DMA方式直接存入内存中。此种信号采集处理方式使用硬件触发，并通过DMA直接传输至内存存储，无须占用CPU资源，未干预CPU工作，便可以成功采集到需要的信号，当CPU需要处理当前信号时，可以直接从内存中取出当前信号，而无须去做额外的采集处理工作，提高了MCU工作效率，进而可以提高仪器测量精度。
控制算法选用PID增量型控制方式，通过选择合理的PI、PD或PID控制与匀速控制进行组合控制，合理配置P、I、D中两种或三种参数，达到控制过程中超调较小、响应时间较快、控制结果稳定、精确等目的。
(3)供电选择及抗干扰措施
在选择电源供电方式时，如果选用一套36V锂电池进行单独供电，需要同时为电机驱动电路、信号放大电路、主控电路同时进行供电，由于电机驱动器供电时，电机及电机驱动产生的高频干扰会沿着电源线传导入信号放大电路和主控电路中，此为检定装置主要干扰来源。为尽量减小此干扰源，信号放大电路、主控电路使用一套36V锂电池进行独立供电，电机驱动电路使用一套36V锂电池进行独立供电；主控电路中采用光耦电路连接MCU最小系统与电机驱动，使两者隔离开；在电机四线与电机驱动的接口处夹套磁环，在电机四线上包裹一层铝箔薄纸，用于屏蔽干扰；使用硬质铝作为仪器箱制作材料，合理设计电机、电机驱动、主控电路、信号放大电路空间安装位置，尽可能减小在密闭空间中存在的相互干扰问题。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明能够对汽车制动踏板力计和制动手拉力计同时在一种检定装置上进行检定，实现了一机多用功能，改善了踏板力计检定的精度，改进了手拉力计检定的方式，提高了制动操纵力计检定装置的易用性，减小了人工操作的工作量。
(2)本发明采用高精度标准测力传感器、三级信号处理方式、步进电机、细分驱动器组成检定装置的信号处理单元和主控单元。信号调理范围较大、信号放大电路线性度、重复性好，信号调理精度高，自动控制步进电机精确稳定，减少了人为干预下的手动检定过程中存在的不确定因素，提高了检定结果的精度。
(3)本发明采用了较好的信号软硬件采集方式，同时采用了匀速和PID增量型组合控制方式，可以实现高精度的电机自动控制功能，使得检定装置的标准输出精确稳定，具有较高的自动化水平。
附图说明
图1.1为本发明所涉及的机械结构图；
图1.2为本发明所涉及的系统结构图；
图2为本发明所涉及系统的框图；
图3为本发明所涉及系统运行流程图；
图4为信号处理单元的基本电路构成图；
图5为信号软硬件采集流程图；
图6为主控单元数据处理及控制方式流程图；
图7.1为本发明所涉及装置主体前视图；
图7.2为本发明所涉及装置主体上视图；
图7.3为本发明所涉及装置主体斜视图；
图中：1-电压转换器、2-光耦隔离电路、3-36V锂电池、4-信号处理模块、5-MCU微控制器、6-步进电机驱动器、7-12864液晶显示器、8-薄膜按键、9-弹性联轴器、10-踏板力计检定左挡条、11-踏板力计检定右挡条、12-步进电机、13-调零电阻、14-标准测力传感器信号线航空插头、15-丝杠固定座、16-螺母固定板、17-光轴、18-丝杠螺母、19-丝杠支撑座、20-2005型丝杠、21-直线轴承、22-传感器固定板、23-标准测力传感器信号线航空插头、24-装置底座、25-踏板力计固定板、26-手拉力计固定座。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1.1-1.2为汽车制动操纵力计二合一检定装置的机械结构图和系统结构图。由于在踏板力计检定过程中需要对踏板力计施加标准的压力，则传动加力单元和主控单元受到水平方向上与该标准压力方向相反的作用力，因此需要在检定装置的底座右端加上一个挡条，阻止传动加力单元和主控单元向检定装置右端移动。同理，在检定手拉力计时，传动加力单元和主控单元受到水平方向桑与标准拉力相反的作用力，需要在主控单元左侧的检定装置底座上加上一个挡条，阻止传动加力单元和主控单元向朝着检定装置左侧运动。
图2为检定装置的系统框图。检定装置系统由电源模块、信号处理模块、控制模块、执行模块四部分组成。电源模块包含36V锂电池和正负12V、正负5V电压转化器；信号处理模块包含高精度标准测力传感器、三级信号处理电路；控制模块为MCU控制器、光耦隔离电路；执行模块包含步进电机驱动器、步进电机。
MCU控制器安装在总PCB设计电路板上，是控制系统的核心。MCU控制器的主控芯片采用的是Freescale公司的MK60DX512ZVLQ10芯片，运行速度为100MHz。该微控制器集成DMA(增强型直接存储访问)、PDB(可编程延时模块)、PIT(周期中断定时器)，具有多达24个单端AD输入引脚、六个通道的UART串行接口、三个FTM(定时器)模块通道输出PWM，可以满足检定装置所需的信号采集及处理功能，达到系统的控制要求。
步进电机驱动器安装在总PCB设计电路板下方，作为执行模块中直接控制步进电机转动的执行器，支持脱机、使能、锁定等功能，自带短路、过热、过流保护，抗高频干扰能力强、高集成、高可靠性，该驱动器通过MCU微控制器输出PWM对步进电机进行细分控制，具有五种细分模式可选，最小可达1/16步，可以保证驱动步进电机实现低振动、高精度、高效率工作。
步进电机安装在步进电机驱动器的下方，采用型号为86HBP113AL4-TK0步进电机，重量3.7Kg，步距角为1.8°，静扭矩8.5N*m，工作电压36-60V，此大扭矩步进电机完全可以满足使得标准测力传感器与被捡操纵力计相互作用时输出最大为1000N的标准力，且电机工作情况可靠稳定。
高精度标准测力传感器安装在传感器固定板上，采用的是S型拉压力传感器，最大量程200Kg，尺寸为70mm×64mm×20mm，工作电压为12V，综合误差0.03％F*S，精度等级远高于JJF1169-2007《汽车制动操纵力计校准规范》对汽车操纵力计的精度要求，完全可以使用此高精度测力传感器检定汽车操纵力计。
电源模块安装在总PCB设计电路板的右上方，采用一块输出电压为36V的锂电池，容量为4Ah，重量1Kg，尺寸为125mm×150mm×50mm，同时配置两个电压转换器，将36V转换为正负12V、正负5V。
本发明所述检定装置系统运行流程图如图3所示，其内容是对汽车制动踏板力计和汽车制动手拉力计两种仪器检定过程中系统运行流程图，其中踏板力计具体检定操作包括以下步骤：
步骤1，检定装置初始化。
此阶段是在检定装置上电之初，被检制动操纵力计具体检定工作开始之前，仪器必须确定标准传感器初始位置，进行功能选择、调整基准电压等准备工作，具体包括以下步骤：
步骤1.1，确定标准传感器初始位置及仪器功能选择。
(1)将踏板力计用皮带固定在踏板力计固定板上；
(2)打开检定装置电源，根据此时标准测力传感器位置，按下“向外”改变标准测力传感器的位置，使得测力传感器和踏板力计距离较近，未发生相互作用，此时按下“复位”，测力传感器停留在当前位置；
(3)选择功能模式“踏板”，在仪器液晶屏上会显示当前检定的仪器种类“踏板力计”，在液晶屏显示“踏板力计”位置右侧会显示当前的基准电压值。
步骤1.2，调节基准电压。
调节电阻安装在检定装置面板上薄膜按键右侧，由于标准测力传感器是S型拉压力传感器，该传感器可同时测量拉力和压力，在检定装置信号放大单元对信号进行处理后，压力对应电压范围为0-1.5V,拉力对应电压范围为1.5V-3V，压力大小与电压大小呈反比，拉力大小与电压大小呈正比，因此选取1.5V作为检定装置的基准电压。
为了观察方便，特意将显示在液晶屏的基准电压做乘100处理，此时手动调节电阻使得基准电压为“150”即可。
步骤2，标准信号处理与采集
此阶段是检定装置信号处理和软硬件采集工作阶段，信号处理由三级信号处理电路组成，如图4所示，信号软硬件采集流程如图5所示，该工作阶段包括以下步骤：
步骤2.1，标准信号处理。
(1)依次按下“F1”、“F2”、“F3”、“F4”、“F5”，这五个标准参考点力的输出分别为“100N”、“300N”、“500N”、“700N”、“900N”。检定过程中，检定装置会在到达这5个标准参考点时自动停下。
(2)当标准测力传感器与被捡踏板力计相互作用时，标准测力传感器输出的标准信号为mV信号，由于该标准测力传感器为拉压力传感器，在不改变万用表极性的前提下，同时测量压力和拉力后，可以在万用表上观察到负电压到正电压的测量范围。由于以上所述，在一级运放电路中，首先将对标准测力传感器施加满量程拉力和压力后的标准信号放大至-1.5V和1.5V，然后对一级放大信号-1.5V—+1.5V进行1.5V的电位平移到0—3V，在放大电路的最后环节加上调零电路，于是构成完整的三级信号处理电路，供MCU正常采集。
步骤2.2，标准信号采集
本发明中采用PIT触发PDB，PDB硬件触发ADC进行采集，ADC采集的信号通过DMA方式直接存入MCU内存中。ADC采用12位精度采集，采集电压的变化量为0.2mV，根据标准信号处理的结果，由于标准测力传感器的灵敏度为2mV/V，经过信号放大后为0.75mV/N，因此12位AD采集精度完全可以满足检定装置采集精度的要求。
步骤3，数据处理及控制方式
此阶段在检定装置主控单元中进行，通过AD采集到的电压信号与标准信号进行比较得到偏差量，此偏差量通过匀速控制和数字PID增量型控制算法对步进电机控制得到矫正，直至偏差落入允许的误差范围内，步进电机停止运动，标准测力传感器停在当前位置，标准传感器与被捡踏板力计的相互作用力便是标准输出的力值。主控单元数据处理及控制方式的流程图如图6所示，具体包括以下步骤：
步骤3.1，数据处理
标准测力传感器用于测量标准制动操纵力对应的电压信号，通过对该电压信号进行线性处理得到与标准制动操纵力一一对应的关系。周期定时寄存器PIT每隔1ms触发PDB可编程延时模块后触发ADC采集电压信号，每12个AD值进行一次数据处理，由于时间很短，忽略时间差异带来的误差，制动踏板力计测量压力计算为：
F踏板＝[1.5-(-Umax-Umin)/(N-2)*Uref/210]/1.5*2000
其中F踏板为标准测力传感器测得的当前时刻的标准踏板力值，为AD采集的第i次采集到的电压值，Umax为当前采样周期中AD值最大的电压点，Umin为当前采样周期中AD值最小的电压点，N为当前采样周期的采样个数，Uref为MCU微控制器AD模块的基准电压。
步骤3.2，控制方式
步进电机控制采用匀速控制和数字PID增量型控制组合控制方式，将标准测力传感器测得的电压信号在经过数据处理后得到对应的力值信号Fn,该力值信号作为第n次采样得到的定量r(n)，检定装置当前设定的标准参考点力值作为最终值c(n)，则可以得到第n次采样与最终值的偏差量e(n)＝c(n)-r(n)，根据数字PID位置型控制算式：
可以得到控制量增量在已知第n、n-1、n-2时刻的偏差量时的控制策略，其中KP称为比例增益，KI称为积分增益，KD称为微分增益。
配置微控制器寄存器状态，初始化全局和局部变量，初始化传感器的位置以及步进电机和步进电机驱动器的控制量，设定一组合适的KP、KI、KD参数，在0-[c(n)-20]的力值范围内，MCU微控制器通过输出恒定频率的脉冲信号控制步进电机以较低的速度匀速运动，在[c(n)-20]-c(n)的力值范围内，MCU微控制器将不同时刻得到的控制策略通过脉冲信号传输给步进电机驱动器，步进电机会根据当前的控制量增量调节运动速度，并最终停止到误差允许的位置上，从而系统达到精确、有效驱动步进电机运动的目的。
通过设定检定装置的功能和选择不同的标准参考点，系统都会采用匀速控制和数字PID增量型控制的组合控制方式驱动步进电机。当检定装置在踏板力计功能下依次完成5个标准参考点的检定之后，系统便完成了所有控制工作。通过比对在每个标准参考点的被检踏板力计的测量值和当前标准参考点力值之间的误差判定被检踏板力计是否合格，从而检定踏板力计工作结束。
手拉力计具体检定操作包括以下步骤：
步骤1，检定装置初始化。
此阶段是在检定装置上电初，被检制动操纵力计具体检定工作开始之前，仪器必须确定标准传感器初始位置，进行功能选择、调整基准电压等准备工作，具体包括以下步骤：
步骤1.1，确定标准传感器初始位置及仪器功能选择。
(1)手拉力计尾部的螺丝拧入手拉力计固定座的螺孔中并紧固，在手拉力计头部的螺丝上拧入M6的吊篮螺丝；
(2)打开检定装置电源，根据此时检定装置的测力传感器位置，按下“向外”或“向内”，使得测力传感器最前端位于与踏板力计固定板竖直方向上的第二排螺钉位置附近，按下“复位”，测力传感器停留在当前位置，手动将M12的圈头螺栓拧紧到仪器传感器外侧的螺孔中，按下“向外”改变测力传感器的位置，使得测力传感器和踏板力计固定板距离较近，按下“复位”，测力传感器停留在当前位置，用钢丝绳和卡扣将圈头螺栓和被检手拉力计进行紧固连接。
(3)选择功能模式“手拉”，在仪器液晶屏上会显示当前检定的仪器种类“手拉力计”，在液晶屏显示“手拉力计”位置右侧会显示当前的基准电压值。
步骤1.2，调节基准电压。
调节电阻安装在检定装置面板上薄膜按键右侧，此时手动调节电阻使得基准电压为“150”即可。
步骤2，标准信号处理与采集
此阶段是检定装置信号处理和软硬件采集工作阶段，信号处理由三级信号处理电路组成，如图4所示，信号软硬件采集流程如图5所示，该工作阶段包括以下步骤：
步骤2.1，标准信号处理。
(1)依次按下“F1”、“F2”、“F3”、“F4”、“F5”，这五个标准参考点力的输出分别为“200N”、“400N”、“600N”、“800N”、“1000N”。检定过程中，检定装置会在到达这5个标准参考点时自动停下。
(2)当标准测力传感器与被捡踏板力计相互作用时，标准测力传感器输出的标准信号为mV信号，由于该标准测力传感器为拉压力传感器，在不改变万用表极性的前提下，同时测量压力和拉力后，可以在万用表上观察到负电压到正电压的测量范围。由于以上所述，在一级运放电路中，首先将对标准测力传感器施加满量程拉力和压力后的标准信号放大至-1.5V和1.5V，然后对一级放大信号-1.5V—+1.5V进行1.5V的电位平移到0—3V，在放大电路的最后环节加上调零电路，于是构成完整的三级信号处理电路，供MCU正常采集。
步骤2.2，标准信号采集
此部分内容同踏板力计检定步骤2.2中所述。
步骤3，数据处理及控制方式
此阶段在检定装置主控单元中进行，通过AD采集到的电压信号与标准信号进行比较得到偏差量，此偏差量通过匀速控制和数字PID增量型控制算法对步进电机控制得到矫正，直至偏差落入允许的误差范围内，步进电机停止运动，标准测力传感器停在当前位置，标准传感器与被检手拉力计相互作用力便是标准输出的力值。主控单元数据处理及控制方式的流程图如图6所示，具体包括以下步骤：
步骤3.1，数据处理
标准测力传感器用于测量标准制动操纵力对应的电压信号，通过对该电压信号进行线性处理得到与标准制动操纵力一一对应的关系。周期定时寄存器PIT每隔1ms触发PDB可编程延时模块后触发ADC采集电压信号，每12个AD值进行一次数据处理，由于时间很短，忽略时间差异带来的误差，制动手拉力计测量拉力计算为：
F手拉＝[(-Umax-Umin)/(N-2)*Uref/210-1.5]/1.5*2000
其中F手拉为标准测力传感器测得的当前时刻的标准手拉力值，为AD采集的第i次采集到的电压值，Umax为当前采样周期中AD值最大的电压点，Umin为当前采样周期中AD值最小的电压点，N为当前采样周期的采样个数，Uref为微控制器AD模块的基准电压。
步骤3.2，控制方式
此处内容同踏板力计检定步骤3.2中前两段内容相同。
通过设定检定装置的功能和选择不同的标准参考点，系统都会采用匀速控制和数字PID增量型控制的组合控制方式驱动步进电机。当检定装置在手拉力计功能下依次完成5个标准参考点的检定之后，系统便完成了所有控制工作。通过比对在每个标准参考点的被检手拉力计的测量值和当前标准参考点力值之间的误差判定被检手拉力计是否合格，从而检定手拉力计工作结束。
Claims (6)
1.一种汽车操纵力计二合一自动检定装置，其特征在于：本装置主要包括信号处理单元、主控单元、传动加力单元、被检仪器固定单元；信号处理单元完成标准测力传感器信号的放大后，供主控单元进行采集处理；主控单元作为检定装置的控制中心，完成传感器数据的采集处理、电机控制以及实现控制算法功能；传动加力单元包括丝杠传动结构和标准测力传感器；被检仪器固定单元包括踏板力计固定板、手拉力计固定座；
汽车制动操纵力计二合一自动检定装置的信号处理单元和主控单元安装在封闭的仪器箱中，ARM内核MCU最小系统、控制电路、信号放大电路为系统总PCB设计电路安装在仪器箱左侧顶层；电源稳压模块接入36V锂电池输出正负12V、正负5V，该模块电路安装在仪器箱右侧顶层；电机驱动与控制电路连接，位于仪器箱左侧中间层；步进电机与电机驱动连接，位于仪器箱左侧底层；36V锂电池与电机驱动、电源稳压模块电路连接，位于仪器箱右侧底层；薄膜按键与控制电路连接，位于仪器顶盖中间靠左下方；液晶屏与MCU最小系统连接，位于仪器顶盖中间靠左上方；调零电位器与MCU最小系统连接，位于仪器顶盖中间位置；
传动加力单元中丝杠顶端与封闭仪器箱内的电机输出轴采用弹性一体联轴器进行连接，此为丝杠转动的动力来源；丝杠顶端紧套丝杠固定座，丝杠底端紧套丝杠支承座，此为丝杠固定和支承方式；丝杠中的配型螺母与丝杠推板进行紧固，丝杠推板与标准传感器推板通过四根光轴进行连接和紧固，使得丝杠螺母运动后带动丝杠推板往复运动，进而带动标准传感器推板往复运动；四根光轴中上方两根较短，下方两根较长，下方两根较长的光轴分别套入直线轴承中，用于承受丝杠推板、标准测力传感器、光轴的重力，以免该重力加载在丝杠上，影响丝杠寿命和检定装置的精度；
被检仪器固定单元中的踏板力计固定板、手拉力计固定座与传动加力单元和封闭仪器箱一起固定放置在装置底座上，使得检定装置的所有单元全部位于同一水平高度上。
2.根据权利要求1所述的一种汽车操纵力计二合一自动检定装置，其特征在于：本装置在标准测力传感器与被检操纵力计相互作用时，首先标准测力传感器将测量信号传输给信号处理单元，由主控单元的MCU微控制器对经过处理的信号进行软硬件采集和数据处理，并通过匀速控制和PID增量型控制组合精确控制步进电机，步进电机带动丝杠转动，进而丝杠螺母带动丝杠推板和标准传感器推板往复运动，于是固定在标准传感器推板上的标准测力传感器便与被检操纵力计继续作用直至MCU微控制器采集到的测量信号落入标准参考点允许的范围内；在此过程中，由于步进电机与步进电机驱动器污染电源以及高频噪声干扰，特在装置中加入具有针对性的抗干扰措施；
(1)信号处理单元
标准测力传感器可以同时测量同一水平线上的压力和拉力，输出的测量信号为mV级信号，一级信号处理采用标准差分放大电路，在不改变输入电压的极性或运放输入引脚连线时，电路将压力和拉力信号放大到-1.5V到+1.5V；由于MCU微控制器无法采集负电压进行数据处理，因此需要采用二级信号处理的电位平移电路，将-1.5V到+1.5V电压平移到0-3V，供MCU微控制器进行采集处理；在标准测力传感器未受力时，为保证信号输出为0，特添加三级信号处理的调零电路，为整个信号放大单元电路进行信号调零；
(2)信号软硬件采集处理及控制算法
控制算法选用PID增量型控制方式，通过选择合理的PI、PD或PID控制与匀速控制进行组合控制，合理配置P、I、D中两种或三种参数，达到控制过程中超调较小、响应时间较快、控制结果稳定、精确目的；
(3)供电选择及抗干扰措施
信号放大电路、主控电路使用一套36V锂电池进行独立供电，电机驱动电路使用一套36V锂电池进行独立供电；主控电路中采用光耦电路连接MCU最小系统与电机驱动，使两者隔离开；在电机四线与电机驱动的接口处夹套磁环，在电机四线上包裹一层铝箔薄纸，用于屏蔽干扰；使用硬质铝作为仪器箱制作材料，合理设计电机、电机驱动、主控电路、信号放大电路空间安装位置，尽可能减小在密闭空间中存在的相互干扰问题。
3.根据权利要求1所述的一种汽车操纵力计二合一自动检定装置，其特征在于：由于在踏板力计检定过程中需要对踏板力计施加标准的压力，则传动加力单元和主控单元受到水平方向上与该标准压力方向相反的作用力，因此需要在检定装置的底座右端加上一个挡条，阻止传动加力单元和主控单元向检定装置右端移动；同理，在检定手拉力计时，传动加力单元和主控单元受到水平方向上与标准拉力相反的作用力，需要在主控单元左侧的检定装置底座上加上一个挡条，阻止传动加力单元和主控单元向朝着检定装置左侧运动。
4.根据权利要求1所述的一种汽车操纵力计二合一自动检定装置，其特征在于：检定装置系统由电源模块、信号处理模块、控制模块、执行模块四部分组成；电源模块包含36V锂电池和正负12V、正负5V电压转化器；信号处理模块包含高精度标准测力传感器、三级信号处理电路；控制模块为MCU控制器、光耦隔离电路；执行模块包含步进电机驱动器、步进电机；
MCU控制器安装在总PCB设计电路板上，是控制系统的核心；该MCU控制器集成增强型直接存储访问DMA、可编程延时模块PDB、周期中断定时器PIT，具有多达24个单端AD输入引脚、六个通道的UART串行接口、三个定时器FTM模块通道输出PWM，能够满足检定装置所需的信号采集及处理功能，达到系统的控制要求；
步进电机驱动器安装在总PCB设计电路板下方，作为执行模块中直接控制步进电机转动的执行器，支持脱机、使能、锁定功能，自带短路、过热、过流保护，抗高频干扰能力强、高集成、高可靠性，该驱动器通过MCU微控制器输出PWM对步进电机进行细分控制，具有五种细分模式可选，最小可达1/16步，可以保证驱动步进电机实现低振动、高精度、高效率工作；
步进电机安装在步进电机驱动器的下方；
高精度标准测力传感器安装在传感器固定板上；
电源模块安装在总PCB设计电路板的右上方。
5.根据权利要求2所述的一种汽车操纵力计二合一自动检定装置，其特征在于：本装置系统运行流程中，踏板力计具体检定操作包括以下步骤，
步骤1，检定装置初始化；
此阶段是在检定装置上电之初，被检制动操纵力计具体检定工作开始之前，仪器必须确定标准传感器初始位置，进行功能选择、调整基准电压等准备工作，具体包括以下步骤：
步骤1.1，确定标准传感器初始位置及仪器功能选择；
(1)将踏板力计用皮带固定在踏板力计固定板上；
(2)打开检定装置电源，根据此时标准测力传感器位置，按下“向外”改变标准测力传感器的位置，使得测力传感器和踏板力计距离较近，未发生相互作用，此时按下“复位”，测力传感器停留在当前位置；
(3)选择功能模式“踏板”，在仪器液晶屏上会显示当前检定的仪器种类“踏板力计”，在液晶屏显示“踏板力计”位置右侧会显示当前的基准电压值；
步骤1.2，调节基准电压；
调节电阻安装在检定装置面板上薄膜按键右侧，由于标准测力传感器是S型拉压力传感器，该传感器可同时测量拉力和压力，在检定装置信号放大单元对信号进行处理后，压力对应电压范围为0-1.5V,拉力对应电压范围为1.5V-3V，压力大小与电压大小呈反比，拉力大小与电压大小呈正比，因此选取1.5V作为检定装置的基准电压；
步骤2，标准信号处理与采集
此阶段是检定装置信号处理和软硬件采集工作阶段，信号处理由三级信号处理电路组成，该工作阶段包括以下步骤：
步骤2.1，标准信号处理；
(1)依次按下“F1”、“F2”、“F3”、“F4”、“F5”，这五个标准参考点力的输出分别为“100N”、“300N”、“500N”、“700N”、“900N”；检定过程中，检定装置会在到达这5个标准参考点时自动停下；
(2)当标准测力传感器与被检踏板力计相互作用时，标准测力传感器输出的标准信号为mV信号，由于该标准测力传感器为拉压力传感器，在不改变万用表极性的前提下，同时测量压力和拉力后，可以在万用表上观察到负电压到正电压的测量范围；由于以上所述，在一级运放电路中，首先将对标准测力传感器施加满量程拉力和压力后的标准信号放大至-1.5V和1.5V，然后对一级放大信号-1.5V—+1.5V进行1.5V的电位平移到0—3V，在放大电路的最后环节加上调零电路，于是构成完整的三级信号处理电路，供MCU正常采集；
步骤2.2，标准信号采集
本装置中采用PIT触发PDB，PDB硬件触发ADC进行采集，ADC采集的信号通过DMA方式直接存入MCU内存中；
步骤3，数据处理及控制方式
此阶段在检定装置主控单元中进行，通过AD采集到的电压信号与标准信号进行比较得到偏差量，此偏差量通过匀速控制和数字PID增量型控制算法对步进电机控制得到矫正，直至偏差落入允许的误差范围内，步进电机停止运动，标准测力传感器停在当前位置，标准传感器与被捡踏板力计的相互作用力便是标准输出的力值；主控单元数据处理及控制方式的流程具体包括以下步骤，
步骤3.1，数据处理
标准测力传感器用于测量标准制动操纵力对应的电压信号，通过对该电压信号进行线性处理得到与标准制动操纵力一一对应的关系；周期定时寄存器PIT每隔1ms触发PDB可编程延时模块后触发ADC采集电压信号，每12个AD值进行一次数据处理，由于时间很短，忽略时间差异带来的误差，制动踏板力计测量压力计算为：
其中F踏板为标准测力传感器测得的当前时刻的标准踏板力值，Ui为AD采集的第i次采集到的电压值，Umax为当前采样周期中AD值最大的电压点，Umin为当前采样周期中AD值最小的电压点，N为当前采样周期的采样个数，Uref为MCU微控制器AD模块的基准电压；
步骤3.2，控制方式
步进电机控制采用匀速控制和数字PID增量型控制组合控制方式，将标准测力传感器测得的电压信号在经过数据处理后得到对应的力值信号Fn,该力值信号作为第n次采样得到的定量r(n)，检定装置当前设定的标准参考点力值作为最终值c(n)，则可以得到第n次采样与最终值的偏差量e(n)＝c(n)-r(n)，根据数字PID位置型控制算式：
Δu(n)＝Kp[e(n)-e(n-1)]+Kle(n)+KD[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]
可以得到控制量增量Δu(n)在已知第n、n-1、n-2时刻的偏差量时的控制策略，其中KP称为比例增益，KI称为积分增益，KD称为微分增益；
配置微控制器寄存器状态，初始化全局和局部变量，初始化传感器的位置以及步进电机和步进电机驱动器的控制量，设定一组合适的KP、KI、KD参数，在0-[c(n)-20]的力值范围内，MCU微控制器通过输出恒定频率的脉冲信号控制步进电机以较低的速度匀速运动，在[c(n)-20]-c(n)的力值范围内，MCU微控制器将不同时刻得到的控制策略Δu(n)通过脉冲信号传输给步进电机驱动器，步进电机会根据当前的控制量增量调节运动速度，并最终停止到误差允许的位置上，从而系统达到精确、有效驱动步进电机运动的目的；
通过设定检定装置的功能和选择不同的标准参考点，系统都会采用匀速控制和数字PID增量型控制的组合控制方式驱动步进电机；当检定装置在踏板力计功能下依次完成5个标准参考点的检定之后，系统便完成了所有控制工作；通过比对在每个标准参考点的被检踏板力计的测量值和当前标准参考点力值之间的误差判定被检踏板力计是否合格，从而检定踏板力计工作结束。
6.根据权利要求2所述的一种汽车操纵力计二合一自动检定装置，其特征在于：手拉力计具体检定操作包括以下步骤：
步骤1，检定装置初始化；
此阶段是在检定装置上电初，被检制动操纵力计具体检定工作开始之前，仪器必须确定标准传感器初始位置，进行功能选择、调整基准电压等准备工作，具体包括以下步骤：
步骤1.1，确定标准传感器初始位置及仪器功能选择；
(1)手拉力计尾部的螺丝拧入手拉力计固定座的螺孔中并紧固，在手拉力计头部的螺丝上拧入M6的吊篮螺丝；
(2)打开检定装置电源，根据此时检定装置的测力传感器位置，按下“向外”或“向内”，使得测力传感器最前端位于与踏板力计固定板竖直方向上的第二排螺钉位置附近，按下“复位”，测力传感器停留在当前位置，手动将M12的圈头螺栓拧紧到仪器传感器外侧的螺孔中，按下“向外”改变测力传感器的位置，使得测力传感器和踏板力计固定板距离较近，按下“复位”，测力传感器停留在当前位置，用钢丝绳和卡扣将圈头螺栓和被检手拉力计进行紧固连接；
(3)选择功能模式“手拉”，在仪器液晶屏上会显示当前检定的仪器种类“手拉力计”，在液晶屏显示“手拉力计”位置右侧会显示当前的基准电压值；
步骤1.2，调节基准电压；
调节电阻安装在检定装置面板上薄膜按键右侧，此时手动调节电阻使得基准电压为“150”即可；
步骤2，标准信号处理与采集
此阶段是检定装置信号处理和软硬件采集工作阶段，信号处理由三级信号处理电路组成，信号软硬件采集流程包括以下步骤，
步骤2.1，标准信号处理；
(1)依次按下“F1”、“F2”、“F3”、“F4”、“F5”，这五个标准参考点力的输出分别为“200N”、“400N”、“600N”、“800N”、“1000N”；检定过程中，检定装置会在到达这5个标准参考点时自动停下；
(2)当标准测力传感器与被检踏板力计相互作用时，标准测力传感器输出的标准信号为mV信号，由于该标准测力传感器为拉压力传感器，在不改变万用表极性的前提下，同时测量压力和拉力后，可以在万用表上观察到负电压到正电压的测量范围；由于以上所述，在一级运放电路中，首先将对标准测力传感器施加满量程拉力和压力后的标准信号放大至-1.5V和1.5V，然后对一级放大信号-1.5V—+1.5V进行1.5V的电位平移到0—3V，在放大电路的最后环节加上调零电路，于是构成完整的三级信号处理电路，供MCU正常采集；
步骤2.2，标准信号采集
采用PIT触发PDB，PDB硬件触发ADC进行采集，ADC采集的信号通过DMA方式直接存入MCU内存中；
步骤3，数据处理及控制方式
此阶段在检定装置主控单元中进行，通过AD采集到的电压信号与标准信号进行比较得到偏差量，此偏差量通过匀速控制和数字PID增量型控制算法对步进电机控制得到矫正，直至偏差落入允许的误差范围内，步进电机停止运动，标准测力传感器停在当前位置，标准传感器与被检手拉力计相互作用力便是标准输出的力值；主控单元数据处理及控制方式的流程包括以下步骤，
步骤3.1，数据处理
标准测力传感器用于测量标准制动操纵力对应的电压信号，通过对该电压信号进行线性处理得到与标准制动操纵力一一对应的关系；周期定时寄存器PIT每隔1ms触发PDB可编程延时模块后触发ADC采集电压信号，每12个AD值进行一次数据处理，由于时间很短，忽略时间差异带来的误差，制动手拉力计测量拉力计算为：
其中F手拉为标准测力传感器测得的当前时刻的标准手拉力值，Ui为AD采集的第i次采集到的电压值，Umax为当前采样周期中AD值最大的电压点，Umin为当前采样周期中AD值最小的电压点，N为当前采样周期的采样个数，Uref为微控制器AD模块的基准电压；
步骤3.2，控制方式
步进电机控制采用匀速控制和数字PID增量型控制组合控制方式，将标准测力传感器测得的电压信号在经过数据处理后得到对应的力值信号Fn,该力值信号作为第n次采样得到的定量r(n)，检定装置当前设定的标准参考点力值作为最终值c(n)，则可以得到第n次采样与最终值的偏差量e(n)＝c(n)-r(n)，根据数字PID位置型控制算式：
Δu(n)＝Kp[e(n)-e(n-1)]+Kle(n)+KD[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]
得到控制量增量Δu(n)在已知第n、n-1、n-2时刻的偏差量时的控制策略，其中KP称为比例增益，KI称为积分增益，KD称为微分增益；
配置微控制器寄存器状态，初始化全局和局部变量，初始化传感器的位置以及步进电机和步进电机驱动器的控制量，设定一组合适的KP、KI、KD参数，在0-[c(n)-20]的力值范围内，MCU微控制器通过输出恒定频率的脉冲信号控制步进电机以较低的速度匀速运动，在[c(n)-20]-c(n)的力值范围内，MCU微控制器将不同时刻得到的控制策略Δu(n)通过脉冲信号传输给步进电机驱动器，步进电机会根据当前的控制量增量调节运动速度，并最终停止到误差允许的位置上，从而系统达到精确、有效驱动步进电机运动的目的；
通过设定检定装置的功能和选择不同的标准参考点，系统都会采用匀速控制和数字PID增量型控制的组合控制方式驱动步进电机；当检定装置在手拉力计功能下依次完成5个标准参考点的检定之后，系统便完成了所有控制工作；通过比对在每个标准参考点的被检手拉力计的测量值和当前标准参考点力值之间的误差判定被检手拉力计是否合格，从而检定手拉力计工作结束。
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