CN115165406B - 线控转向器检测系统及被测系统输出轴角度的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及循环球式线控转向器检测系统，包括闭环加载系统模块、高压油泵系统模块、数据采集模块、被测系统模块和上位机模块，其中闭环加载系统模块包括：低压控制器、低压驱动电机、涡轮蜗杆减速机构、全液压转向器、液压缸和液压缸安装底座，高压油泵系统模块包括高压油泵电机、高压油泵控制器、泵头、油箱和油管，数据采集模块包括拉线式位移传感器、拉压力传感器、高精度角度传感器以及传感器安装底座，被测系统为循环球式线控转向器、转向器输出垂臂、转向器球销和转向器安装底座。
Description
技术领域
本发明属于汽车智能转向系统性能与可靠性检测技术领域，特别涉及一种循环球式线控转向器检测系统及被测系统输出轴角度的计算方法。
背景技术
随着智能化科技的迅速发展，汽车转向系统的技术也有了很大提升，从纯机械转向系统到液压助力转向系统(Hydraulic Power Steering，简称 HPS)，再发展到电控液压助力转向系统(Electric Hydraulic Power Steering，简称EHPS)和电动助力转向系统(Electric Power Steering，缩写EPS)，直至如今，助力转向系统也逐步向智能化的线控转向系统 (Steering By Wire，缩写SBW)发展，所以线控转向系统的功能安全、性能验证和可靠性验证成为了研究的热点。相比于传统的纯机械转向和助力转向系统，线控转向系统更注重人的乘车舒适体验、智能安全避障与车身稳定性等显著的优点，让人的双手解放出来。
虽然目前线控转向系统并未投入大批量生产，但是辅助类的智能驾驶和封闭环境下的自动驾驶已逐步铺开，这给线控转向系统的研究和应用带来了很大的动力和需求。线控转向系统必将成为未来汽车转向系统的主流，因此，对线控转向技术的研究具有很高的理论价值和经济价值。
目前转向闭环加载测试系统大部分采用的是伺服比例阀式的结构，该结构存在成本高、对油液清洁度要求高、需要高压蓄能器、能耗高等缺点。大部分检测系统也没有对系统的输入输出响应时间与跟随延迟时间进行准确检测。此外大部分检测系统并未对系统地输出轴角度进行检测，这样，在系统转向摆动过程中就无法准确地进行输出端加载和效率检测。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于汽车循环球式电动或电液线控转向系统性能与可靠性检测的新型试验台，以解决现有技术存在的上述问题。
本发明的技术解决方案是所述循环球式线控转向器检测系统，其特殊之处在于，包括：闭环加载系统模块、高压油泵系统模块、数据采集模块、被测系统模块以及上位机模块；
所述高压油泵系统模块的高压油泵控制器在工作状态下驱动高压油泵电机旋转，通过泵头的作用使得油箱内的油不断输出至闭环加载系统模块的全液压转向器内，为检测系统的加载提供负载驱动力；
所述数据采集模块的高精度角度传感器检测被测系统输入轴的角度信息，并将所述高精度角度信息通过CAN总线上传至上位机模块，所述数据采集模块的拉线式位移传感器和拉压力传感器通过信号屏蔽线连接至闭环加载系统的低压控制器；
所述闭环加载系统的低压控制器将拉线式位移传感器输出的位移脉冲信号，通过三角形的正余弦定理计算，得到被测系统的输出轴角度以及负载力矩矢量与被测系统输出转矩矢量之间的夹角，根据所述夹角并结合低压控制器采集拉压力传感器的负载力，通过三角形矢量关系计算得到被测系统的输出转矩；
所述闭环加载系统模块的低压控制器通过CAN总线与USBCAN工具盒连接至上位机模块，并且接收上位机模块设置的加载值指令、线控角度指令和线控角速度指令，同时上传被测系统的输出轴角度和输出扭矩信息；所述线控角度指令和线控角速度指令通过CAN总线及线控通讯协议传输至被测系统模块的电控部件；
所述被测系统模块的电控部件依据角度指令和角速度指令驱动被测系统输入轴旋转至目标角度指令，同时采集被测系统模块内部角度传感器的角度信号和电控部件的输出转矩信号，并将被测系统输入轴角度和被测系统电控部件的输出转矩上传至CAN总线；
所述上位机模块将接收到的被测系统输出转矩和设置的加载值，通过图形功能显示为负载跟随曲线；将接收到的线控角度指令、被测系统输入轴角度和被测系统输出轴角度，通过图形功能显示为输入输出角度曲线；将接收到的被测系统电控部件的输出转矩乘以被测系统总体减速比得到理论输出转矩，被测系统输出转矩除以理论输出转矩得到被测系统的效率值，结合被测系统的输入角度信息，通过图形功能显示为效率曲线；将接收到的高精度传感器角度和被测系统输入轴角度信息，通过图形功能显示为稳态精度曲线；
所述上位机模块的负载跟随曲线体现了检测系统的加载功能与特性；输入输出曲线分析得到被测系统的响应延迟指标、执行时间指标、控制精度指标、输出轴角度响应延迟指标、超调量指标和超调调整时间指标；效率曲线分析得到被测系统在不同输入轴角度情况下的整体效率指标；稳态精度曲线分析得到被测系统的稳态精度指标。
作为优选：所述闭环加载系统模块由低压控制器、低压控制器控制的低压驱动电机、低压驱动电机连接的涡轮蜗杆减速机构、所述涡轮蜗杆减速机构连接的全液压转向器、所述全液压转向器连接安装在液压缸安装底座上的液压缸组成。
作为优选：所述高压油泵系统模块的油箱出油口与泵头输入端连接，泵头输出端与所述闭环加载系统模块的全液压转向器的P口连接，所述全液压转向器的T口与所述高压油泵系统模块的油箱回油口连接；所述全液压转向器的A口与所述闭环加载系统模块的液压缸的右侧进油口连接，全液压转向器的B口与所述液压缸的左侧进油口连接。
作为优选：所述拉压力传感器右侧通过转向器球销与被测系统垂臂下端铰接，左侧刚性固定在液压缸的拉杆上；所述拉线式位移传感器安装在转向器球销与液压缸底座中心点上；所述高精度角度传感器安装在高精度角度传感器底座上，并且输入端与被测系统的输入轴花键连接；所述低压控制器、被测系统的电控部件、高精度角度传感器及上位机模块通过CAN 总线进行连接。
作为优选：所述被测系统模块由转向器安装底座、所述转向器安装底座上安装的循环球式线控转向器、所述循环球式线控转向器的输出垂臂、输出垂臂连接的转向器球销组成；所述循环球式线控转向器可选用电动循环球方向机或电液循环球方向机，通过CAN通讯给定角度和角速度指令，线控方向机通过角度闭环控制将输入轴执行到给定的角度，稳态精度小于±1.0°。
作为优选：所述被测系统输出轴角度的计算方法，包括以下步骤：
步骤601：通过米尺测量液压缸安装底座中心点A到被测系统输出轴中心点B的平面距离Lab和被测系统输出轴中心点B到转向器球销中心点C 的平面距离Lbc；
步骤602：低压控制器通过拉线式位移传感器信号采集电路实时检测液压缸安装底座中心点A到转向器球销中心点C的距离Lac；
步骤603：通过线控指令使被测系统的输入轴转动至0°中间位置，也即输出轴的0°中间位置，此时低压控制器记录液压缸安装底座中心点A到转向器球销中心点C的距离Lac0；
步骤604：根据三角形的余弦定理推算出被测系统输入输出轴的0°中间位置时垂臂与AB直线之间的夹角为
步骤605：给定不同的被测系统输入轴的角度指令x，低压控制器通过拉线式位移传感器获得液压缸安装底座中心点A到转向器球销中心点C的距离Lacx来计算此时被测系统相对于0°中间位置的输出轴角度为：
作为优选：所述被测系统输出转矩的计算方法包括以下步骤：
步骤701：步骤605的基础上，根据正弦定理计算液压缸输出力Tc与被测系统输出力To矢量之间夹角Rangx的余弦值为：
步骤702：低压控制器通过采集的拉压力传感器电流信号转换成实际的拉压力数据Tc，根据余弦定理计算被测系统的输出转矩为：
本发明的另一技术解决方案是所述被测系统输出轴角度的计算方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
⑴通过米尺测量液压缸安装底座中心点A到被测系统输出轴中心点B 的平面距离Lab和被测系统输出轴中心点B到转向器球销中心点C的平面距离Lbc；
⑵低压控制器通过拉线式位移传感器信号采集电路实时检测液压缸安装底座中心点A到转向器球销中心点C的距离Lac；
⑶通过线控指令使被测系统的输入轴转动至0°中间位置，也即输出轴的0°中间位置，此时低压控制器记录液压缸安装底座中心点A到转向器球销中心点C的距离Lac0；
⑷根据三角形的余弦定理推算出被测系统输入输出轴的0°中间位置时垂臂与AB直线之间的夹角为
⑸给定不同的被测系统输入轴的角度指令x，低压控制器通过拉线式位移传感器获得液压缸安装底座中心点A到转向器球销中心点C的距离Lacx 来计算此时被测系统相对于0°中间位置的输出轴角度为：
作为优选：被测系统输出转矩的计算方法，包括以下步骤：
⑹在步骤⑸的基础上，根据正弦定理计算液压缸输出力Tc与被测系统输出力To矢量之间夹角Rangx的余弦值为：
⑺低压控制器通过采集的拉压力传感器电流信号转换成实际的拉压力数据Tc，根据余弦定理计算被测系统的输出转矩为：
与现有技术相比，本发明的有益效果：
⑴本发明根据液压缸的非线性特性采用积分分离PID控制算法，解决系统响应时间长，超调量大，加载不平稳的问题，相比于传统的PID控制算法具有超调量小，调整时间短的优点，更适合非线性系统的控制；
⑵采用全液压转向器取代比例阀控制加载，降低系统对油液清洁度高的要求，无需高压蓄能装置，能耗小，结构简单且成本低，加载稳定可靠。
⑶被测系统的输出轴角度采用位移测量以及三角函数计算的间接检测方式，来达到减少被测系统安装复杂程度和安装精度的要求，并且能够保证被测系统输出轴角度的测量精度，能够检测线控系统的输入输出跟随特性。
⑷根据拉压力传感器检测的负载信息并结合拉线式位移传感器计算得到的被测系统输出轴角度，通过三角矢量计算，更加准确地进行加载和负载转矩检测，同时使得系统的效率计算更加准确。
⑸设计上位机模块，便于被测系统的输入输出轴角度和力矩信号的采集、处理和图形化显示，能够将线控系统的响应延迟指标、控制精度指标、输出轴角度延时指标、稳态精度指标、执行时间指标、超调量指标、超调调整时间指标和被测系统效率指标通过图形化显示出来。
附图说明
图1是本发明循环球式线控转向器检测系统的结构示意图；
图2是本发明的电动液压转向器加载模块结构示意图；
图3是本发明的低压控制器的结构示意图；
图4是本发明的性能检测结果显示模块的界面图；
图5是本发明的可靠性检测参数配置的界面图；
图6是本发明的低压控制器的主程序流程图；
图7是本发明的低压控制器的系统初始化程序图；
图8是本发明的低压控制器的拉线式位移信号采集程序流程图；
图9是本发明的被测系统输出轴角度及输出转矩矢量图；
图10是本发明的被测系统输出轴角度及力矩夹角余弦值计算程序流程图；
图11是本发明的低压控制器的拉压力信号采集及被测系统输出转矩计算程序流程图；
图12是本发明的低压控制器的数字滤波程序流程图；
图13是本发明的低压控制器硬件结构示意图；
图14是本发明的闭环加载控制算法框图；
图15是本发明的积分分离PID控制算法的程序流程图；
图16是本发明的被测系统线控算法框图；
图17是本发明的上位机显示数据流框图。
附图标记为：高压油泵系统模块1、油箱11、高压油泵电机12、高压油泵控制器 13、泵头14、油管15、闭环加载系统模块2、低压控制器21、低压控制器模块211、低压控制器芯片2111、位移信号处理电路2112、拉压力信号处理电路2113、母线电压信号处理电路2114、电子转子位置信号通讯电路2115、电流信号处理电路2116、CAN通讯电路2117、存储通讯电路2118、H桥驱动电路2119、电流传感器212、电机转子位置传感器213、母线电压检测器件214、H桥电路215、存储芯片216、低压驱动电机22、涡轮蜗杆减速机23、全液压转向器24、液压缸25、液压缸安装底座26、被测系统输出轴角度270、被测系统输出扭矩271、给定负载扭矩272、给定角度指令273、给定角速度指令274、数据采集模块3、拉线式位移传感器31、拉压力传感器32、高精度角度传感器33、被测系统输入轴角度330、传感器安装底座34、被测系统4、循环球式线控转向器41、线控转向器反馈角度410、线控转向器反馈驱动电机转矩411、被测系统输出垂臂42、转向器球销43、被测系统安装底座44、蓄电池51、上位机61、负载跟随曲线610、输入输出角度曲线611、效率曲线612、稳态精度曲线613、USBCAN通讯工具62、响应延迟分析模块70、执行时间分析模块71、控制精度分析模块72、稳态精度分析模块73、超调量分析模块74、超调调整时间分析模块75、输出轴角度延迟时间分析模块 76、效率分析模块77。
具体实施方式
本发明下面将结合附图作进一步详述：
请参阅图1至图3所示，该循环球式线控转向器检测系统，包括：高压油泵系统模块1、闭环加载系统模块2、数据采集模块3、被测系统4、蓄电池51以及上位机模块61。
具体的，高压油泵系统模块1包括：油箱11、高压油泵电机12、油压油泵控制器13、泵头14和油管15，所述油箱11、泵头14、全液压转向器 24和液压缸25之间通过油管15连接。
闭环加载系统模块2包括：低压控制器21、低压驱动电机22、涡轮蜗杆减速机构23、全液压转向器24、液压缸25和液压缸安装底座26；其中，所述低压控制器21包括：低压主控制模块211、电流传感器212、电机转子位置传感器213、母线电压检测器件214、H桥电路215和存储芯片216；
所述低压主控制器模块211包括：低压控制器芯片2111、位移信号处理电路2112、拉压力信号处理电路2113、母线电压信号处理电路2114、电机转子位置串口通信电路2115、电流信号处理电路2116、CAN通讯电路 2117、存储通讯电路2118以及H桥驱动电路2119。
数据采集模块3包括：拉线式位移传感器31、拉压力传感器32、高精度角度传感器33以及传感器安装底座34，所述拉线式位移传感器31、拉压力传感器32通过信号屏蔽线连接至低压控制器21。
被测系统4包括：循环球式线控转向器41、转向器输出垂臂42、转向器球销43和转向器安装底座44；所述循环球式转向器41刚性固定在其安装底座44上，所述液压缸25刚性固定在液压缸安装底座26上，所述高精度角度传感器33刚性固定在其转向器安装底座44上，液压缸25拉杆与拉压力传感器32左侧刚性连接，所述拉压力传感器32右侧通过转向器球销 43与被测系统垂臂42下端铰接；
所述低压控制器21、循环球式线控转向器41、高精度角度传感器33 和USBCAN通讯工具62之间连接CAN通讯电路2117。本实施例中的主控制芯片2111采用高性能32位的TMS320F28004x，低压驱动电机22选用额定功率为840w的永磁同步电机，为了模拟全液压系统的转向过程，低压驱动电机22与全液压转向器24之间的涡轮蜗杆减速机23减速比为20.5，全液压转向器24选用排量规格为500mL/min，高压油泵电机12的额定输出功率为3kw，电机转速为1500rpm，泵头14规格选用17Mpa/20mL，液压缸25选用缸径为100mm杠径为50mm，拉压力传感器32规格选用5t的，拉线式位移传感器31采用规格为1000mm绝对位置增量式传感器，高精度角度传感器33采用LEINE&LINDE600系列角度传感器，自带CANopen通讯角度数据输出，循环球式线控转向器包含电动循环球方向机(图中未示)和电液循环球方向机(图中未示)，通过CAN通讯给定角度和角速度指令，线控方向机(图中未示)通过角度闭环控制将输入轴执行到给定的角度，稳态精度小于± 1.0°。
本实施例中，蓄电池51为两个12V100Ah的蓄电池串联设计，输入到系统上的24V设备。上位机模块61直接记录CAN总线上的数据，利用虚拟仪器开发平台Labview软件，并对数据进行协议解析，同时配置检测系统的可靠性测试参数，如图4所示为上位机显示的负载设定与实际负载曲线图、被测系统输入输出角度曲线图、被测系统效率曲线图和被测系统线控稳态精度曲线图，如图5所示为被测系统可靠性检测参数设置界面，包括：加载值、试验次数、线控角度指令、线控角速度指令、线控最大角度停留时间和试验启停，并实时显示已完成试验次数、被测控制器温度、低压控制器温度、负载反馈值等数据信息。所述上位机模块61主要用于显示CAN 总线上解析的数据，根据实际需求对数据进行处理，并显示相关的数据曲线。
所述循环球式线控转向器检测系统的检测方法，包括以下步骤：
⑴通过低压控制器的拉线式位置传感器采集到的液压缸的行程数据，通过三角形的余弦定理推算被测系统输出轴角度大小，并将被测系统输出轴角度数据上传到CAN总线；步骤⑴中被测系统的输出轴角度通过以下步骤测量并推算得出：
步骤101：通过米尺测量到液压缸安装底座中心点A到被测系统输出轴中心点B的平面距离Lab和被测系统输出轴中心点B到转向器球销中心点C 的平面距离Lbc；
步骤102：低压控制器通过拉线式位移传感器信号采集电路实时检测液压缸安装底座中心点A到转向器球销中心点C的距离Lac；
步骤103：通过线控指令使被测系统的输入端转动至0°中间位置，也即输出端的0°中间位置，此时低压控制器记录液压缸安装底座中心点A到转向器球销中心点C的距离Lac0；
步骤104：根据三角形的余弦定理推算出被测系统输入输出轴的0°中间位置时垂臂与AB直线之间的夹角为
步骤105：给定不同的被测系统输入端的角度指令，测量液压缸安装底座中心点A到转向器球销中心点C的距离Lacx来计算被测系统相对与0°中间位置的输出轴角度为：
步骤106：将实时计算得到的垂臂相对输出轴角度与被测系统的输入轴角度实时上传到CAN总线上，上位机系统根据实时上传的CAN数据，将被测系统的输入输出角度相对时间的波形在坐标系上显示出来，从而获得被测系统在不同负载下的响应延迟时间、执行时间和传动比数据。
⑵在步骤105的基础上，根据正弦定理计算液压缸输出力Tc与被测系统输出力To矢量之间夹角Rangx的余弦值为：
(3)低压控制器通过采集的拉压力传感器电流信号转换成实际的拉压力数据Tc，根据余弦定理计算被测系统的输出力矩为：
(4)在电脑的上位机模块检测系统设定加载值大小，并传送至低压电机控制器内，作为加载PID闭环的指令输入信号；
(5)低压控制器实时采集被测系统的工作状态，并根据被测系统的工作状态确定加载方向，根据计算的被测系统输出力矩与设定加载扭矩值进行积分分离PID运算之后得到低压驱动电机的旋转速度和旋转方向；
步骤501：拉压力信号处理电路对拉压力传感器检测到的拉压力信号经过均值滤波处理，主控制芯片通过A/D转换器将拉压力信号转换成数字形式的信号，该信号经过角度关系计算成被测系统的输出转矩，结合给定的负载转矩指令，并通过积分分离PID控制器进行算法处理，计算出低压驱动电机的目标转速大小；
步骤502：主控制器芯片分别通过电机转子位置通讯电路和电流采样电路得到低压驱动电机的实时转速与实时电流信息，并通过转速与电流PID 闭环达到实际转速跟随目标转速的目的；
步骤503：当被测系统在线控指令作用下，向左或者右转向工作时，带动液压缸的伸缩摆动，此时低压驱动电机通过涡轮蜗杆带动全液压方向机旋转，从而将P口的液压油导入至A口或者B口，从而推动液压缸进行反向加载或则减小负载；
步骤504：当实际负载转矩低于设定负载转矩时，通过积分分离PID调节器，输出更高的低压驱动电机转速需求，从而将更多的油推入到加载液压缸进行增大负载；当实际负载高于设定负载时，通过积分分离PID调节器，输出更小或者反向的低压驱动电机转速需求，从而使得推入加载液压缸的液压油减少或者将液压油推入助力缸来达到减小负载的过程。
(6)低压驱动电机通过涡轮蜗杆带动全液压方向机旋转，从而将P口的液压油通入到A口或者B口，来给推动液压缸拉杆向左或者向右输出力矩，从而实现被测系统的闭环加载，旋转速度越大，全液压方向机的排量也越大，负载达到设定的目标值也就越快；
(7)通过被测系统输入轴安装的高精度角度传感器实时采集输入轴的角度信息，并将检测输入角度信息上传到CAN总线；
(8)将线控系统的输入输出测量角度、负载数据、被测系统内部传感器的角度与被测系统驱动电机输出扭矩数据信息都上传到检测系统上位机进行波形显示、控制精度、稳态误差、响应延迟、超调、动态响应及效率分析。
请参阅图6所示，低压控制器的主程序设计流程包括系统初始化、过流故障中断及处理、ADC中断及处理模块、定时器中断及处理模块、位移数据采集、输出轴角度计算、EEPROM数据读写、数字量信号输入检测、其他故障检测与处理、CAN通讯交互处理以及运行状态指示，所述ADC中断及处理模块包括电流电压数据采集、电机转子位置信号SPI通讯获取、电机转速计算、转速闭环PID、电流闭环PID和PWM调制与输出，所述定时器中断及处理模块包括位移数据采集、输出轴角度Betax计算、力矩夹角Rangx 余弦值cos(Rangx)计算、拉压力数据采集、拉压力值Tc计算、被测系统输出转矩Te计算、输出转矩的积分分离PID闭环和实时更新电机转速指令。
所述低压控制器的控制方法，包括以下步骤：
⑴系统初始化，判断是否有过流故障中断触发？若为是，则经过流故障处理步骤、中断返回步骤，进入下一步骤；若为否，则进入下一步骤；所述步骤⑴中初始化流程进一步包括：
(1.1)上电初始化；
(1.2)时钟初始化；
(1.3)定时器初始化；
(1.4)A/D采样初始化；
(1.5)PWM初始化；
(1.6)I/O口初始化；
(1.7)串口通讯初始化；
(1.8)CAD通讯初始化；
(1.9)中断初始化；
(1.10)控制器参数初始化；
(1.11)初始化结束。
⑵进一步判断是否ADC中断触发？若为是，则经电流电压数据采集步骤、电机转子位置信号SPI通讯获取步骤、电机转速计算步骤、转速闭环 PID步骤、电机闭环PID步骤、PWM调制与输出步骤、中断返回步骤，进入下一步骤；若为否，则进入下一步骤；
⑶进一步判断是否定时器中断触发？，若为是，则经位移数据采集步骤、输出轴角度Betax计算步骤、力矩夹角Rangx余弦值cos(Rangx)计算步骤、拉压力数据采集步骤、拉压力值Tc计算步骤、被测系统输出转矩Te 计算步骤、输出转矩的积分分离PID闭环步骤、实时更新电机转速指令步骤、中断返回步骤，进入下一步骤；若为否，则进入下一步骤；
所述步骤⑶中拉压力数据采集步骤，进一步包括：
(3.1)位移数据采集；所述步骤(3.1)中的位移数据采集步骤，进一步包括：
(3.1.1)位移信号参数初始化；
(3.1.2)PWM捕获功能初始化；
(3.1.3)根据AB信号的电平组合确定脉冲计数方向；
(3.1.4)实时读取脉冲累计计数寄存器；
(3.1.5)计算位移长度信息；
(3.1.6)信号采集结束；
(3.2)输出轴角度及力矩夹角余弦值计算；所述步骤(3.2)中的输出轴角度及力矩夹角余弦值计算步骤，进一步包括：
(3.2.1)输出轴角度参数初始化Lab和Lbc；
(3.2.2)被测系统线控至0°指令；
(3.2.3)记录此时拉线式位移信号计算的位移值Lac0；
(3.2.4)计算0°指令时垂臂与AB直线之间的夹角Beta0；
(3.2.5)根据拉线式位移信号的实时测量值Lacx得到输出轴角度 Betax；
(3.2.6)液压缸输出力Tc与被测系统输出力To矢量夹角Rangx的余弦值cos(Rangx)计算；
(3.2.7)输出轴角度及力矩夹角余弦值计算结束；
(3.3)拉压力信号采集及输出扭矩计算，所述步骤(3.3)中拉压力信号采集及输出扭矩计算步骤，进一步包括：
(3.3.1)拉压力信号参数初始化；
(3.3.2)采集传感器数值；
(3.3.3)判断采样数据是否超限？若为是，则经传感器故障步骤进入步骤(3.3.6)；
(3.3.4)若判断为否，则进入下一步骤：数字滤波；
所述步骤(3.3.4)中的数字滤波步骤，进一步包括：
(3.3.4.1)定义长度16的滤波数组D[16]，并初始化为0；
(3.3.4.2)判断是否采样时间到？若为否，则返回上一步骤；若为是，则进入下一步骤；
(3.3.4.3)读取采样数据为Dx；
(3.3.4.4)进一步判断首次采样数据是否更新？若为否，则经步骤“数据Dx赋值到滤波数组每个单元，更新次数N＝0”进入步骤(3.3.4.7)；
(3.3.4.5)进一步判断更新次数N≥16？若为是，则经步骤“更新次数 N＝0”进入下一步骤；若为否，则进入下一步骤；
(3.3.4.6)D[N]＝Dx；
(3.3.4.7)取滤波数组的均值Dj作为滤波结果返回值；
(3.3.4.8)滤波结束；
(3.3.5)拉压力值Tc计算；
(3.3.6)被测系统输出转矩Te计算；
(3.3.7)信号采集及输出转矩计算结束。
⑷EEPROM数据读写；
⑸数字量信号输入检测；
⑹其它故障检测与处理；
⑺CAN通讯交互处理；
⑻运行状态指示；
⑼主程序结束。
请参阅图7所示，低压控制器系统初始化的控制方法，包括时钟初始化、定时器初始化、A/D采样初始化、PWM初始化、I/O口初始化、串口通讯初始化、CAN通讯初始化、中断初始化以及控制器参数初始化。
请参阅图8所示，低压控制器的拉线式位移信号采集的控制方法，包括位移信号参数初始化、PWM捕获功能初始化、根据AB信号电平确定脉冲计数方向、实时读取脉冲累计计数寄存器和计算位移长度信息。
请参阅图9和图10所示，被测系统输出轴角度计算程序的控制方法，包括输出轴角度参数初始化Lab和Lbc、被测系统线控至0°指令、记录此时拉线式位移信号的位移长度为Lac0、计算0°指令时垂臂与AB直线之间的夹角Beta0、根据不同线控角度指令下的拉线式位移信号测量值Lacx计算得到输出轴角度Betax、液压缸输出力Tc与被测系统输出力To矢量夹角 Rangx的余弦值cos(Rangx)计算。
请参阅图9和图11所示，低压控制器的拉压力信号采集的控制方法，包括拉压力信号参数初始化、采集传感器数值、采集数据是否超限及故障处理、数字滤波、拉压力值Tc计算、输出转矩Te计算。
请参阅图12所示，数字滤波程序设计的控制方法，包括定义长度为16 的滤波数组D[16]，并初始化为0、等待采样时间到来、读取采样数据为Dx、若为首次采样数据更新，则将Dx赋值到滤波数组每个单元，更新次数N＝0，否则判断更新次数N≥16，若是则先将更新次数N＝0、D[N]＝Dx、取滤波数组的均值Dj作为滤波结果的返回值。
请参阅图1所示，现针对本发明提供的循环球式线控转向器检测系统的检测方法进行详细说明，具体方法如下：
首先，利用上位机模块61配置加载值、线控最大角度和线控最大角度停留时间，启动高压油泵电机12，将油箱11内的油输入道全液压转向器 24内；
其次，启动闭环加载系统2，低压控制器21根据被测系统状态及上位机系统设定的负载转矩数据进行工作，拉压力传感器32检测的拉压力值Te 经过三角矢量计算出的被测系统输出转矩Te与设定负载转矩的差值作为积分分离PID控制器的给定，积分分离PID控制器的输出为目标转速的指令，再经过转速PID闭环和电流PID闭环得到低压驱动电机的转速跟随目标转速运行，经过涡轮蜗杆减速机构23的作用下，带动全液压转向器24转动，全液压转向器24的转动使得输入的液压油推入至液压缸25的A腔或者B 腔内，从而使被测系统41的加载量变大或者变小；
然后，被测系统41收到线控启动指令后，被测系统41输入轴开始向给定的目标指令角度旋转跟随，同时也带动被测系统41的垂臂42左右摆动，在摆动过程中低压控制器21实时检测拉压力值，并通过PID控制器调整全液压转向器24的排油大小和方向，从而达到运行过程中的动态闭环稳定加载；
最后，USBCAN通讯工具62将动态执行过程中的数据实时传输至上位机 61进行数据显示与曲线绘制。
结合图13与图14，针对主控制器21将拉压力传感器32采集的信号Tc计算成被测系统输出扭矩Te通过积分分离PID控制器计算出低压驱动电机23的目标转速，再结合电机转子位置传感器213和电流传感器212采集的数据分别进行转速和电流的PID控制，使得低压驱动电机22的转速跟随目标转速，最终低压驱动电机22的转动带动全液压转向机排量和方向的变化，达到实际加载值跟随给定值的过程；
请参阅图3所示，低压控制器可以详细描述为：
首先，拉压力信号处理电路2113对拉压力传感器32检测到的拉压力信号经过均值滤波处理得到拉压力值Tc，经过三角形矢量计算得到被测系统输出转矩Te,电流采样电路2116将电流传感器212检测到的电流信号转换为电压信号，电压信号采集并进行偏执处理后得到实际的电流值，电机转子位置信息通讯电路2115将电机转子位置传感器213检测到的电机转子位置数字量信号直接传输至低压控制器芯片2111，母线电压信号处理电路2114将母线电压检测器件214检测到的电压信号供低压控制器芯片2111采集；
然后，低压控制器芯片2111将被测系统输出转矩Te通过积分分离PID 控制器处理得到低压驱动电机的目标转速，电机转子位置信息经过测速算法得到低压驱动电机的实际转速，目标转速与实际转速通过PID控制器得到目标电流，结合采样的实际电流进行PID控制器处理得到目标电流下的驱动电压，驱动电压结合母线电压值经过PWM调制得到H桥的PWM驱动波形；
再次，低压控制器芯片2111输出的PWM驱动波形通过H桥驱动电路2119 输入到H桥电路215，将目标电流从直流电逆变成交流电，控制低压驱动电机23转动达到实际电机转速跟随目标转速的目的；
最后，低压驱动电机22的转动带动全液压转向器24的转动，使得输入到全液压转向器24的油液导入到液压缸25的A腔或者B腔，从而使液压缸25反向推动或拉动被测系统输出垂臂42进行加载的增减，通过积分分离PID控制器的调节达到反馈输出转矩跟随设定负载转矩变化。
请参阅图15所示，本实施例中的积分分离PID控制算法用以下函数关系表示：
式中，u(t)为控制量输出，e(t)为信号误差，比例系数为P＝Kp，当e(k)≥Eset时，积分系数为I＝0，当e(k)＜Eset时，积分系数为积分系数为D＝Kd＝Kp·Td，所述积分分离PID控制算法步骤如下：
(1)PID参数初始化；
(2)误差信号计算e(k)＝ω*-ωr；
(3)计算ΔPp(k)＝Kp×(e(k)-e(k-1))；
(4)积分分离判断：e(k)＜Eset？
(5)若满足积分分离条件,则计算ΔPi(k)＝Ki×e(k)，若不满足条件,则计算ΔPi(k)＝0；
(6)计算ΔPd(k)＝Kd×[e(k)-2×e(k-1)+e(k-2)]；
(7)计算ΔP(k)＝ΔPp(k)+ΔPi(k)+ΔPd(k)；
(8)计算P(k)＝ΔP(k)+P(k-1)；
(9)计算P(k-1)＝P(k)；
(10)计算e(k-2)＝e(k-1)；
(11)计算e(k-1)＝e(k)；
(12)输出P(k)；式中ω*为给定指令，ωr为反馈数据。
请参阅图16所示，本实施例中被测系统4采用角度、速度、电流三闭环PID控制，能够保证内部输入角度(即方向机输入角度)实时跟随给定角度指令转动，该过程详细描述为：
(1)被测系统实时采集系统内部的角度信息，结合给定的角度指令，通过角度伺服PID闭环控制器，得到被测系统4内部驱动电机的目标转速；
(2)被测系统4还包含转速信息采集模块以及电流、电压信息采集模块，通过转速PID闭环和电流PID闭环，达到实际转速跟随目标转速运行；
(3)被测系统4内部电机的旋转带动蜗杆和涡轮的转动，使得被测系统 4输入轴也跟随转动，进而输入轴的角度实际值向目标角度指令跟随。
请参阅图17所示，上位显示系统模块61输出曲线包含：负载跟随曲线610、输入输出角度曲线611、效率曲线612、稳态精度曲线613，所述负载跟随曲线610的横坐标为时间，纵坐标为给定负载转矩272和被测系统反馈输出转矩271，该曲线图能够很好地反映出被测系统的加载力矩跟随给定力矩的稳定性和超调量；所述输入输出角度曲线611地横坐标为时间，纵坐标为被测系统内部角度指令273、内部反馈输入角度410和被测系统输出轴角度270，该曲线图能够很好地反映出被测线控转向系统的响应延迟指标70、执行时间指标71、控制精度指标72、超调量指标74、超调调整时间指标75和输出轴角度响应延迟指标76；所述效率曲线612的横坐标为被测系统输入角度值330，纵坐标为效率值，该曲线更地反映了不同角度位置下被测系统的输出效率，便于系统效率分析77，所述效率值为被测系统输出转矩Te除理论输出转矩Tz，所述理论转矩Tz为被测系统的内部驱动电机输出转矩411乘系统的减速比得出。所述稳态精度曲线613的横坐标为时间，纵坐标为被测系统检测输入角度Ac和被测系统内部反馈输入角度Ai，该曲线反映出了被测系统内部角度传感器的稳态精度指标73。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。
Claims (9)
1.一种循环球式线控转向器检测系统，其特征在于，包括：闭环加载系统模块、高压油泵系统模块、数据采集模块、被测系统模块以及上位机模块；
所述高压油泵系统模块的高压油泵控制器在工作状态下驱动高压油泵电机旋转，通过泵头的作用使得油箱内的油不断输出至闭环加载系统模块的全液压转向器内，为检测系统的加载提供负载驱动力；
所述数据采集模块的高精度角度传感器检测被测系统输入轴的角度信息，并将所述高精度角度信息通过CAN总线上传至上位机模块，所述数据采集模块的拉线式位移传感器和拉压力传感器通过信号屏蔽线连接至闭环加载系统的低压控制器；
所述闭环加载系统的低压控制器将拉线式位移传感器输出的位移脉冲信号，通过三角形的正余弦定理计算，得到被测系统的输出轴角度以及负载力矩矢量与被测系统输出转矩矢量之间的夹角，根据所述夹角并结合低压控制器采集拉压力传感器的负载力，通过三角形矢量关系计算得到被测系统的输出转矩；
所述闭环加载系统模块的低压控制器通过CAN总线与USBCAN工具盒连接至上位机模块，并且接收上位机模块设置的加载值指令、线控角度指令和线控角速度指令，同时上传被测系统的输出轴角度和输出扭矩信息；所述线控角度指令和线控角速度指令通过CAN总线及线控通讯协议传输至被测系统模块的电控部件；
所述被测系统模块的电控部件依据角度指令和角速度指令驱动被测系统输入轴旋转至目标角度指令，同时采集被测系统模块内部角度传感器的角度信号和电控部件的输出转矩信号，并将被测系统输入轴角度和被测系统电控部件的输出转矩上传至CAN总线；
所述上位机模块将接收到的被测系统输出转矩和设置的加载值，通过图形功能显示为负载跟随曲线；将接收到的线控角度指令、被测系统输入轴角度和被测系统输出轴角度，通过图形功能显示为输入输出角度曲线；将接收到的被测系统电控部件的输出转矩乘以被测系统总体减速比得到理论输出转矩，被测系统输出转矩除以理论输出转矩得到被测系统的效率值，结合被测系统的输入角度信息，通过图形功能显示为效率曲线；将接收到的高精度传感器角度和被测系统输入轴角度信息，通过图形功能显示为稳态精度曲线；
所述上位机模块的负载跟随曲线体现了检测系统的加载功能与特性；输入输出曲线分析得到被测系统的响应延迟指标、执行时间指标、控制精度指标、输出轴角度响应延迟指标、超调量指标和超调调整时间指标；效率曲线分析得到被测系统在不同输入轴角度情况下的整体效率指标；稳态精度曲线分析得到被测系统的稳态精度指标。
2.根据权利要求1所述的循环球式线控转向器检测系统，其特征在于，所述闭环加载系统模块由低压控制器、低压控制器控制的低压驱动电机、低压驱动电机连接的涡轮蜗杆减速机构、所述涡轮蜗杆减速机构连接的全液压转向器、所述全液压转向器连接安装在液压缸安装底座上的液压缸组成。
3.根据权利要求1所述的循环球式线控转向器检测系统，其特征在于，所述高压油泵系统模块的油箱出油口与泵头输入端连接，泵头输出端与所述闭环加载系统模块的全液压转向器的P口连接，所述全液压转向器的T口与所述高压油泵系统模块的油箱回油口连接；所述全液压转向器的A口与所述闭环加载系统模块的液压缸的右侧进油口连接，全液压转向器的B口与所述液压缸的左侧进油口连接。
4.根据权利要求1所述的循环球式线控转向器检测系统，其特征在于，所述拉压力传感器右侧通过转向器球销与被测系统垂臂下端铰接，左侧刚性固定在液压缸的拉杆上；所述拉线式位移传感器安装在转向器球销与液压缸底座中心点上；所述高精度角度传感器安装在高精度角度传感器底座上，并且输入端与被测系统的输入轴花键连接；所述低压控制器、被测系统的电控部件、高精度角度传感器及上位机模块通过CAN总线进行连接。
5.根据权利要求1所述的循环球式线控转向器检测系统，其特征在于，所述被测系统模块由转向器安装底座、所述转向器安装底座上安装的循环球式线控转向器、所述循环球式线控转向器的输出垂臂、输出垂臂连接的转向器球销组成；所述循环球式线控转向器可选用电动循环球方向机或电液循环球方向机，通过CAN通讯给定角度和角速度指令，线控方向机通过角度闭环控制将输入轴执行到给定的角度，稳态精度小于±1.0°。
6.根据权利要求1所述的循环球式线控转向器检测系统，其特征在于，所述被测系统输出轴角度的计算方法包括以下步骤：
步骤601：通过米尺测量液压缸安装底座中心点A到被测系统输出轴中心点B的平面距离Lab和被测系统输出轴中心点B到转向器球销中心点C的平面距离Lbc；
步骤602：低压控制器通过拉线式位移传感器信号采集电路实时检测液压缸安装底座中心点A到转向器球销中心点C的距离Lac；
步骤603：通过线控指令使被测系统的输入轴转动至0°中间位置，也即输出轴的0°中间位置，此时低压控制器记录液压缸安装底座中心点A到转向器球销中心点C的距离Lac0；
步骤604：根据三角形的余弦定理推算出被测系统输入输出轴的0°中间位置时垂臂与AB直线之间的夹角为
步骤605：给定不同的被测系统输入轴的角度指令x，低压控制器通过拉线式位移传感器获得液压缸安装底座中心点A到转向器球销中心点C的距离Lacx来计算此时被测系统相对于0°中间位置的输出轴角度为：
7.根据权利要求1所述的循环球式线控转向器检测系统，其特征在于，所述被测系统输出转矩的计算方法包括以下步骤：
步骤701：步骤605的基础上，根据正弦定理计算液压缸输出力Tc与被测系统输出力To矢量之间夹角Rangx的余弦值为：
步骤702：低压控制器通过采集的拉压力传感器电流信号转换成实际的拉压力数据Tc，根据余弦定理计算被测系统的输出转矩为：
8.一种被测系统输出轴角度的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
⑴通过米尺测量液压缸安装底座中心点A到被测系统输出轴中心点B的平面距离Lab和被测系统输出轴中心点B到转向器球销中心点C的平面距离Lbc；
⑵低压控制器通过拉线式位移传感器信号采集电路实时检测液压缸安装底座中心点A到转向器球销中心点C的距离Lac；
⑶通过线控指令使被测系统的输入轴转动至0°中间位置，也即输出轴的0°中间位置，此时低压控制器记录液压缸安装底座中心点A到转向器球销中心点C的距离Lac0；
⑷根据三角形的余弦定理推算出被测系统输入输出轴的0°中间位置时垂臂与AB直线之间的夹角为
⑸给定不同的被测系统输入轴的角度指令x，低压控制器通过拉线式位移传感器获得液压缸安装底座中心点A到转向器球销中心点C的距离Lacx来计算此时被测系统相对于0°中间位置的输出轴角度为：
9.根据权利要求8所述的被测系统输出轴角度的计算方法，其特征在于，被测系统输出转矩的计算方法，包括以下步骤：
⑹在步骤⑸的基础上，根据正弦定理计算液压缸输出力Tc与被测系统输出力To矢量之间夹角Rangx的余弦值为：
⑺低压控制器通过采集的拉压力传感器电流信号转换成实际的拉压力数据Tc，根据余弦定理计算被测系统的输出转矩为：
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| GR01 | Patent grant | ||
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