CN117214589A - 一种eps系统时域响应现场测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种EPS系统时域响应现场测试方法，涉及到汽车转向器技术领域，包括S1、电流数据暂存触发；S2、电流数据暂存；S3、傅里叶变换；S4、电流数据回读触发；S5、电流数据回读；S6、数据导出；S7、数据解析；S8、数据分析。本发明基于微处理器的RAM存取数据的高速特性，提出一种存储实时数据并且能够准确地反映EPS控制器信号实时变化规律的方法。借助微处理器RAM的高速存取特性，以完成每个控制周期内数据临时存储的任务，直至该存储区被填满。该区域内所存储的数据通过傅里叶变换处理，获取幅值频率相位等信息，并将变换后的数据存储在分配的RAM区域，从而完整保存测量过程中获取的数据。
Description
技术领域
本发明涉及汽车转向器技术领域，特别涉及一种EPS系统时域响应现场测试方法。
背景技术
电动助力转向系统属于一种电动助力动力转向系统，其运作原理在于通过电动机提供辅助扭矩，直接参与转向过程。该系统通过感知驾驶员对方向盘的操作意向，并计算助力电机所需的驱动力，以协助驾驶员实现转向，从而减轻驾驶员在行驶中的转向负荷。EPS助力电机通常在转矩和转速不断变化的工况下工作，因此其控制相当复杂。传统的EPS现场调试过程主要依赖上位机软件来读取和显示数据。然而，上位机与EPS控制器之间的实时交互最高只能实现毫秒级的响应速度（大多数第三方软件的数据传输一帧最快为2毫秒），无法实现将EPS控制器在每个控制周期内产生的关键数据（例如电机电流、电机转子角度等）传输至上位机进行数据分析；对于某些极限条件的测试，如将助力电流调整到最大以评估EPS系统的跟随性能，使用上位机不能完整捕获到每个运行周期的数据；使用示波器又容易因为操作不及时而导致EPS电子元器件（如MOSFET、预驱动芯片等）受损；此外，长时间测试性能时产生的数据量巨大，单片机的存储空间不足以支撑原始数据的完整存储。为应对这些问题，本发明提出通过设定自动触发条件（例如电机电流大于特定值）或外部命令触发（通过控制器局域网CAN或其他通讯网络发送指令），在微处理器中的RAM中动态分配数据存储空间，将需要分析的关键原始数据在每个控制周期（通常小于100微秒）存储一次，直至该RAM区域被写满，最终将所保存的大量数据通过傅里叶变换得到幅频数据，并将该数据存储在动态RAM中，并可选择性清除被转换的原始数据，进行下一轮的测试工作。在测试完成后，通过通讯网络将存储的幅频数据读取出来，使用数据分析软件进行数据解析和分析，查找问题的根本原因，解决现场调试中的问题，提升EPS系统的性能表现。
因此，提出一种EPS系统时域响应现场测试方法来解决上述问题很有必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种EPS系统时域响应现场测试方法，以解决使用示波器容易因为操作不及时而导致EPS电子元器件（如MOSFET、预驱动芯片等）受损的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种EPS系统时域响应现场测试方法，包括以下步骤：第一步、电流数据暂存触发：根据ECU触发条件分为自动触发和外部触发模式，启动时间因触发模式而异，当设定自动触发模式时，系统一旦检测到满足的触发条件，立即启动数据暂存功能；当设定为外部触发模式时，通过外部通信发送启动命令或外部中断信号等，当触发条件满足时，立即启动数据暂存，第二步、电流数据暂存：数据暂存触发后，系统将每个控制周期内需要暂存的原始数据以数组形式存入微处理器RAM中；第三步、傅里叶变换：系统将暂存在RAM中的原始数据进行傅里叶变换，得到离散的幅值频率相位等重要三维数据，通过对此数据分析，便可得出影响电机性能的因素；第四步、电流数据回读触发：ECU等待接收外部设备发来的启动回读命令的过程，当ECU接收到该命令后，会立即从指定RAM区域内读取信号的幅值频率相位角信息，启动数据发送功能；第五步、电流数据回读：当ECU接收到回读触发指令后，ECU将从RAM中，按时间顺序逐条读取三维数据到待发送区域，通过CAN通信方式，依次将所保存的三维数据发送完毕；第六步、数据导出：外部设备将ECU发送的三维数据导入数据分析工具；第七步、数据解析：外部设备导入三维数据后，对其进行解析，使其符合分析工具识别的格式；第八步、数据分析：通过分析工具对解析后的数据进行分析和解释，还原ECU运行状态，解决工作过程中的问题。
优选的，所述暂存数据长度为人为规定的有限长度，在持续保存时长尚未结束，而存储位置已满时，数据会停止保存。
优选的，所述自动触发为基于电流阈值进行触发数据保存的模式，外部触发模式为基于外部CAN命令触发数据保存的模式。
优选的，所述数据分析是指将解析处理后的数据，通过直方图方式展现频率、幅值以及相位角信息。
本发明的技术效果和优点：
1、本发明基于微处理器的RAM存取数据的高速特性，提出一种存储实时数据并且能够准确地反映EPS控制器信号实时变化规律的方法。借助微处理器RAM的高速存取特性，以完成每个控制周期内数据临时存储的任务，直至该存储区被填满。该区域内所存储的数据通过傅里叶变换处理，获取幅值频率相位等信息，并将变换后的数据存储在分配的RAM区域。测试完成后，可将RAM中的幅频数据导出至外部设备，从而完整还原测量过程中获取的数据。
2、在实际操作中，本发明解决了使用上位机调试时，不能完整快速的展示阶跃响应、正余弦响应等对时间响应要求较高的问题；解决了使用RAM存储原始数据时由于数据量大而导致数据存储空间不够用的问题。本发明解决了需要对波形进行测量但不方便使用示波器的问题，解决了使用示波器测量瞬态信号时，数据难以捕捉的问题；
3、本发明解决了使用示波器不能测量具有危险性、破坏性信号的问题以及使用示波器测量的数据不易保存的问题。
附图说明
图1为本发明时域响应线程测试的程序流程图结构示意图。
图2为本发明电机三相电流时域响应原始数据示意图。
图3为本发明电机三相电流时域响应数据解析示意图。
图4为本发明FFT变换后的无死区补偿幅频截取图结构示意图。
图5为本发明FFT变换后的有死区补偿幅频截取图结构示意图。
图6为本发明无死区补偿电流波形还原图结构示意图。
图7为本发明有死区补偿电流波形还原图结构示意图。
图8为本发明FFT变换后无死区补偿基波和谐波占比示意图。
图9为本发明FFT变换后有死区补偿基波和谐波占比示意图。
具体实施方式
下面将结合本实施例中的附图，对本实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本文中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本保护的范围。
本发明提供了如图1-图9所示的一种EPS系统时域响应现场测试方法，包括如下步骤：电流数据暂存的触发、电流数据的暂存、傅里叶变换、电流数据回读的触发、电流数据回读、电流数据导入、电流数据解析和电流数据分析。
S1、电流数据暂存触发：根据ECU触发条件分为自动触发和外部触发模式，启动时间因触发模式而异，当设定自动触发模式时，系统一旦检测到满足的触发条件，即刻启动数据暂存功能，当设定为外部触发模式时，通过外部通信发送启动命令或外部中断信号等，一旦触发条件满足，即刻启动数据暂存，自动触发为基于电流阈值进行触发数据保存的模式，外部触发模式为基于外部CAN命令触发数据保存的模式
具体的，电流数值暂存触发是指在ECU在运行期间，启动保存电机三相电流的触发事件。具体有两种触发模式，一种是基于电流阈值进行触发数据保存的模式，另一种是基于外部CAN命令触发数据保存的模式。基于电流阈值触发的模式，是通过程序设定电机的三相电流中任意一相电流达到100A，就启动记录每个工作周期的电流采样值；另一种是当ECU的CAN网络接收到外部发来的开始指令0x01时，立即启动电流数据的记录功能。
S2、电流数据暂存：数据暂存触发后，系统将每个控制周期内需要暂存的原始数据以数组形式存入微处理器RAM中，暂存数据长度为人为规定的有限长度，在持续保存时长尚未结束，而存储位置已满时，数据会停止保存。
具体的，电流数据暂存功能是在ECU接收到CAN发送的0x01后，系统将在每个工作周期中读取电机三相电流值，以数组的形式，将其保存在RAM中，直至整个存储空间被写满或者保存时长已达到。
S3、傅里叶变换：系统将暂存在RAM中的原始数据进行傅里叶变换，得到离散的幅值频率相位等重要三维数据，通过对此数据分析，得出影响电机性能的因素，具体的，傅里叶变换是将暂存在RAM中的电流数据，通过傅里叶变换，得到电流数据的幅值频率相位角的三维信息存储在RAM中，并可选择性清除存储在RAM中的原始数据。傅里叶变换后的数据不仅可以直观反应幅频信号，还可以将大量的数据进行压缩，节省RAM空间。
S4、电流数据回读触发：ECU等待接收外部设备发来的启动回读命令的过程，当ECU接收到该命令后，会立即从指定RAM区域内读取信号的幅值频率相位角信息，启动数据发送功能；
S5、电流数据回读：当ECU接收到回读触发指令后，ECU将从RAM中，按时间顺序逐条读取三维数据到待发送区域，通过CAN通信方式，依次将所保存的三维数据发送完毕；
S6、数据导出：外部设备将ECU发送的三维数据导入数据分析工具，电流数据导入是外部设备接收到ECU发送的电流数据后，将这些数据导入到专用的分析工具中（如图2所示），数据导入工具后带有幅频信息的CAN报文。
S7、数据解析：外部设备导入三维数据后，对其进行解析，使其符合分析工具识别的格式，数据解析是指由于导入到专用分析工具的数据，带有CAN报文的固定格式，不具备直接分析的条件。此步骤是将所需要的幅频信号从CAN报文中提取出来，从而得到幅频、相位等有效信息。
通过专用处理工具，进行二次处理的过程，才具有直读和分析的特性。，导入后的数据需要经过数据的解析，将CAN报文原始数据解析为可以直接使用的数据（如图3所示）。
S8、数据分析：通过分析工具对解析后的数据进行分析和解释，还原ECU运行状态，解决工作过程中的问题，数据分析是指将解析处理后的数据，通过直方图展现频率、幅值、相位角等信息。
图4所示为ECU系统测量电机三相电流的幅频信号直方图，通过分析，比较直观的看出电流在测试过程中出现的问题，由于高次谐波的幅值偏高，导致输出电压或电流在接近零点的时候出现畸变，导致助力波动不稳的情况。通过将此数据进行反傅里叶变换，得到原始的电流波形图（如图6所示），可以直观的看出，原本应为正弦波的电流波形已经发生严重畸变，出现了助力的波动。通过本发明的方法，发现测量到的波形畸变比较严重，此类严重畸变的电流波形，严重影响到助力效果，会出现助力不稳现象。
在电机控制电路中，通常采用三个半桥组合的电路驱动三相直流无刷电机。然而基于此硬件电路和驱动原理的固有特性，在MOSFET通断状态切换时，会出现同一桥臂的上下两个MOSFET同时导通的可能，意味着两个MOSFET是直接接在电源正端和电源负端之间，会有烧毁MOSFET的风险。为了避免硬件损坏，软件上会引入死区时间插入的算法，这一举措会带来另一个新的问题，由于死区时间的存在，原本需要的等效电压值，会因为死区时间的存在而降低，导致电压和电流的波形出现畸变，对助力效果产生影响。
此时使用传统的测量方式，很难发现这类问题，比如使用上位机或者示波器测量每一个软件运行周期中，电机三相电流的采样值波形，这种测量方法不仅不易测量，响应速度慢，严重时还可能导致器件损坏的情况。
采用本发明一种EPS系统时域响应现场测试方法，能够轻松捕捉到每一个软件运行周期内的电流数据，通过傅里叶变换，可以直观的看出电流所存在的谐波分量，如图4、图5所示，清晰记录了电流数据的幅频信息,其中横坐标为频率值，纵坐标为幅值。对未加入死区补偿的幅频数据分析可知，基波频率为12.5Hz，占比82.3677%，三次谐波的频率为37.5Hz，占比为0.016278%，五次谐波的频率为62.5Hz，占比为0.0069516%，七次谐波的频率为87.5Hz，占比为0.00064194%，如图8所示。对加入死区补偿的幅频数据分析可知，基波频率为15.625Hz，占比85.5511%，三次谐波的频率为46.875Hz，占比为0.025717%，五次谐波的频率为78.125Hz，占比为0.0054446%，七次谐波的频率为109.375Hz，占比为0.0028497%，如图9所示。
通过反傅里叶变换得到原始电流数据，如图6、图7所示，图中横坐标为时间，纵坐标为电机的三相电流值，图的ia所指曲线为电机A相的电流曲线，ib所指曲线为电机B相的电流曲线，ic所指曲线为电机C相的电流曲线。通过图6观察发现在每个正弦周期中，电机的三相MOSFET状态切换处都存在着电流波形的畸变。这些畸变都是由于软件上插入了死区时间导致。通过添加死区补偿算法，可以使得实际有效电压值与理论有效电压值基本保持一致，从而弥补添加死区后电压有效值的变化。如图7所示，为添加死区补偿后的效果图，整体波形平滑稳定，在助力方面性能明显优于无死区补偿，通过图5的加死区补偿后的幅频直方图可以观察出，原本存在的大量谐波分量，已经非常明显的被优化。采用本发明的方法可以轻松发现并解决由于死区时间插入带来的三相电流畸变的问题。
通过对上述实施过程的分析，充分表明本发明在对完整性、准确性、实时性要求较高的ECU系统中，具有极强的实用性和有效性。
本发明解决了使用上位机调试时，不能完整快速的展示阶跃响应、正余弦响应等对时间响应要求较高的问题；解决了使用RAM存储原始数据时由于数据量大而导致数据存储空间不够用的问题。
本发明解决了需要对波形进行测量但不方便使用示波器的问题，解决了使用示波器测量瞬态信号时，数据难以捕捉的问题；
本发明解决了使用示波器不能测量具有危险性、破坏性信号的问题以及使用示波器测量的数据不易保存的问题。
Claims (4)
1.一种EPS系统时域响应现场测试方法，其特征在于,包括以下步骤：
S1、电流数据暂存触发：根据ECU触发条件分为自动触发和外部触发模式，启动时间因触发模式而异，当设定自动触发模式时，系统一旦检测到满足的触发条件，即刻启动数据暂存功能；当设定为外部触发模式时，通过外部通信发送启动命令或外部中断信号等，一旦触发条件满足，立即启动数据暂存动作；
S2、电流数据暂存：数据暂存触发后，系统将每个控制周期内需要暂存的原始数据以数组形式存入微处理器RAM中；
S3、傅里叶变换：系统将暂存在RAM中的原始数据进行傅里叶变换，得到离散的幅值频率相位等重要三维数据，通过对此数据分析，便可得出影响电机性能的因素；
S4、电流数据回读触发：ECU等待接收外部设备发来的启动回读命令的过程，当ECU接收到该命令后，会立即从指定RAM区域内读取信号的幅值频率相位角信息，启动数据发送功能；
S5、电流数据回读：当ECU接收到回读触发指令后，ECU将从RAM中，按时间顺序逐条读取三维数据到待发送区域，通过CAN通信方式，依次将所保存的三维数据发送完毕；
S6、数据导出：外部设备将ECU发送的三维数据导入数据分析工具；
S7、数据解析：外部设备导入三维数据后，对其进行解析，使其符合分析工具识别的格式；
S8、数据分析：通过分析工具对解析后的数据进行分析和解释，还原ECU运行状态，解决工作过程中的问题。
2.根据权利要求1所述的一种EPS系统时域响应现场测试方法，其特征在于：所述暂存数据长度为人为规定的有限长度，在持续保存时长尚未结束，而存储位置已满时，数据会停止保存。
3.根据权利要求2所述的一种EPS系统时域响应现场测试方法，其特征在于：所述自动触发为基于电流阈值进行触发数据保存的模式，外部触发模式为基于外部CAN命令触发数据保存的模式。
4.根据权利要求3所述的一种EPS系统时域响应现场测试方法，其特征在于：所述数据分析是指将解析处理后的数据，通过直方图的形式展现频率、幅值以及相位角信息。
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