電動轉(zhuǎn)向?qū)χ性囼炁_電控部分的設(shè)計本科畢業(yè)設(shè)計

1、電動轉(zhuǎn)向?qū)χ性囼炁_電控部分的設(shè)計本科畢業(yè)設(shè)計摘 要電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)是一種直接依賴電機(jī)提供輔助扭矩的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它能夠很簡單地實完成不同車速供給不同助力成效的功能，確保汽車在低速行駛的時候輕巧靈便，在高速行駛的時候相對穩(wěn)定，有利于增加汽車的主動安全性，更加有利于環(huán)保，于是具有寬泛的應(yīng)用前景。目前國內(nèi)EPS對中試驗的研究報道較少，而EPS對中試驗是車輛制造中的一個重要環(huán)節(jié)。本文分析了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理，在此基礎(chǔ)上研究了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對中試驗對中方法，用以開發(fā)以計算機(jī)為控制核心的電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對中試驗臺。本文分析了對中試驗，并研究了試驗臺信號采集系統(tǒng)的實現(xiàn)方法；對扭矩傳感器的各種

2、故障類型進(jìn)行了研究，為對中試驗項目提供了檢測判定依據(jù)；在Windows操作系統(tǒng)下基于VC平臺對試驗臺測控軟件進(jìn)行了模塊化的總體設(shè)計，包括硬件初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊、狀態(tài)采集模塊和狀態(tài)輸出模塊。該試驗臺能為后續(xù)實車試驗獲得所需的基本參數(shù)和算法，可降低實車路試試驗的危險性和研究成本，能有效地縮短EPS的開發(fā)周期，提供更加快速和安全的試驗環(huán)境。關(guān)鍵詞：電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS），試驗臺，數(shù)據(jù)采集，扭矩傳感器，對中ABSTRACTThe electric power steering system (EPS) is a power steering system which diect

3、 depends on the motor to provide auxiliary torque.it can easily be achieved booster effect at different speed .So the car is light and flexible at low speeds.The car is stability reliable at high speeds.EPS can improves the vehicles active safety and the environment. Therefore EPS has broad applicat

4、ion prospects. Currently in the country the study reported on the EPS test is fewer，and the middle of EPS test is an important part of vehicle. In this paper, test method for the middle of test bench for electric power steering is researched according to the work principle of electric power steering

5、. This method can be used to develop the middle of test bench for electric power steering, which takes industrial personal computer(IPC) as its control center.the middle of test for electric power steering is analyzed according to “Technical Conditions and Bench Test Method of Electric Power Steerin

6、g Devices”. Torque sensor, angle sensors, data acquisition card and other components are selected, the implementation of signal acquisition system is studied. The study of breakdown types for torque sensor provides the determination method of the middle of test items. Control software of the test be

7、nch is modular overall designed based on the VC platform in the windows operating system，including hardware initialization module, data acquisition module, data output, status acquisition module and the state output module.This test bench can obtain the necessary basic parameters and algorithms of f

8、ollow-up real vehicle testing and reduce the risk of real car road tests and research costs, it also can effectively reduce the development cycle of EPS, providing a more rapid and safe testing environment.Key words：electric power steering(EPS), test bench, data acquisition, Torque sensor, the middl

9、e of目 錄摘 要IABSTRACTII1 緒論11.1電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述11.1.1 電動轉(zhuǎn)向的基本概念11.1.2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成和分類11.1.3電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理31.2 電動轉(zhuǎn)向技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀41.3 課題研究的目的和意義61.4 本文研究的主要內(nèi)容和目標(biāo)62 對中試驗臺的總體設(shè)計82.1 試驗臺整體介紹82.2 對中試驗項目92.3 試驗臺測試項目92.4 測量過程92.4.1 測量的操作過程92.4.2 測量的操作理論103 試驗臺的電控部分113.1試驗臺電控部分總體結(jié)構(gòu)113.2 電控部分相關(guān)的主要部件113.2.1 驅(qū)動加載裝置113.2.2 傳感器11

10、3.2.3 信號與數(shù)據(jù)采集裝置123.2.4 工控機(jī)133.2.5 電子控制單元133.3 傳感器的選擇133.3.1 轉(zhuǎn)矩傳感器133.3.2 角度傳感器143.4 伺服電機(jī)143.4.1 伺服電機(jī)的原則143.4.2 伺服電機(jī)驅(qū)動器154電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力特性曲線174.1 EPS系統(tǒng)的助力特性分析174.1.1遲滯曲線174.1.2 助力狀態(tài)下EPS系統(tǒng)的主要性能184.1.3 助力特性曲線的特征參數(shù)184.2 EPS系統(tǒng)的助力特性性能評價指標(biāo)195 數(shù)據(jù)與信號采集的實現(xiàn)205.1 數(shù)據(jù)與信號采集要求205.2 數(shù)據(jù)與信號采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)205.3 數(shù)據(jù)采集軟件總體設(shè)計215.4系統(tǒng)

11、抗干擾設(shè)計245.4.1干擾源分析245.4.2硬件抗干擾245.5采集數(shù)據(jù)的過濾256 轉(zhuǎn)矩傳感器故障診斷266.1 轉(zhuǎn)矩傳感器常見故障和判別信號265.2 故障顯示電路265.3 安全防范措施277 總結(jié)與展望297.1 總結(jié)297.2 展望29參 考 文 獻(xiàn)311 緒論1.1電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述1.1.1 電動轉(zhuǎn)向的基本概念電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一個純電動動力轉(zhuǎn)向的裝置。電動助力轉(zhuǎn)向裝置包括了動力轉(zhuǎn)向控制器、傳感器、機(jī)械部件和電機(jī)等。一般把電動控制器、傳感器、機(jī)械部件和電機(jī)安裝在一起、控制器是另外的安裝、用電線束把他們和蓄電池（電源）連接在一起的結(jié)構(gòu)稱為電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。也有把控制器和轉(zhuǎn)向器機(jī)械部

12、分安裝在一起的結(jié)構(gòu)。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一種通過電機(jī)為司機(jī)操縱包裝系統(tǒng)提供動力的設(shè)備。控制器（ECU）輸出電流來控制這種動力的大小。通過控制器的控制可為駕駛員在轉(zhuǎn)向過程中提供理想的電流，進(jìn)而使電機(jī)提供最佳的轉(zhuǎn)向助力。扭矩傳感器、速度傳感器和發(fā)動機(jī)的信號通過ECU來采集，再通過計算來得到輸出的電流。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車的轉(zhuǎn)向過程中依據(jù)不同的方向盤的旋轉(zhuǎn)速度、車速，精確的提供了不同的道路條件下的最佳的轉(zhuǎn)向助力活阻尼，這些都是在控制器（ECU）的操作下實現(xiàn)的。電動轉(zhuǎn)向器是在電子控制器作用下完成了控制電機(jī)的電流的變化大小，最后完成了不同的轉(zhuǎn)向動力。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）以蓄電池做為能源，用電機(jī)作為

13、動力元件，刻獨立于發(fā)動機(jī)外工作，且在不轉(zhuǎn)向時不工作，因此無“寄生損失”。由于電動助力轉(zhuǎn)向不需要采用液壓助力，不在采用油介質(zhì)，無液體泄漏損失，減少了油污染的可能，對環(huán)境幾乎沒有污染。1.1.2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成和分類EPS 系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計而成的，主要由車速傳感器、電子控制單元（ECU）、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角傳感器、軸重傳感器、電磁機(jī)、電動機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和電磁離合器等組成。其電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1.1所示。圖1.1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)助力電機(jī)及其動力源的位置，EPS可分為4種類型C-EPS軸助力型、P-EPS小齒輪助力型、R-EPS齒條助力型和X-EP

14、S循環(huán)球型。 C-EPS:它的減速機(jī)構(gòu)連同電機(jī)、傳感器一起安裝在轉(zhuǎn)向傳動管柱中間，下端用傳動軸與機(jī)械轉(zhuǎn)向器相連。 P-EPS:它的減速機(jī)構(gòu)同電機(jī)、傳感器一起安裝在轉(zhuǎn)向器的小齒輪位置，成為一個整體。R-EPS:它的減速機(jī)構(gòu)連同電機(jī)、傳感器一起安裝在轉(zhuǎn)向器的與小齒輪位置相對布置的另一側(cè)，另有一套小齒輪，與之嚙合的同一齒條上夜有齒形，這樣組合成為一個整體。X-EPS:在循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器中，扭距傳感器、直流電機(jī)、減速裝置和循環(huán)求機(jī)械轉(zhuǎn)向器是安裝成一體的。轉(zhuǎn)向傳動軸是獨立的，他與機(jī)械轉(zhuǎn)向器輸入軸機(jī)械相連；二控制器與扭距傳感器、直流電機(jī)是用電線來連接的。幾種類型的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.2示。圖1.2

15、 助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的幾種類型結(jié)構(gòu)1.1.3電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理汽車不轉(zhuǎn)向時，電動機(jī)不工作。當(dāng)駕駛員操縱方向盤轉(zhuǎn)向時，安裝在轉(zhuǎn)向軸上的扭矩和旋轉(zhuǎn)角度傳感器將所檢測到的扭矩和旋轉(zhuǎn)角的方向和大小信號輸入給電子控制器。速度傳感器、軸重傳感器等也將每個檢測到的信號輸入給ECU。電子控制器依據(jù)所得到的信號，并與所測試的助力電機(jī)的電流反饋信號相結(jié)合，進(jìn)行了操作處理，用于肯定電機(jī)的助力電流方向和大小。此電流就是所需要的助力扭矩，由電磁離合器通過減速的機(jī)構(gòu)增加轉(zhuǎn)矩及減速以后，加在轉(zhuǎn)向軸使的得到一個與汽車行駛工作狀況相符合的轉(zhuǎn)向作用力。當(dāng)ECU測試到異常信號的時候，應(yīng)該立即切斷電磁離合器，撤出助力模式，并且打開

16、故障指示燈。其EPS系統(tǒng)控制簡圖如圖1.3所示。圖1.3 EPS系統(tǒng)控制簡圖1.2 電動轉(zhuǎn)向技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀這一模式延用至今主要是因為國內(nèi)在助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研發(fā)上開始的比較晚起點比較低，這個情況下導(dǎo)致了目前國內(nèi)仍未在這一方面取得重大的突破和成就。長期以來，國內(nèi)高檔轎車都是以高昂的價格引進(jìn)國外先進(jìn)的ESP相關(guān)系統(tǒng)，而中低檔的轎車卻沒有能力承受如此昂貴的費用，因為這不僅大大地增加了汽車行業(yè)的生產(chǎn)成本，同時也無形中為消費者增添了負(fù)擔(dān)。國外公司對EPS技術(shù)的研究一直處于領(lǐng)先低位，而對這一技術(shù)的壟斷也是造成國內(nèi)EPS技術(shù)研究遲遲不前的重要因素，因此為了打破這一技術(shù)的局限，順利解決國內(nèi)汽車在助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的

17、落后問題，促進(jìn)企業(yè)和技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，許多汽車廠家開始聯(lián)合科研機(jī)構(gòu)共同開發(fā)EPS產(chǎn)品。 就目前來看，國內(nèi)廠家在研究EPS控制系統(tǒng)上投入了大量的人力、物力；而另一方面，EPS控制系統(tǒng)試驗臺的研究設(shè)計也在有條不紊地進(jìn)行，這將成為EPS控制系統(tǒng)研發(fā)的重要支撐。所以本課題的設(shè)計在提升EPS技術(shù)方面具有重要的意義。 國內(nèi)也有許多大學(xué)在從事汽車EPS試驗臺的研究，比如吉林大學(xué)和北京理工大學(xué)共同開發(fā)的試驗臺產(chǎn)品就有便于使用，相對穩(wěn)定的運行，可靠等特點，所測試結(jié)果的精度以及效率都能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，適用EPS的基本性能的測試和控制系統(tǒng)的開發(fā)。 清華大學(xué)的汽車工程系的老師和教授同時做手對EPS性能試驗臺進(jìn)行設(shè)計研究，并取

18、得了較大的進(jìn)展，而且對從國外進(jìn)口的EPS內(nèi)部所包括的轉(zhuǎn)矩傳感器以及電機(jī)電流傳感器等采取了標(biāo)定，再進(jìn)行了對臺架整體性能的測控和試驗。最后所得到的測試的結(jié)果為以后EPS有關(guān)的傳感器以及控制器元件的選取、探索開發(fā)研究和其控制方式的采取都有很大的參考價值。 江蘇省首屆人才高峰資助的計劃項目之一“轎車的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開發(fā)與研究”是由隸屬于江蘇大學(xué)下的汽車工程的重點實驗室來開展。該課題研究組目前已經(jīng)取得了較大的成果，開發(fā)出了以轉(zhuǎn)向軸作為驅(qū)動形式的EPS性能試驗臺及其樣機(jī)；并為之類汽車的電動助力的轉(zhuǎn)向器樣機(jī)設(shè)計好相應(yīng)的EPS性能試驗以及EPS可靠性試驗，路試了幾百公里并且完成了超過10000公里的可靠性試

19、驗。結(jié)果表明，項目的研究達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，取得了重要成果，該實驗平臺元轉(zhuǎn)穩(wěn)定，性能可靠。也填補了國內(nèi)的空白，使國外公司不在對該技術(shù)壟斷。因此，國內(nèi)研究的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的EPS，提升了國內(nèi)助力轉(zhuǎn)向類汽車產(chǎn)品的科技含量，增強了相應(yīng)國內(nèi)產(chǎn)品的市場競爭力，而且對國內(nèi)汽車類零部件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起著較為深遠(yuǎn)的影響。 自從美國通用汽車公司在1953年首次在其生產(chǎn)的車輛上安裝HPS以來，汽車的超控性能得到顯著提升，人們不再需要大直徑轉(zhuǎn)向盤以提供足夠的轉(zhuǎn)向力。汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是對于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來說是必不可少的，它的存在直接影響了汽車駕駛的穩(wěn)定性、舒適性，使汽車的行駛安全性提高。相對于傳統(tǒng)的機(jī)械式轉(zhuǎn)向，液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

20、擁有諸多優(yōu)點，不過它依然具有的許多缺陷會造成一些不必要的麻煩。伴隨著電子技術(shù)的不斷成長特別是迅速成熟起來的微電子技術(shù)為新型的電子控制式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的產(chǎn)生提供了有利條件。上世紀(jì)80年代，自日本鈴木公司首次開發(fā)出EPS后，日本多家汽車公司相繼開發(fā)出適合各公司車型的EPS。現(xiàn)日本精工已然成為世界最大的EPS生產(chǎn)廠，占全球的30%。1993年本田汽車公司首次將EPS裝備進(jìn)行批量產(chǎn)生；與此同時，一款暢銷歐洲大陸的經(jīng)濟(jì)廉價轎車在裝備德爾菲公司所生產(chǎn)的EPS的條件下取得了明顯的銷售提升成果。 由于完全不需要液壓裝置，用電能取代了液壓能，減少了系統(tǒng)的能耗且環(huán)保，而且具有卓越的性能，EPS技術(shù)很快就使用在國外各

21、大公司的汽車中。EPS系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各公司的中高檔轎車以及中型以上的貨車。盡管EPS這一新興技術(shù)的強大功能得到了大家的認(rèn)同，但由于電子產(chǎn)品在當(dāng)時價格較高，導(dǎo)致EPS成本較高。使其在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用受到了較大的限制。 直到近些年，微電子產(chǎn)品價格大跌，同時EPS通過長時間的發(fā)展，技術(shù)也日趨成熟。與此同時，因為EPS在一些生產(chǎn)公司也投入使用，EPS本身的性能也決定了其強大的吸引力，所以，許多公司及研究所都不斷地加強了在研究轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方面的投入，由此EPS迎來了一輪新的研發(fā)浪潮，整個行業(yè)進(jìn)入了朝氣蓬勃的大好時代。從國內(nèi)外的研究來看,EPS今后的研究主要集中在以下幾方面：(1)系統(tǒng)匹配技術(shù)。助力特

22、性、電機(jī)及其減速機(jī)構(gòu)、傳感器以及其EPS系統(tǒng)與其它子系統(tǒng)進(jìn)行匹配。是使整車性能達(dá)到最優(yōu)的關(guān)鍵。(2) EPS助力控制策略。一種依靠減速機(jī)構(gòu)把助力電機(jī)的輸出的力矩作用到機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上的一種助力控制的基本控制模式，為減輕方向盤的操縱力，助力控制策略的主要方法是依據(jù)助力特性曲線，經(jīng)過計算來確定助力電動機(jī)輸出的助力矩大小，幫助駕駛員便于實現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向控制?？刂撇呗允荅PS系統(tǒng)的重點研究方向。(3) 可靠性。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是駕乘人員的重要工具，必須保證它的可靠性。優(yōu)秀的EPS不僅僅擁有良好的硬件環(huán)境，更需要良好的軟件來滿足應(yīng)用需求。所以EPS的可靠性需要很高的要求。EPS系統(tǒng)的助力形式也由低速、轉(zhuǎn)向柱助力型向全

23、速、齒條助力型發(fā)展。由于技術(shù)、制造和維修成本等多種原因，目前汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍以液壓助力的HPS(包括ECHPS、EHPS)為主。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于成本高以及現(xiàn)有法規(guī)限制等原因,在近期也很難在車輛上進(jìn)行裝配。EPS具有節(jié)能與環(huán)保等諸多優(yōu)點,EPS取代HPS是今后一段時間內(nèi)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的趨勢和研究重點。1.3 課題研究的目的和意義本課題的目的及意義是：目前的對中主要是依靠人工操作，工人勞動強度大，生產(chǎn)效率低，在在更換試驗件過程中，會造成人力、時間上的浪費，而且精度也較難控制。研制開發(fā)自動浸涂機(jī)。研制汽車電動助力轉(zhuǎn)向裝置的對中系統(tǒng)的意義在于改變落后陳舊的生產(chǎn)力，減少人為參與因素的質(zhì)量不穩(wěn)定性、均勻性

24、，提升企業(yè)形象的需要，使生產(chǎn)效率大大提高，產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性也獲得提高。1.4 本文研究的主要內(nèi)容和目標(biāo)在試驗臺中，需要獲取和處理的信號有轉(zhuǎn)向角度信號與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩信號。通過這些信號來調(diào)節(jié)EPS上的扭矩傳感器的位置使的EPS對中。獲取這些信號的方法和調(diào)節(jié)EPS上的扭矩傳感器的位置就是本文研究的主要內(nèi)容。本文研究的主要內(nèi)容為：1 確定電動助力轉(zhuǎn)向?qū)χ性囼炁_的總體結(jié)構(gòu)方案；2 試驗臺轉(zhuǎn)向力加載系統(tǒng)的設(shè)計；3 試驗臺測控系統(tǒng)的分析和設(shè)計，包括轉(zhuǎn)向角度測控裝置、扭矩傳感器的分析等；4 信號和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的設(shè)計；5 試驗臺控制系統(tǒng)軟件總體設(shè)計。2 對中試驗臺的總體設(shè)計2.1 試驗臺整體介紹EPS對中試驗

25、臺工作原理：伺服電機(jī)模擬駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩由電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上的轉(zhuǎn)矩傳感器測量，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角由安裝在轉(zhuǎn)向軸上的光電編碼器測出。在 EPS對中系統(tǒng)的同時，試驗臺的測控系統(tǒng)會測量并記錄各種傳感器的信號，調(diào)整EPS上的扭矩傳感器的位置，使得EPS系統(tǒng)的對中。 電動轉(zhuǎn)向試驗臺的組成： 1 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 2 直流電機(jī)，通過減速機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向柱連接 3 試驗臺，用于固定個部件 4 扭距傳感器 5 車速信號模擬裝置和控制電路板 6 電源 7 數(shù)據(jù)采集卡扭矩信號角度信號信號放大器數(shù)據(jù)采集卡計算機(jī)顯示器數(shù)據(jù)庫EPS上的扭矩傳感器角度傳感器圖2.1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對中試驗臺設(shè)計框圖試驗臺結(jié)構(gòu)總框圖如圖2.1所示

26、，通過傳感器來獲得信息，這些信息為： EPS中轉(zhuǎn)向盤的主扭矩、轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向角度。把這些量通過數(shù)據(jù)采集卡傳送到計算機(jī)上，來分析EPS是否對中，然后然后通過改變EPS裝置上的扭矩傳感器的位置，使EPS達(dá)到對中。2.2 對中試驗項目將被試裝置安裝于實驗臺上，裝置的安裝角度應(yīng)與整車安裝角度一致，使系統(tǒng)能正常工作。電動機(jī)先以20km/h轉(zhuǎn)速正向轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)動穩(wěn)定時，通過計算機(jī)分三次間斷記錄下三圈完整的扭矩信號，然后電動機(jī)反向轉(zhuǎn)動，同理記錄下相應(yīng)的扭矩信號。測算正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的最大扭矩信號的中間值是否位于橫軸5%的區(qū)間范圍內(nèi)，若在，則被測試裝置合格；若不在，調(diào)整扭矩傳感器的位置，重復(fù)上述操作，直至被測裝置符合標(biāo)

27、準(zhǔn)為止。2.3 試驗臺測試項目根據(jù)以上可靠性試驗項目的內(nèi)容和要求，需要測試的數(shù)據(jù)項目有：轉(zhuǎn)向盤角度和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩。根據(jù)對中試驗的內(nèi)容和要求，需對轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)矩和角度進(jìn)行檢測。轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)矩由傳感器采集轉(zhuǎn)換后，經(jīng)信號放大器處理后傳送至數(shù)據(jù)采集卡，再經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換處理后輸入計算機(jī)，集成試驗臺控制系統(tǒng)的計算機(jī)顯示數(shù)據(jù)，根據(jù)這些信號來調(diào)整扭矩傳感器的位置，使得電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對中。安裝在方向盤上的光電編碼器將脈沖信號通過光電編碼器數(shù)據(jù)處理卡輸入到計算機(jī)中，由采集軟件通過計算脈沖數(shù)的大小來得到方向盤的轉(zhuǎn)角。2.4 測量過程2.4.1 測量的操作過程對中就是使得傳感器處于某個位置（即對中位置），電動

28、機(jī)先以20km/h帶動輸入軸，當(dāng)轉(zhuǎn)動穩(wěn)定是，通過計算機(jī)分三次間斷幾路下1.5圈的完整的扭矩信號，然后電動機(jī)反向轉(zhuǎn)動，通例記錄下相應(yīng)的扭矩信號，在這1.5圈的數(shù)據(jù)中測算正傳和反轉(zhuǎn)的最大扭矩信號的中間值是否位于最大扭矩信號的5%的區(qū)間范圍內(nèi)如果在，表示被測試的裝置合格即EPS對中完成，如果不在的話，調(diào)整扭矩傳感器的位置，重復(fù)上述的操作，直至被測裝置符合標(biāo)準(zhǔn)。例如：在左轉(zhuǎn)1.5圈中，測的最大扭矩值為-0.6mv，右轉(zhuǎn)為+1.8mv，中間值為1.2，相差50%，表示該被測試的裝置不合格（即未完成對中），這就需要改變扭矩傳感器的位置，直至找到對中位置為止（被測裝置已經(jīng)對中）。操作的電路原理圖如圖2.2所

29、示.圖2.2操作的電路原理圖2.4.2 測量的操作理論從扭矩傳感器的工作原理圖可以看出，當(dāng)傳感器處于中間位置時，右轉(zhuǎn)和左轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭矩是一樣的時候。即傳感器表示為主扭矩的電壓值與副扭矩的電壓值之差的絕對值是一樣的。例如當(dāng)扭矩傳感器處于對中位置時，右轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大時，主扭矩IN+為5v,副扭矩為0v，電壓差為5v；左轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩達(dá)到大時，主扭矩IN+為0v,副扭矩為-5v，電壓差為-5v。當(dāng)傳感器的位置處于對中位置時，汽車方向盤沒有受左右力，主扭矩和副扭矩的輸出電壓為2.5v，電壓差為0v，扭矩傳感器將信號傳給助力系統(tǒng)，不需要提供助力。當(dāng)傳感器的位置不對中位置時，傳感器傳出的扭矩信號不是0，助力系統(tǒng)

30、將會多給或者少給助力。因此我們可以通過這個理論來對中。3 試驗臺的電控部分3.1試驗臺電控部分總體結(jié)構(gòu)圖3.1 試驗臺電控部分結(jié)構(gòu)圖試驗臺電控部分結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示，其中：1-轉(zhuǎn)角信號；2-扭矩信號；3-報警燈控制；4-蓄電池電源控制；5-伺服電機(jī)電源控制；6-伺服電機(jī)控制信號3.2 電控部分相關(guān)的主要部件3.2.1 驅(qū)動加載裝置為實現(xiàn)對EPS的可控加載，采用伺服電機(jī)（松下MSMA系列）驅(qū)動加載機(jī)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)向力的輸入。輸入電機(jī)由工控機(jī)通過伺服電機(jī)驅(qū)動器進(jìn)行控制。由于本試驗的主要功能是檢測EPS的對中狀況，而對EPS的性能，可靠性等數(shù)據(jù)關(guān)注不高，所以不需要對輸出軸加載負(fù)載。3.2.2 傳感器試驗

31、臺信號列表表3.1序號信號信號源類型占用通道信號標(biāo)準(zhǔn)1角度信號角度傳感器模擬量1PWM方波2轉(zhuǎn)矩信號轉(zhuǎn)矩傳感器模擬量2PWM方波傳感器是可以理解被測的量的消息，并可以將這些消息遵照一定的規(guī)則更迭為能夠用輸出的信息的器材。在現(xiàn)實的測量中，隨時間變化的動態(tài)信號是其中大部分被測量，精確反映被測量的大小這就成為傳感器最主要的輸出功能，重現(xiàn)隨時間變化的被測量的規(guī)律也必須正確，即需要動態(tài)特性要好的傳感器。在本系統(tǒng)中待檢測信號是轉(zhuǎn)矩信號和角度信號。試驗臺信號如表3.1所示。二種傳感器的選型將在3.3節(jié)中詳細(xì)介紹。3.2.3 信號與數(shù)據(jù)采集裝置數(shù)據(jù)采集(DAQ)，是指從傳感器和其它待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元

32、中自動采集非電量或者電量信號,送到上位機(jī)中進(jìn)行分析,處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計算機(jī)或者其他專用測試平臺的測量軟硬件產(chǎn)品來實現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。本次設(shè)計采用的是PCL-818HD型號的數(shù)據(jù)采集卡，該型號的采集卡有四個通道，每通道的最高采樣速率51.2Ks/s,輸入電壓范圍5v，采樣分辨率為24位， 該采集卡需要USB總線供電并且能夠高速USB數(shù)據(jù)傳輸。PCL-818HD采集卡的線性相位特性比同類數(shù)據(jù)采集卡更好些，如果采集卡的相位特性是非線性的，會使得信號的不同頻率成分之間存在大概幾度的相對相位差。這種現(xiàn)象對于大多數(shù)機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測方面的應(yīng)用來說可能并不明顯，但是對于專業(yè)的音頻測試設(shè)備

33、來說，可能會造成麻煩，所以要選擇線性相位特性好點的。其次，本次設(shè)計給數(shù)據(jù)采集卡提供電源的是24v的直流電源，但PCL-818HD的數(shù)據(jù)采集卡耦合方式為交流耦合。PCL-818HD數(shù)據(jù)采集卡是可以通過編程來確定耦合方式直流還是交流，所選擇該數(shù)據(jù)采集卡很好的選項。另外該型號的數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)置信號調(diào)理器，適用多種傳感器，多種端子可選，適用不同環(huán)境和不同傳感器；采樣速率快，每通道的最大采樣速率51.2Ks/s，比同類采集卡的采樣速率的高一點。PCL-818HD動態(tài)信號采集模塊是振動及聲學(xué)數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用中的理想選擇，因為工程師能夠自由開關(guān)IEPE調(diào)理及選擇AC或DC耦合。模塊提供了24位分辨率，102 dB

34、的動態(tài)范圍及抗混疊濾波器。PCL-818HD模塊能與PCL的聲音及振動測量套件配合使用，套件包括聲音及振動助手，通過提供獨立、交互式的分析采集環(huán)境來簡化噪聲及振動信號的采集和分析。獨立軟件支持在磁盤記錄數(shù)據(jù)同時，實時修改數(shù)據(jù)分析設(shè)置。信號與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件如圖3.2所示。數(shù)據(jù)采集卡信號放大器計算機(jī)EPS上的扭矩傳感器方向盤扭矩信號方向盤轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)向盤扭矩傳感器光電編碼器數(shù)據(jù)處理卡方向盤圖3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件框圖3.2.4 工控機(jī)整個測控系統(tǒng)由工業(yè)控制計算機(jī)來控制。工控機(jī)具有以下優(yōu)點：1、開發(fā)工具齊全；2、計算速度快；3、應(yīng)用程序接口和圖形界面友好。3、工控機(jī)可以存儲很多數(shù)據(jù)用于分析，即存儲容量

35、大。另外，工控機(jī)可以適用于多數(shù)編程語言以及DOS、UNIX、NT/2000等操作系統(tǒng)，這位軟件和硬件的開發(fā)提供了很大的便利?，F(xiàn)在的工業(yè)設(shè)計計算機(jī)技術(shù)已經(jīng)能夠完全達(dá)到要求。3.2.5 電子控制單元EPS的電子控制單元（ECU）處理芯片通常有兩種方式，第一種是采用一個8位單片機(jī)系統(tǒng)或者一個16位電機(jī)。另一種采用數(shù)字信號也可以達(dá)到要求。ECU由數(shù)字信號處理器（或單片機(jī)）、雙橋臂脈寬調(diào)制信號輸出MOSFET、功率開關(guān)驅(qū)動器等組成。根據(jù)車速、轉(zhuǎn)向盤扭矩等信號，以及進(jìn)行分析后發(fā)出的指令，控制離合器與電機(jī)的動作組成了ECU的功能特點。另外，ECU也具有自我診斷以及安全保護(hù)的功能，其工作狀態(tài)時通過采集電動機(jī)的

36、電壓、電流、發(fā)動機(jī)工作狀況等信號，如果工作狀態(tài)異常，則助力會自動取消，系統(tǒng)狀態(tài)會自動轉(zhuǎn)換成手動。這時ECU會進(jìn)行故障分析診斷。3.3 傳感器的選擇3.3.1 轉(zhuǎn)矩傳感器轉(zhuǎn)矩傳感器是為了測定方向盤與轉(zhuǎn)向器輸出軸之間傳遞的轉(zhuǎn)矩，并將其轉(zhuǎn)矩的大小轉(zhuǎn)化為電壓值信號，送給ECU，是控制轉(zhuǎn)向助力大小的一個重要決定因素。扭矩傳感器主要測量轉(zhuǎn)向盤輸出扭矩的大小和方向，然后將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓值傳送給控制器的ECU。目前EPS使用的轉(zhuǎn)矩傳感器分為接觸式和非接觸式兩種，前者有擺臂式和滑線式，后者有光電式和電感式。由于國內(nèi)非接觸式傳感器的價格比較高，因此我們開發(fā)的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用擺臂式轉(zhuǎn)矩傳感器。轉(zhuǎn)矩傳感器的工

37、作原理可以看成為一個電位計（如圖3.2所示），它擁有雙回路的輸出，即是副扭矩的輸出和主扭矩的輸出。副扭矩的輸出是為了診斷傳感器的故障。主、副扭矩輸出的特性如圖3.3所示。當(dāng)轉(zhuǎn)矩傳感器平常工作的時候，主扭矩和副扭矩的信號的平常范圍都在1-4V。當(dāng)方向盤位于中間位置時，扭矩傳感器的主扭矩和副扭矩的輸出電壓都為2.5V；當(dāng)方向盤向右旋轉(zhuǎn)時，主扭矩的輸出電壓至少2.5V,副轉(zhuǎn)矩的輸出電壓至多2.5V；當(dāng)方向盤向左旋轉(zhuǎn)時的情況正好相反。 3.3 電位計原理圖 3.4 轉(zhuǎn)矩傳感器輸出特性3.3.2 角度傳感器試驗中需要測量方和記錄向盤的轉(zhuǎn)向角度，這就需要用到角度傳感器，即旋轉(zhuǎn)編碼器。編碼器的工作原理是：塔

38、采納了光柵經(jīng)光電變換，再將軸的角度的位移轉(zhuǎn)變成電脈沖的信號。編碼器通常安裝在軸和軸直接測量的角落的一端，但在某些情況下，在相應(yīng)的設(shè)備兩端的軸外部的，那么你只能使用空集編碼，測試臺中轉(zhuǎn)向齒輪輸入軸端的是這種情況。編碼器輸出信號通常是在電脈沖的形式，采用光電編碼器數(shù)據(jù)處理卡，就能測出對應(yīng)的轉(zhuǎn)角值，再傳送至計算機(jī)作為對其他設(shè)備進(jìn)行控制的依據(jù)。3.4 伺服電機(jī)3.4.1 伺服電機(jī)的原則伺服電機(jī)是通過控制脈沖數(shù)量與頻率實現(xiàn)調(diào)速功能的，伺服驅(qū)動器就是來控制脈沖數(shù)量與頻率。根據(jù)選用電機(jī)的一般原則：基本條件：電機(jī)的機(jī)械特性、啟動、制動、調(diào)速及其它控制性能應(yīng)滿足機(jī)械特性和生產(chǎn)工藝過程的要求，電機(jī)工作過程中對電源

39、供電質(zhì)量的影響，應(yīng)在容許的范圍內(nèi)；按預(yù)定的工作制、冷卻方法基輔在情況所確定的電動機(jī)功率，電機(jī)的溫升應(yīng)在限定的范圍內(nèi)；根據(jù)環(huán)境條件、運行條件、安裝方式、傳動方式，選定電機(jī)的結(jié)構(gòu)、安裝、防護(hù)形式，保證電機(jī)可靠工作。合理選擇電動機(jī)的功率：電動機(jī)輸出的最大功率是有限度的，如果電動機(jī)的功率選擇過小，負(fù)載超過了電動機(jī)的額定輸出功率就會發(fā)生電動機(jī)過載，過載時會出現(xiàn)電動機(jī)發(fā)熱、振動、轉(zhuǎn)速下降、聲音異常等現(xiàn)象，嚴(yán)重過載時，將會燒毀電動機(jī)。而功率過大，則會造成經(jīng)濟(jì)浪費。規(guī)格選擇：在選擇產(chǎn)品規(guī)格時可考慮：在電源電壓可調(diào)的場合，可按實際需要選擇轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速與產(chǎn)品相應(yīng)的額定值接近的規(guī)格，通過改變電壓得到所需轉(zhuǎn)速；在電源電

40、壓固定的場合，如果沒有適當(dāng)規(guī)格的產(chǎn)品可供選用時，可先按轉(zhuǎn)矩選擇適當(dāng)規(guī)格，而產(chǎn)品的電壓與轉(zhuǎn)速之間可作適當(dāng)調(diào)整。 綜合考慮一次投資幾運行費用，整個驅(qū)動系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、合理、可靠和安全。伺服電機(jī)的位置環(huán)控制是通過脈沖來實現(xiàn)定位的，就是上機(jī)位給多少個脈沖伺服電機(jī)，伺服就走多少角度，但在電機(jī)變速時仍然可能出現(xiàn)滑動，即是工件在絲桿上行走或者升降的位移并不是伺服電機(jī)理論上的角度，需要通過傳感器測量工件的位置提供反饋參數(shù)對伺服脈沖進(jìn)行控制，實現(xiàn)閉環(huán)控制，在傳感器的選擇上，結(jié)合浸涂機(jī)的動作流程，所用傳感器不需要接觸到工件，當(dāng)工件當(dāng)工件靠近我們需要定位的位置時，傳感器就產(chǎn)生感知報告給控制系統(tǒng)所以我們選用接近開關(guān)來

41、檢測。3.4.2 伺服電機(jī)驅(qū)動器伺服驅(qū)動器是用來控制伺服電機(jī)的一種控制器，設(shè)計選用的伺服驅(qū)動器需與所選伺服電機(jī)匹配，根據(jù)松下伺服發(fā)布資料：400W（小慣量）通用型MSMD042G1U +MADHT2510脈沖型MSMD042G1U+MADHT2510E，根據(jù)松下伺服電機(jī)驅(qū)動器說明書14，位置控制專用型的注明，所以伺服驅(qū)動器選用MADHT2510E型號，電源電壓3相200V,電源設(shè)備容量0.9KVA，規(guī)格為50，50W。松下A系列伺服驅(qū)動器具有如下特點14：采用松下公司獨特算法，使速度頻率響應(yīng)提高2倍，達(dá)到500HZ；定位超調(diào)整定時間縮短為以往產(chǎn)品的1/4。具有共振抑制和控制功能：可函蓋機(jī)械的剛

42、性不足，從而實現(xiàn)高速定位。具有全閉環(huán)控制功能：通過外接高精度的光柵尺，構(gòu)成全閉環(huán)控制，進(jìn)一步提高系統(tǒng)精度。具有一系列方便使用的功能：內(nèi)藏頻率解析功能（FFT）,從而可檢測出機(jī)械的共振點，便于系統(tǒng) 調(diào)整。有兩種自動增益調(diào)整方式：常規(guī)自動增益調(diào)整和實時自動增益調(diào)整。配備有RS485,RS232通信口，上位控制器可同時控制多達(dá)16個軸。4電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力特性曲線4.1 EPS系統(tǒng)的助力特性分析對于輕便性的操縱穩(wěn)定性實驗，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定: 使汽車以10 20km /h的車速沿雙扭線路徑行駛,待車速穩(wěn)定后, 開始記錄轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和作用力矩,并記錄行駛車速作為監(jiān)督參數(shù)。汽車沿雙扭線繞行一周至記錄起始位置

43、, 即完成一次試驗。4.1.1遲滯曲線圖4.1是車速為20 km/ h,方向盤輸入2Hz的正弦信號時輸入扭矩-輸出電流變化曲線。因助力電機(jī)電感參數(shù)的影響, 曲線出現(xiàn)一定的遲滯性。曲線遲滯的量化值可以作為考察控制器動態(tài)響應(yīng)的衡量標(biāo)準(zhǔn), 并可以借此選配合適的電機(jī)。圖4.1 f = 2 Hz 時扭矩-電流遲滯曲線 在曲線上取點A L 1- n 以及對應(yīng)的B L 1-n ,AL i 和B L i 的間隔為TL i , 電流飽和時的扭矩值為Nf , 定義量化電流遲滯特性的函數(shù)L% , 記作:L%=1nNfi=1nTLi100%頻率/HZ車速（km/ h）20406080100001.510.12.80.

44、330222.56.23.31.052.571.870.369.567.9不同頻率、不同車速下遲滯量當(dāng)f變化時,即輸入傳感器信號變化越快,遲滯L%越大;f增大到一定值時,遲滯L%隨車速V的變化較小。L%的大小可表示出不同EPS控制器對電流的控制快慢, 即L越大遲滯越大。但L%的閾值還需要大量臺架試驗后確定。4.1.2 助力狀態(tài)下EPS系統(tǒng)的主要性能EPS系統(tǒng)在助力狀態(tài)下的主要性能，可用電機(jī)轉(zhuǎn)矩Tm(或電流I)在某一負(fù)載下隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩Ts變化的曲線簇(助力特性曲線)在試驗臺上表示，為了方便對性能的比較，1000N為試驗常取的負(fù)載，實驗條件取車速為080 km/ h。由EPS助力特性曲線(見圖4.

45、2)可知：(1)所有的助力曲線基本上均從死區(qū)端點以線性形式，隨著轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩增加，直至達(dá)到最大的試驗載荷。該系統(tǒng)死區(qū)范圍在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩上為1Nm,電機(jī)的助力在死區(qū)內(nèi)的電流為0;( 2)該系統(tǒng)各特性曲線助力電流的最大值隨車速的增大而減小:當(dāng)車速Va= 0 km/ h時，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩最小，電機(jī)電流最大，故有良好的輕便性；當(dāng)車速Va80 km/ h時,為增大轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的手感，所以電機(jī)幾乎不產(chǎn)生助力，助力電流很小。4.1.3 助力特性曲線的特征參數(shù)助力特性曲線有四個基本的特征參數(shù),分別為:(1) 開始提供助力時的轉(zhuǎn)向盤輸入力矩Td0。根據(jù)人的感覺來感受靈敏度，EPS系統(tǒng)不起作用時，轉(zhuǎn)向盤輸入力矩屬于0，Td

46、0區(qū)間內(nèi)，此時助力為0。本課題參考相關(guān)資料，初步取Td0=1.0 Nm。(2) 轉(zhuǎn)向盤提供的最大助力輸入轉(zhuǎn)矩Tdmax。駕駛員的輸入轉(zhuǎn)矩極限應(yīng)該超過Tdmax，并且能合理匹配整車及EPS系統(tǒng)，根據(jù)人的操縱手感，取Tdmax=6.0Nm。(3) 助力特性曲線的梯度K。梯度為K的常數(shù)曲線是直線型助力特性曲線；有兩個不同梯度的特性曲線是折線型助力的特性，分別為K1、K2，并且K1K2；而轉(zhuǎn)向盤力矩的遞增函數(shù)就是曲線型助力特性的梯度，要根據(jù)轉(zhuǎn)向與路感和實際的調(diào)試與助力特性曲線梯度來確定。(4) 車速感應(yīng)系數(shù)Kv。助力特性與車速的關(guān)系還沒有確定的研究結(jié)果，只能確定隨著車速的增加，助力的會變小。要根據(jù)Kv

47、對轉(zhuǎn)向輕便性與路感的影響和實際調(diào)試來確定。4.2 EPS系統(tǒng)的助力特性性能評價指標(biāo)汽車轉(zhuǎn)向操縱性能的評價指標(biāo)有很多，如轉(zhuǎn)向路感，轉(zhuǎn)向靈敏度，操縱穩(wěn)定性等等。為了分析轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能，需要定義這些指標(biāo)。其中的主要指標(biāo)就是轉(zhuǎn)向靈敏度，它能衡量汽車操縱性能，反應(yīng)了轉(zhuǎn)向動作對汽車的響應(yīng)快慢，對汽車的操縱非常重要。圖4.2 EPS系統(tǒng)動力學(xué)示意圖轉(zhuǎn)向路感是衡量轉(zhuǎn)向性能的另一個重要指標(biāo)。最大可能的轉(zhuǎn)向路感的舒適度應(yīng)該是一個完美的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠為駕駛員提供的最好幫助。所以路感的定義為：從輸入阻力力矩到對于轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角始終不變情況下，一個關(guān)于轉(zhuǎn)向盤把所需要握力矩的傳遞函數(shù)。目前還處于探索和完善對汽車操控性的階段，還沒

48、有較好的評價標(biāo)準(zhǔn)。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和汽車橫向動力學(xué)系統(tǒng)的綜合穩(wěn)定性就是穩(wěn)定性，在以上定義的轉(zhuǎn)向靈敏度函數(shù)中，這種穩(wěn)定性得到了充分的體現(xiàn)，因此系統(tǒng)的穩(wěn)定性應(yīng)選擇靈敏度函數(shù)的特征方程式來分析。5 數(shù)據(jù)與信號采集的實現(xiàn)5.1 數(shù)據(jù)與信號采集要求電動助力轉(zhuǎn)向?qū)χ性囼炁_的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有角度、轉(zhuǎn)矩2種信號，數(shù)據(jù)和信號的采集要求有4點:1.較強的實時性能。按順序?qū)Χ鄠€輸入通道提供的信息能夠進(jìn)行逐個檢測，即巡回檢測，或定向性檢測某一個通道，即選擇檢測。2.對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的正常工作不造成影響。3. 保證采樣的精度和頻率與EPS所使用的數(shù)據(jù)相同。數(shù)據(jù)的采集的最后目的是檢驗EPS的工況，而且數(shù)據(jù)保持相同對EPS工況的分

49、析有好處。4.運用簡便?？梢圆蓸舆M(jìn)行檢閱和辦理;當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)超出上下限值時，系統(tǒng)即判定電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)或試驗臺系統(tǒng)發(fā)生故障，發(fā)出報警信號，提示操作人員處理；采樣得到的數(shù)據(jù)保存在系統(tǒng)內(nèi);包含有實時時鐘，這個時鐘可以保證系統(tǒng)可以定時中斷采集過程，還可以表明采集數(shù)據(jù)的周期，給采樣過程顯示提供目前的時刻，操作人員能夠根據(jù)它提供的信息針對性的分析采集結(jié)果。5.2 數(shù)據(jù)與信號采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)主要由計算機(jī)，信號處理裝置，傳感器，數(shù)字量信號輸入/輸出板以及A/D 轉(zhuǎn)換板等組成，其中的基本的結(jié)構(gòu)如圖5.1所示。在3.2節(jié)中已經(jīng)對數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)做了初步的介紹。試驗臺傳感器輸出兩種型信號，一種是

50、數(shù)字信號，還有一種是模擬信號。而計算機(jī)僅能對數(shù)字信號進(jìn)行處理，為了使計算機(jī)能夠?qū)δM信號處理或存儲，就必須將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，主要通過數(shù)據(jù)采集卡對模擬信號進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換，然后輸入計算機(jī)，通過計算機(jī)進(jìn)行處理；由數(shù)字信號（光電編碼器輸出的脈沖信號）輸入輸出處理板來完成對數(shù)字信號的采集。本實驗臺中轉(zhuǎn)矩信號經(jīng)傳感器和變送器采集和處理后得到的信號屬于模擬信號；經(jīng)光電編碼器處理對方向盤角度信號處理輸出后得到的信號是脈沖信號，屬于數(shù)字信號。計算機(jī)A/D板信號處理扭矩傳感器方向盤轉(zhuǎn)矩計數(shù)器光電編碼器方向盤轉(zhuǎn)角圖5.1 數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)本實驗臺中所采用的數(shù)據(jù)采集卡是研華公司PCL-818HD多功能數(shù)據(jù)采集

51、卡，支持不同種類的數(shù)據(jù)采集方式，包括軟件觸發(fā)采集方式、中斷觸發(fā)采集方式和DMA(Direct Memory Access)采集方式。軟件觸發(fā)編程數(shù)據(jù)采集編程雖然實現(xiàn)很容易，但是采集數(shù)據(jù)的速度很慢。DMA方式在數(shù)據(jù)采集過程不需要經(jīng)過CPU影響，在外部設(shè)備與內(nèi)存之間可以直接傳遞數(shù)據(jù)，DMA方式的采集速率基本和采集卡的最高采集速率對等。PCL-818數(shù)據(jù)采集卡包含有16路單端或8路差分模擬量輸入通道；40 kHz12位A/D轉(zhuǎn)換器，100KHz數(shù)據(jù)采集速率，帶有DMA的自動通道/增益掃描；每個輸入通道（最多 8）的增益可進(jìn)行編程；板上還有一個1K采樣FIFO緩沖器和可編程中斷；其中，軟件可以被DMA

52、自動通道/增益掃描電路代替，在采樣期間由它來控制多路開關(guān)的切換。不同通道的增益值都存儲在卡上的SRAM，而且SRAM能夠?qū)Σ煌耐ǖ朗褂脤?yīng)的增益，對于多通道的高速采樣，使用DMA數(shù)據(jù)傳輸功能來完成。5.3 數(shù)據(jù)采集軟件總體設(shè)計本次試驗臺應(yīng)該的采用軟件是VC的編程語言，運用了模塊化構(gòu)造。軟件主要的作用是實時曲線顯示，位置的設(shè)定，收集，數(shù)據(jù)時間顯示，數(shù)據(jù)處理與保持等。方向盤通過試驗臺上面的輸入電動機(jī)提供的扭矩信息經(jīng)過扭矩傳感器傳輸給PCL-818的數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡將此模擬信號再轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過采集軟件進(jìn)行存儲等操作；安裝在方向盤上的光電編碼器將脈沖信號通過光電編碼器數(shù)據(jù)處理卡輸入到計算

53、機(jī)中，然后運用采集軟件，利用計算脈沖數(shù)量來判定方向盤的轉(zhuǎn)角。該軟件自帶基本的數(shù)據(jù)存儲等作用，還包括了實時數(shù)據(jù)以及曲線的顯示，軟件能夠直接顯示出系統(tǒng)工作時候的扭矩大小以及方向盤的轉(zhuǎn)角，還可以通過軟件察看它們之間的關(guān)聯(lián)。軟件的構(gòu)造圖如下所示（圖5.2）。圖5.2數(shù)據(jù)采集軟件結(jié)構(gòu)框圖采用可視化WINDOWS編程技術(shù)可以獲得良好的用戶界面，VISUALC+6.0能夠運用到環(huán)境開發(fā)中去。WINDOWS是可以多個任務(wù)同時進(jìn)行操作的系統(tǒng)，幾個程序能夠同時運行，幾個任務(wù)以及多個任務(wù)之間的轉(zhuǎn)換同時進(jìn)行。相對PCL-818HD的采樣卡,其接口必須用特定的驅(qū)動程序來完成,它可以用來連接底層硬件和VC的開發(fā)程序。它的

54、作用是將那些與硬件相關(guān)的復(fù)雜程序保存在一起,如果操作者需要對板卡進(jìn)行各種操作，只需要通過調(diào)用程序來完成即可。這樣就不需要編程人員完全了解板卡的物理結(jié)構(gòu),就可以在程序本身的開發(fā)上花跟多的精力,從而提高了效率。其基本操作流程如圖5.3所示。例如在編寫扭矩傳感器的扭矩信號采集的軟件過程中, 可通過調(diào)用驅(qū)動函數(shù)來實現(xiàn)大部分程序的相關(guān)操作，即用軟件觸發(fā)編程來實現(xiàn)對扭矩傳感器的扭矩信號采樣，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并。圖5.3 數(shù)據(jù)采集卡操作基本流程5.4系統(tǒng)抗干擾設(shè)計5.4.1干擾源分析由于實驗環(huán)境相對復(fù)雜，故大概存在空間無線電波、交流接地系統(tǒng)、大功率電器設(shè)備、大電流的電力電線、高電壓等對實驗的干擾。它們產(chǎn)生的

55、地電流、交變磁場和高壓電場等很簡單地影響工業(yè)控制的計算機(jī)過程通道的傳播過程，擾亂在過程通道中的存在形成主要表現(xiàn)是共阻抗藕合、磁場輻合、靜電輻合等方式。在高壓電場的前提下，如果信號通道離高壓回路和裝置比較近，則會有電流通過電容，這電容是通過高壓電線和信號線而形成的，再經(jīng)接地電容接地，則電流會產(chǎn)生附加的干擾電壓。這一過程稱為靜電輻射方式。產(chǎn)生變化的磁場是因為大電流是不可能恒定的，這個磁場會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，是疊加于信號電壓上的過程稱為磁場輻合方式。當(dāng)同一阻抗有兩個電路的電流通過時，將會產(chǎn)生阻抗耦合。一個電路會受到另一個電路的影響，這個影響產(chǎn)生在這個阻抗的電壓，從而干擾電壓信號在這個電路上形成。形成之

56、后，輸送到計算機(jī)系統(tǒng)中是通過信號線傳遞的。所以預(yù)防干擾的耦合、傳導(dǎo)和形成是抗干擾的重點。這種方式是共阻抗藕方式。5.4.2硬件抗干擾1.信息線的抉擇考慮到受干擾的因素，以下幾個要素是信號線選擇所主要考慮的：首先是信號受到干擾源的影響而使得干擾變大、信號的類別以及干擾的原因等。用來降低干擾的方法是，選擇金屬屏蔽電纜，或者分開電力線和雙絞線信號線，另外將電纜盡量放在離干擾源遠(yuǎn)的地方。2.屏障與接地辦法電場的屏蔽、磁場的屏蔽以及電磁場的屏蔽是屏蔽的主要組成部分。必須接地的是電場屏蔽；而且其必須盡量減少靜電場與信號線的電容，通過電磁鎖產(chǎn)生的電壓要少，且電力線中電場的傳播應(yīng)該盡量杜絕；減少干擾源與信號線的互感系數(shù)，削弱磁力線的傳播。務(wù)必通過抉擇符合的金屬材料才能完成磁場的屏蔽。電磁場的屏蔽，一般所說的屏蔽多指電磁屏蔽，它