电动转向对中试验台电控部分的设计本科毕业设计.docx
《电动转向对中试验台电控部分的设计本科毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电动转向对中试验台电控部分的设计本科毕业设计.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
电动转向对中试验台电控部分的设计本科毕业设计
电动转向对中试验台电控部分的设计
本科毕业设计
摘要
电动助力转向系统（EPS）是一种直接依赖电机提供辅助扭矩的动力转向系统，它能够很简单地实完成不同车速供给不同助力成效的功能，确保汽车在低速行驶的时候轻巧灵便，在高速行驶的时候相对稳定，有利于增加汽车的主动安全性，更加有利于环保，于是具有宽泛的应用前景。
目前国内EPS对中试验的研究报道较少，而EPS对中试验是车辆制造中的一个重要环节。
本文分析了电动助力转向系统的工作原理，在此基础上研究了电动助力转向系统对中试验对中方法，用以开发以计算机为控制核心的电动转向系统对中试验台。
本文分析了对中试验，并研究了试验台信号采集系统的实现方法；对扭矩传感器的各种故障类型进行了研究，为对中试验项目提供了检测判定依据；在Windows操作系统下基于VC平台对试验台测控软件进行了模块化的总体设计，包括硬件初始化模块、数据采集模块、数据输出模块、状态采集模块和状态输出模块。
该试验台能为后续实车试验获得所需的基本参数和算法，可降低实车路试试验的危险性和研究成本，能有效地缩短EPS的开发周期，提供更加快速和安全的试验环境。
关键词：
电动助力转向系统（EPS），试验台，数据采集，扭矩传感器，对中
ABSTRACT
Theelectricpowersteeringsystem（EPS）isapowersteeringsystemwhichdiectdependsonthemotortoprovideauxiliarytorque.itcaneasilybeachievedboostereffectatdifferentspeed.Sothecarislightandflexibleatlowspeeds.Thecarisstabilityreliableathighspeeds.EPScanimprovesthevehicle'sactivesafetyandtheenvironment.ThereforeEPShasbroadapplicationprospects.CurrentlyinthecountrythestudyreportedontheEPStestisfewer，andthemiddleofEPStestisanimportantpartofvehicle.
Inthispaper,testmethodforthemiddleoftestbenchforelectricpowersteeringisresearchedaccordingtotheworkprincipleofelectricpowersteering.Thismethodcanbeusedtodevelopthemiddleoftestbenchforelectricpowersteering,whichtakesindustrialpersonalcomputer（IPC）asitscontrolcenter.
themiddleoftestforelectricpowersteeringisanalyzedaccordingto“TechnicalConditionsandBenchTestMethodofElectricPowerSteeringDevices”.Torquesensor,anglesensors,dataacquisitioncardandothercomponentsareselected,theimplementationofsignalacquisitionsystemisstudied.Thestudyofbreakdowntypesfortorquesensorprovidesthedeterminationmethodofthemiddleoftestitems.ControlsoftwareofthetestbenchismodularoveralldesignedbasedontheVCplatforminthewindowsoperatingsystem，includinghardwareinitializationmodule,dataacquisitionmodule,dataoutput,statusacquisitionmoduleandthestateoutputmodule.
Thistestbenchcanobtainthenecessarybasicparametersandalgorithmsoffollow-uprealvehicletestingandreducetheriskofrealcarroadtestsandresearchcosts,italsocaneffectivelyreducethedevelopmentcycleofEPS,providingamorerapidandsafetestingenvironment.
Keywords：
electricpowersteering（EPS）,testbench,dataacquisition,Torquesensor,themiddleof
1绪论
1.1电动转向系统概述
1.1.1电动转向的基本概念
电动转向系统是一个纯电动动力转向的装置。
电动助力转向装置包括了动力转向控制器、传感器、机械部件和电机等。
一般把电动控制器、传感器、机械部件和电机安装在一起、控制器是另外的安装、用电线束把他们和蓄电池（电源）连接在一起的结构称为电动转向系统的结构。
也有把控制器和转向器机械部分安装在一起的结构。
电动助力转向系统是一种通过电机为司机操纵包装系统提供动力的设备。
控制器（ECU）输出电流来控制这种动力的大小。
通过控制器的控制可为驾驶员在转向过程中提供理想的电流，进而使电机提供最佳的转向助力。
扭矩传感器、速度传感器和发动机的信号通过ECU来采集，再通过计算来得到输出的电流。
电动助力转向系统在汽车的转向过程中依据不同的方向盘的旋转速度、车速，精确的提供了不同的道路条件下的最佳的转向助力活阻尼，这些都是在控制器（ECU）的操作下实现的。
电动转向器是在电子控制器作用下完成了控制电机的电流的变化大小，最后完成了不同的转向动力。
电动助力转向系统（EPS）以蓄电池做为能源，用电机作为动力元件，刻独立于发动机外工作，且在不转向时不工作，因此无“寄生损失”。
由于电动助力转向不需要采用液压助力，不在采用油介质，无液体泄漏损失，减少了油污染的可能，对环境几乎没有污染。
1.1.2电动助力转向系统的组成和分类
EPS系统是在传统机械式转向系统的基础上设计而成的，主要由车速传感器、电子控制单元（ECU）、转向盘转矩和转角传感器、轴重传感器、电磁机、电动机、减速机构和电磁离合器等组成。
其电动助力转向系统的结构框图如图1.1所示。
图1.1电动助力转向系统的结构框图
根据助力电机及其动力源的位置，EPS可分为4种类型——C-EPS轴助力型、P-EPS小齿轮助力型、R-EPS齿条助力型和X-EPS循环球型。
C-EPS:
它的减速机构连同电机、传感器一起安装在转向传动管柱中间，下端用传动轴与机械转向器相连。
P-EPS:
它的减速机构同电机、传感器一起安装在转向器的小齿轮位置，成为一个整体。
R-EPS:
它的减速机构连同电机、传感器一起安装在转向器的与小齿轮位置相对布置的另一侧，另有一套小齿轮，与之啮合的同一齿条上夜有齿形，这样组合成为一个整体。
X-EPS:
在循环球电动转向器中，扭距传感器、直流电机、减速装置和循环求机械转向器是安装成一体的。
转向传动轴是独立的，他与机械转向器输入轴机械相连；二控制器与扭距传感器、直流电机是用电线来连接的。
几种类型的电动助力转向系统结构如图1.2示。
图1.2助力转向系统的几种类型结构
1.1.3电动助力转向系统的工作原理
汽车不转向时，电动机不工作。
当驾驶员操纵方向盘转向时，安装在转向轴上的扭矩和旋转角度传感器将所检测到的扭矩和旋转角的方向和大小信号输入给电子控制器。
速度传感器、轴重传感器等也将每个检测到的信号输入给ECU。
电子控制器依据所得到的信号，并与所测试的助力电机的电流反馈信号相结合，进行了操作处理，用于肯定电机的助力电流方向和大小。
此电流就是所需要的助力扭矩，由电磁离合器通过减速的机构增加转矩及减速以后，加在转向轴使的得到一个与汽车行驶工作状况相符合的转向作用力。
当ECU测试到异常信号的时候，应该立即切断电磁离合器，撤出助力模式，并且打开故障指示灯。
其EPS系统控制简图如图1.3所示。
图1.3EPS系统控制简图
1.2电动转向技术国内外研究现状
这一模式延用至今主要是因为国内在助力转向系统的研发上开始的比较晚起点比较低，这个情况下导致了目前国内仍未在这一方面取得重大的突破和成就。
长期以来，国内高档轿车都是以高昂的价格引进国外先进的ESP相关系统，而中低档的轿车却没有能力承受如此昂贵的费用，因为这不仅大大地增加了汽车行业的生产成本，同时也无形中为消费者增添了负担。
国外公司对EPS技术的研究一直处于领先低位，而对这一技术的垄断也是造成国内EPS技术研究迟迟不前的重要因素，因此为了打破这一技术的局限，顺利解决国内汽车在助力转向系统的落后问题，促进企业和技术的发展进步，许多汽车厂家开始联合科研机构共同开发EPS产品。
就目前来看，国内厂家在研究EPS控制系统上投入了大量的人力、物力；而另一方面，EPS控制系统试验台的研究设计也在有条不紊地进行，这将成为EPS控制系统研发的重要支撑。
所以本课题的设计在提升EPS技术方面具有重要的意义。
国内也有许多大学在从事汽车EPS试验台的研究，比如吉林大学和北京理工大学共同开发的试验台产品就有便于使用，相对稳定的运行，可靠等特点，所测试结果的精度以及效率都能达到标准，适用EPS的基本性能的测试和控制系统的开发。
清华大学的汽车工程系的老师和教授同时做手对EPS性能试验台进行设计研究，并取得了较大的进展，而且对从国外进口的EPS内部所包括的转矩传感器以及电机电流传感器等采取了标定，再进行了对台架整体性能的测控和试验。
最后所得到的测试的结果为以后EPS有关的传感器以及控制器元件的选取、探索开发研究和其控制方式的采取都有很大的参考价值。
江苏省首届人才高峰资助的计划项目之一“轿车的电动助力转向系统开发与研究”是由隶属于江苏大学下的汽车工程的重点实验室来开展。
该课题研究组目前已经取得了较大的成果，开发出了以转向轴作为驱动形式的EPS性能试验台及其样机；并为之类汽车的电动助力的转向器样机设计好相应的EPS性能试验以及EPS可靠性试验，路试了几百公里并且完成了超过10000公里的可靠性试验。
结果表明，项目的研究达到了预期的目标，取得了重要成果，该实验平台元转稳定，性能可靠。
也填补了国内的空白，使国外公司不在对该技术垄断。
因此，国内研究的具有自主知识产权的EPS，提升了国内助力转向类汽车产品的科技含量，增强了相应国内产品的市场竞争力，而且对国内汽车类零部件产业的发展起着较为深远的影响。
自从美国通用汽车公司在1953年首次在其生产的车辆上安装HPS以来，汽车的超控性能得到显着提升，人们不再需要大直径转向盘以提供足够的转向力。
汽车助力转向系统是对于汽车转向系统来说是必不可少的，它的存在直接影响了汽车驾驶的稳定性、舒适性，使汽车的行驶安全性提高。
相对于传统的机械式转向，液压转向系统拥有诸多优点，不过它依然具有的许多缺陷会造成一些不必要的麻烦。
伴随着电子技术的不断成长特别是迅速成熟起来的微电子技术为新型的电子控制式助力转向系统的产生提供了有利条件。
上世纪80年代，自日本铃木公司首次开发出EPS后，日本多家汽车公司相继开发出适合各公司车型的EPS。
现日本精工已然成为世界最大的EPS生产厂，占全球的30%。
1993年本田汽车公司首次将EPS装备进行批量产生；与此同时，一款畅销欧洲大陆的经济廉价轿车在装备德尔菲公司所生产的EPS的条件下取得了明显的销售提升成果。
由于完全不需要液压装置，用电能取代了液压能，减少了系统的能耗且环保，而且具有卓越的性能，EPS技术很快就使用在国外各大公司的汽车中。
EPS系统已经被广泛地应用于各公司的中高档轿车以及中型以上的货车。
尽管EPS这一新兴技术的强大功能得到了大家的认同，但由于电子产品在当时价格较高，导致EPS成本较高。
使其在实际生产中的应用受到了较大的限制。
直到近些年，微电子产品价格大跌，同时EPS通过长时间的发展，技术也日趋成熟。
与此同时，因为EPS在一些生产公司也投入使用，EPS本身的性能也决定了其强大的吸引力，所以，许多公司及研究所都不断地加强了在研究转向系统方面的投入，由此EPS迎来了一轮新的研发浪潮，整个行业进入了朝气蓬勃的大好时代。
从国内外的研究来看,EPS今后的研究主要集中在以下几方面：
（1）系统匹配技术。
助力特性、电机及其减速机构、传感器以及其EPS系统与其它子系统进行匹配。
是使整车性能达到最优的关键。
（2）EPS助力控制策略。
一种依靠减速机构把助力电机的输出的力矩作用到机械转向系统上的一种助力控制的基本控制模式，为减轻方向盘的操纵力，助力控制策略的主要方法是依据助力特性曲线，经过计算来确定助力电动机输出的助力矩大小，帮助驾驶员便于实现汽车转向控制。
控制策略是EPS系统的重点研究方向。
（3）可靠性。
转向系统是驾乘人员的重要工具，必须保证它的可靠性。
优秀的EPS不仅仅拥有良好的硬件环境，更需要良好的软件来满足应用需求。
所以EPS的可靠性需要很高的要求。
EPS系统的助力形式也由低速、转向柱助力型向全速、齿条助力型发展。
由于技术、制造和维修成本等多种原因，目前汽车转向系统仍以液压助力的HPS（包括ECHPS、EHPS）为主。
线控转向系统由于成本高以及现有法规限制等原因,在近期也很难在车辆上进行装配。
EPS具有节能与环保等诸多优点,EPS取代HPS是今后一段时间内汽车转向系统发展的趋势和研究重点。
1.3课题研究的目的和意义
本课题的目的及意义是：
目前的对中主要是依靠人工操作，工人劳动强度大，生产效率低，在在更换试验件过程中，会造成人力、时间上的浪费，而且精度也较难控制。
研制开发自动浸涂机。
研制汽车电动助力转向装置的对中系统的意义在于改变落后陈旧的生产力，减少人为参与因素的质量不稳定性、均匀性，提升企业形象的需要，使生产效率大大提高，产品质量的稳定性也获得提高。
1.4本文研究的主要内容和目标
在试验台中，需要获取和处理的信号有转向角度信号与转向盘转矩信号。
通过这些信号来调节EPS上的扭矩传感器的位置使的EPS对中。
获取这些信号的方法和调节EPS上的扭矩传感器的位置就是本文研究的主要内容。
本文研究的主要内容为：
1确定电动助力转向对中试验台的总体结构方案；
2试验台转向力加载系统的设计；
3试验台测控系统的分析和设计，包括转向角度测控装置、扭矩传感器的分析等；
4信号和数据采集处理系统的设计；
5试验台控制系统软件总体设计。
2对中试验台的总体设计
2.1试验台整体介绍
EPS对中试验台工作原理：
伺服电机模拟驾驶员转动转向盘，转向盘转矩由电动助力转向系统上的转矩传感器测量，转向盘转角由安装在转向轴上的光电编码器测出。
在EPS对中系统的同时，试验台的测控系统会测量并记录各种传感器的信号，调整EPS上的扭矩传感器的位置，使得EPS系统的对中。
电动转向试验台的组成：
1转向机构
2直流电机，通过减速机构和转向柱连接
3试验台，用于固定个部件
4扭距传感器
5车速信号模拟装置和控制电路板
6电源
7数据采集卡
图2.1电动助力转向系统对中试验台设计框图
试验台结构总框图如图2.1所示，通过传感器来获得信息，这些信息为：
EPS中转向盘的主扭矩、转向盘的转向角度。
把这些量通过数据采集卡传送到计算机上，来分析EPS是否对中，然后然后通过改变EPS装置上的扭矩传感器的位置，使EPS达到对中。
2.2对中试验项目
将被试装置安装于实验台上，装置的安装角度应与整车安装角度一致，使系统能正常工作。
电动机先以20km/h转速正向转动，当转动稳定时，通过计算机分三次间断记录下三圈完整的扭矩信号，然后电动机反向转动，同理记录下相应的扭矩信号。
测算正转和反转的最大扭矩信号的中间值是否位于横轴±5%的区间范围内，若在，则被测试装置合格；若不在，调整扭矩传感器的位置，重复上述操作，直至被测装置符合标准为止。
2.3试验台测试项目
根据以上可靠性试验项目的内容和要求，需要测试的数据项目有：
转向盘角度和转向盘转矩。
根据对中试验的内容和要求，需对转向盘的转矩和角度进行检测。
转向盘的转矩由传感器采集转换后，经信号放大器处理后传送至数据采集卡，再经数据采集卡进行A/D转换处理后输入计算机，集成试验台控制系统的计算机显示数据，根据这些信号来调整扭矩传感器的位置，使得电动助力转向系统对中。
安装在方向盘上的光电编码器将脉冲信号通过光电编码器数据处理卡输入到计算机中，由采集软件通过计算脉冲数的大小来得到方向盘的转角。
2.4测量过程
2.4.1测量的操作过程
对中就是使得传感器处于某个位置（即对中位置），电动机先以20km/h带动输入轴，当转动稳定是，通过计算机分三次间断几路下1.5圈的完整的扭矩信号，然后电动机反向转动，通例记录下相应的扭矩信号，在这1.5圈的数据中测算正传和反转的最大扭矩信号的中间值是否位于最大扭矩信号的±5%的区间范围内如果在，表示被测试的装置合格即EPS对中完成，如果不在的话，调整扭矩传感器的位置，重复上述的操作，直至被测装置符合标准。
例如：
在左转1.5圈中，测的最大扭矩值为-0.6mv，右转为+1.8mv，中间值为1.2，相差50%，表示该被测试的装置不合格（即未完成对中），这就需要改变扭矩传感器的位置，直至找到对中位置为止（被测装置已经对中）。
操作的电路原理图如图2.2所示.
图2.2操作的电路原理图
2.4.2测量的操作理论
从扭矩传感器的工作原理图可以看出，当传感器处于中间位置时，右转和左转产生的扭矩是一样的时候。
即传感器表示为主扭矩的电压值与副扭矩的电压值之差的绝对值是一样的。
例如当扭矩传感器处于对中位置时，右转，转矩达到最大时，主扭矩IN+为5v,副扭矩为0v，电压差为5v；左转，转矩达到大时，主扭矩IN+为0v,副扭矩为-5v，电压差为-5v。
当传感器的位置处于对中位置时，汽车方向盘没有受左右力，主扭矩和副扭矩的输出电压为2.5v，电压差为0v，扭矩传感器将信号传给助力系统，不需要提供助力。
当传感器的位置不对中位置时，传感器传出的扭矩信号不是0，助力系统将会多给或者少给助力。
因此我们可以通过这个理论来对中。
3试验台的电控部分
3.1试验台电控部分总体结构
图3.1试验台电控部分结构图
试验台电控部分结构图如图3.1所示，其中：
1-转角信号；2-扭矩信号；3-报警灯控制；4-蓄电池电源控制；5-伺服电机电源控制；6-伺服电机控制信号
3.2电控部分相关的主要部件
3.2.1驱动加载装置
为实现对EPS的可控加载，采用伺服电机（松下MSMA系列）驱动加载机构进行转向力的输入。
输入电机由工控机通过伺服电机驱动器进行控制。
由于本试验的主要功能是检测EPS的对中状况，而对EPS的性能，可靠性等数据关注不高，所以不需要对输出轴加载负载。
3.2.2传感器
试验台信号列表
表3.1
序号
信号
信号源
类型
占用通道
信号标准
1
角度信号
角度传感器
模拟量
1
PWM方波
2
转矩信号
转矩传感器
模拟量
2
PWM方波
传感器是可以理解被测的量的消息，并可以将这些消息遵照一定的规则更迭为能够用输出的信息的器材。
在现实的测量中，随时间变化的动态信号是其中大部分被测量，精确反映被测量的大小这就成为传感器最主要的输出功能，重现随时间变化的被测量的规律也必须正确，即需要动态特性要好的传感器。
在本系统中待检测信号是转矩信号和角度信号。
试验台信号如表3.1所示。
二种传感器的选型将在3.3节中详细介绍。
3.2.3信号与数据采集装置
数据采集（DAQ），是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集非电量或者电量信号,送到上位机中进行分析,处理。
数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。
本次设计采用的是PCL-818HD型号的数据采集卡，该型号的采集卡有四个通道，每通道的最高采样速率51.2Ks/s,输入电压范围±5v，采样分辨率为24位，该采集卡需要USB总线供电并且能够高速USB数据传输。
PCL-818HD采集卡的线性相位特性比同类数据采集卡更好些，如果采集卡的相位特性是非线性的，会使得信号的不同频率成分之间存在大概几度的相对相位差。
这种现象对于大多数机器状态监测方面的应用来说可能并不明显，但是对于专业的音频测试设备来说，可能会造成麻烦，所以要选择线性相位特性好点的。
其次，本次设计给数据采集卡提供电源的是24v的直流电源，但PCL-818HD的数据采集卡耦合方式为交流耦合。
PCL-818HD数据采集卡是可以通过编程来确定耦合方式直流还是交流，所选择该数据采集卡很好的选项。
另外该型号的数据采集卡内置信号调理器，适用多种传感器，多种端子可选，适用不同环境和不同传感器；采样速率快，每通道的最大采样速率51.2Ks/s，比同类采集卡的采样速率的高一点。
PCL-818HD动态信号采集模块是振动及声学数据记录应用中的理想选择，因为工程师能够自由开关IEPE调理及选择AC或DC耦合。
模块提供了24位分辨率，102dB的动态范围及抗混叠滤波器。
PCL-818HD模块能与PCL的声音及振动测量套件配合使用，套件包括声音及振动助手，通过提供独立、交互式的分析采集环境来简化噪声及振动信号的采集和分析。
独立软件支持在磁盘记录数据同时，实时修改数据分析设置。
信号与数据采集系统硬件如图3.2所示。
图3.2数据采集系统硬件框图
3.2.4工控机
整个测控系统由工业控制计算机来控制。
工控机具有以下优点：
1、开发工具齐全；2、计算速度快；3、应用程序接口和图形界面友好。
3、工控机可以存储很多数据用于分析，即存储容量大。
另外，工控机可以适用于多数编程语言以及DOS、UNIX、NT/2000等操作系统，这位软件和硬件的开发提供了很大的便利。
现在的工业设计计算机技术已经能够完全达到要求。
3.2.5电子控制单元
EPS的电子控制单元（ECU）处理芯片通常有两种方式，第一种是采用一个8位单片机系统或者一个16位电机。
另一种采用数字信号也可以达到要求。
ECU由数字信号处理器（或单片机）、双桥臂脉宽调制信号输出MOSFET、功率开关驱动器等组成。
根据车速、转向盘扭矩等信号，以及进行分析后发出的指令，控制离合器与电机的动作组成了ECU的功能特点。
另外，ECU也具有自我诊断以及安全保护的功能，其工作状态时通过采集
升级会员 