電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能測試研究

高學(xué)洋，郭 斌,，胡曉峰，陳麗平

(1. 中國計量大學(xué)，浙江 杭州 310018; 2. 杭州沃鐳智能科技股份有限公司，浙江 杭州 310018)

0 引 言

隨著汽車轉(zhuǎn)向控制技術(shù)與智能駕駛技術(shù)的發(fā)展，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)歷傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(manual steering)，液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) (hydraulic power steering)，電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) (electro hydraulic power steering)的發(fā)展，目前廣泛采用的是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。隨著自動駕駛汽車的研發(fā)與推廣，必須提高緊急情況下轉(zhuǎn)向操作正確性和駕駛員安全性，隨著轉(zhuǎn)向系統(tǒng)朝著電控化、智能化方向的發(fā)展，為自動駕駛汽車實現(xiàn)自主轉(zhuǎn)向提供了良好的硬件基礎(chǔ)，因此，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展被認為是實現(xiàn)高級自動駕駛的關(guān)鍵。

為了保證電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車行駛的過程中的穩(wěn)定性能，需要對其進行綜合性能檢測。當前主要通過試驗的手段來對EPS進行開發(fā)以及產(chǎn)品性能驗證[1]。電動助力轉(zhuǎn)向器的開發(fā)流程包括建?！_架試驗→道路試驗→投入使用，其中道路試驗成本高、消耗大，且具有一定危險性[2]，因此，需要臺架試驗進行提前測試，在臺架試驗結(jié)果合格之后再進行道路試驗。

現(xiàn)有的檢測試驗臺結(jié)構(gòu)單一，具有局限性，不能完成對不同型號的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的測試。EPS測試臺架的難點是對轉(zhuǎn)向阻力的模擬[3]，而轉(zhuǎn)向阻力主要來自地面的摩擦，當前轉(zhuǎn)向阻力的模擬通常采用螺旋彈簧加載、磁粉制動器加載[4]、電液比例控制加載[5]、伺服系統(tǒng)加載等方式。螺旋彈簧加載結(jié)構(gòu)簡單，需要人工操作，且不能模擬全工況；磁粉制動器加載體積小，可無極控制，但散熱性差；電液比例控制加載占地面積大，有液壓漏油污染。鑒于伺服系統(tǒng)加載方式抗沖擊性好，響應(yīng)頻率快，由伺服電缸提供轉(zhuǎn)向阻力，結(jié)合滑模變結(jié)構(gòu)反饋控制策略，由此設(shè)計出一套EPS性能測試臺。

1 EPS測試分析

1.1 EPS工作原理

EPS由三大部分構(gòu)成：傳感器（扭矩傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器、車速傳感器），電子控制單元（ECU），執(zhí)行器（EPS電機、離合器、減速機構(gòu)）[6]，圖1為EPS工作原理圖。ECU接收到點火信號之后開始工作，在行駛過程中，當方向盤轉(zhuǎn)動時，方向盤產(chǎn)生轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)矩，帶動轉(zhuǎn)向軸運動，扭矩傳感器和轉(zhuǎn)角傳感器將所作用的力矩和角位移轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號，ECU根據(jù)這兩個信號并結(jié)合車速等信息，將對應(yīng)信號下的助力電流發(fā)送至EPS電機，為轉(zhuǎn)向提供助力，實現(xiàn)全速范圍內(nèi)的最佳控制：在低速轉(zhuǎn)向行駛時輕便靈活，高速行駛時穩(wěn)定可靠[7]。

圖1 EPS工作原理圖

1.2 測試項目及方法

根據(jù)EPS的結(jié)構(gòu)及工作原理，對EPS的空載試驗、功能試驗及助力電流試驗進行測試：

1）空載試驗：檢測汽車空載狀態(tài)時，分別在點火開啟及關(guān)閉情況下的空載轉(zhuǎn)動力矩的波動量ΔT是否符合標準要求[8]。

測試時，被測產(chǎn)品輸出端與負載斷開，處于空載狀態(tài)。在點火關(guān)閉狀態(tài)下，設(shè)定模擬車速為0 km/h，被測產(chǎn)品以10 r/min的輸入轉(zhuǎn)速從90%左極限處，右轉(zhuǎn)至90%右極限處進行換向，回至初始位置；開啟點火信號，參數(shù)設(shè)置及要求同點火關(guān)閉試驗，重復(fù)試驗。

由圖2轉(zhuǎn)動力矩趨勢圖得，在被測產(chǎn)品右轉(zhuǎn)所轉(zhuǎn)動的中位（–180°～180°）范圍內(nèi)的 ΔT1≤0.4 N·m，在全范圍內(nèi)的ΔT2≤0.6 N·m；被測產(chǎn)品左轉(zhuǎn)時的要求：ΔT3同 ΔT1，ΔT4同 ΔT2。圖2中的正扭矩曲線為被測產(chǎn)品右轉(zhuǎn)曲線，負扭矩曲線為左轉(zhuǎn)曲線，0°為轉(zhuǎn)向器中位，波動量ΔT由式(1)計算：

圖2 轉(zhuǎn)動力矩趨勢圖

2）功能試驗：檢測在不同車速條件下的額定轉(zhuǎn)向阻力對汽車轉(zhuǎn)向的影響。

測試時，被測產(chǎn)品輸出端加載2 kN額定負載，開啟點火信號，被測產(chǎn)品在不同車速下，以10 r/min的輸入轉(zhuǎn)速從90%左極限處，右轉(zhuǎn)至90%右極限處進行換向，回至初始位置。圖2中ΔT5、ΔT6分別為右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)輸入扭矩波動量，兩者的波動范圍均需≤0.8 N·m。

3）助力電流試驗：檢測在不同車速條件下的助力電流特性是否滿足要求。

測試時，被測產(chǎn)品輸出端與負載鎖緊，開啟點火信號，被測產(chǎn)品在不同車速下，以0.2 r/min從中位向兩個方向依次轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)向扭矩達到15 N·m時進行換向。

某車速下的助力電流I與轉(zhuǎn)向扭矩T的關(guān)系趨勢如圖3所示。

圖3 助力電流趨勢圖

助力電流曲線對稱性Ke由式(2)計算：

其中a1、a2、···、ai、b1、b2、···、bi分 別為在I0與Imax之間以0.1A的間隔分成n等分后右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)所對應(yīng)的扭矩值；Li=Tmin{ai,bi}。

各車速下的Ke需滿足≥90%的要求，圖3中的a1、b1所對應(yīng)的扭矩值稱為死區(qū)，此時助力電流為0，不起助力作用。

2 測試系統(tǒng)方案設(shè)計

參考QCT 1081—2017《汽車電動助力轉(zhuǎn)向裝置》制定系統(tǒng)方案，進行軟硬件模塊的設(shè)計，包括數(shù)據(jù)采集與處理、機械平臺、伺服系統(tǒng)加載設(shè)計、軟件測試流程等的設(shè)計。

根據(jù)相關(guān)要求試驗中涉及的參數(shù)及變化范圍如表1所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)變化范圍

2.1 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計

圖4為測試系統(tǒng)硬件模塊結(jié)構(gòu)圖。

圖4 測試系統(tǒng)硬件模塊結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 數(shù)據(jù)采集與處理設(shè)計

數(shù)據(jù)采集模塊基于工業(yè)控制計算機的多通道PCI系統(tǒng)，包括工控機、高速數(shù)據(jù)采集卡及采集傳感器等。通過數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)高速采集，通過PCI-AI通道對轉(zhuǎn)向阻力信號、扭矩信號、角度信號及電流信號進行采集[9]；通過DI通道進行功能按鍵（啟動、停止、復(fù)位等）及驅(qū)動器的就緒、報警控制；通過DO通道進行指示燈與驅(qū)動器的使能、復(fù)位控制。

2.1.2 伺服系統(tǒng)加載設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)方案設(shè)計，伺服加載系統(tǒng)包括輸入端伺服電機與輸出端伺服電缸。

采用伺服電機模擬方向盤輸入，以避免人為轉(zhuǎn)動方向盤出現(xiàn)的不穩(wěn)定性，對測試結(jié)果產(chǎn)生影響[10]。計算機通過運動控制卡向伺服驅(qū)動器發(fā)送脈沖與方向信號，實現(xiàn)電機旋轉(zhuǎn)。

采用單端的高頻響應(yīng)的伺服電缸在輸出端加載轉(zhuǎn)向阻力，通過滑模變結(jié)構(gòu)反饋控制策略，保持恒定的轉(zhuǎn)向阻力快速跟隨伺服電機的動作。

2.1.3 滑模變結(jié)構(gòu)反饋控制

在一個超平面S=0，被分割成S＜0和S＞0，超平面上的運動點可分為如圖5中A點、B點、C點所示，其中A點為通常點，穿過切換面；B點為起始點，從切換面離開；C點為終止點，從兩邊趨向切換面?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制就是設(shè)計滑膜超平面S=0，迫使系統(tǒng)狀態(tài)點運動到超平面上，且做滑膜運動，以完成給定控制的目的。

圖5 超平面上運動點特性

根據(jù)試驗設(shè)計要求，在輸出端加載轉(zhuǎn)向阻力，如圖6所示，首先通過控制卡向伺服驅(qū)動器發(fā)送脈沖，控制伺服電缸加載至所需的轉(zhuǎn)向阻力值；當輸入端伺服電機旋轉(zhuǎn)移動時，需要保持輸出端所加載的轉(zhuǎn)向阻力大小不變，通過控制卡的滑模變結(jié)構(gòu)控制轉(zhuǎn)向阻力系統(tǒng)平面上的運動狀態(tài)點做終止點運動，控制輸出端在跟隨輸入端做同方向運動時，動態(tài)調(diào)節(jié)所加載的轉(zhuǎn)向阻力，保持轉(zhuǎn)向阻力的大小不變。系統(tǒng)中的力傳感器實時監(jiān)測的轉(zhuǎn)向阻力的大小，與控制過程形成閉環(huán)，確保靜態(tài)控制平穩(wěn)、動態(tài)控制靈敏。

圖6 反饋控制策略圖

2.1.4 機械臺架設(shè)計

根據(jù)EPS的工作原理，且為便于安裝調(diào)試，在模塊化設(shè)計的基礎(chǔ)上，對輸入端模擬模塊、EPS總成模塊、輸出端轉(zhuǎn)向阻力加載模塊等設(shè)計對應(yīng)的機械結(jié)構(gòu)。

針對測試對象單一的問題，設(shè)計出通用性強、高效安全的測試臺架。如圖7機械臺架所示，通過調(diào)節(jié)機械臺架的轉(zhuǎn)向器底座工裝夾具與轉(zhuǎn)向器上端立柱支撐模塊的高度，可應(yīng)用于轉(zhuǎn)向軸式、小齒輪助力式、齒條助力式等轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的檢測。

圖7 機械臺架

2.1.5 CAN通信設(shè)計

汽車車速與發(fā)動機轉(zhuǎn)速是EPS性能測試中的兩項關(guān)鍵參數(shù)[11-12]，是電動助力工作的一個必要條件，因此需向被測產(chǎn)品提供模擬車速信號與模擬發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號，在不同車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速下對被測產(chǎn)品進行試驗。通過CAN通信的方式向電子控制單元發(fā)送模擬車速與模擬發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號。

2.2 測試軟件模塊設(shè)計

根據(jù)試驗流程，以LabVIEW 為軟件開發(fā)平臺，分別對數(shù)據(jù)采集、MySQL數(shù)據(jù)庫、運動控制、數(shù)據(jù)處理分析、參數(shù)設(shè)置等設(shè)計其獨立的子VI，上位機根據(jù)需要動態(tài)載入相應(yīng)的子VI功能模塊，進行系統(tǒng)試驗。

如圖8測試流程所示，在進行預(yù)動作檢驗，確保系統(tǒng)正常運行之后，選擇測試項目，根據(jù)測試項的要求進行測試參數(shù)的設(shè)置與工裝的調(diào)整。按下啟動按鈕，系統(tǒng)自動執(zhí)行動作流程，采集的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成曲線實時的顯示在軟件的主界面上，通過顯示的曲線可以直觀的觀察測試結(jié)果。測試完成后，進行合格性判斷，將合格的數(shù)據(jù)保存于數(shù)據(jù)庫中，并輸出Excel測試報告。

圖8 軟件測試流程圖

3 測試結(jié)果與分析

3.1 測試條件

對某型汽車的轉(zhuǎn)向軸式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行性能測試，并對測試結(jié)果進行分析。被測產(chǎn)品的向左、向右旋轉(zhuǎn)的最大角度為540°，進行試驗前，配置如表2的性能測試條件。

表2 EPS性能測試條件

3.2 測試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

3.2.1 空載試驗

由圖9空載試驗結(jié)果及表3可以得出，被測產(chǎn)品在左、右旋轉(zhuǎn)的空載轉(zhuǎn)動力矩波動量均滿足要求，且當開啟點火信號后，轉(zhuǎn)動力矩的值及波動量較關(guān)閉點火信號時均減少，表明EPS可以提高駕駛的操縱穩(wěn)定性。

圖9 空載試驗結(jié)果圖

表3 空載試驗結(jié)果

3.2.2 功能試驗

由圖10的結(jié)果曲線與表4的可以得出，被測產(chǎn)品的左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)的波動量范圍均符合要求，輸入扭矩隨著車速的提高而增加。當車速增加時，ECU減少EPS電機發(fā)送的助力電流信號，因此，EPS電機提供的扭矩也會降低，而輸出端的轉(zhuǎn)向阻力為定值，所以輸入端的轉(zhuǎn)向力矩隨著車速的增加呈現(xiàn)增大的趨勢，這樣駕駛員就可以感受到“路感”，提高車輛的穩(wěn)定性[13]。

圖10 功能試驗結(jié)果圖

表4 功能試驗結(jié)果

3.2.3 助力電流試驗

由圖11的結(jié)果曲線與表5的結(jié)果數(shù)據(jù)可以得出，被測產(chǎn)品的助力電流隨著車速的提高而呈現(xiàn)減少的趨勢，能夠兼顧低速時得輕便與高速時得穩(wěn)定，且助力到一定位置時，助力電流將維持在一定的水平上，稱為恒助力電流[12]。根據(jù)式（1）計算各車速的曲線對稱性Ke均符合≥90%的標準。

圖11 助力電流試驗結(jié)果圖

表5 助力電流試驗結(jié)果

4 結(jié)束語

本文詳細闡述了以LabVIEW為開發(fā)平臺的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計，引入伺服電缸模擬加載轉(zhuǎn)向阻力，通過對某型汽車的轉(zhuǎn)向軸式電動助力系統(tǒng)進行空載試驗、功能試驗、助力電流試驗，試驗所測的扭矩波動量、曲線對稱性等均符合測試標準與企業(yè)標準要求，驗證了所設(shè)計的測試臺架能夠穩(wěn)定、準確地完成測試，檢測臺現(xiàn)已應(yīng)用于相關(guān)企業(yè)汽車EPS性能的研究與開發(fā)。