邓娥 赵燕 吕旺

（武汉理工大学）

电动助力转向系统（EPS）是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的新型动力转向系统[1]。EPS 作为汽车的一个非常重要组成部分，其综合性能关系着整个汽车的性能质量，同时又是维持汽车平稳、安全与可靠行驶能力的基本保障[1-3]。因此，研制精确度高且实时性好的EPS 试验台，对保障EPS 的性能有重要意义。文章设计了汽车EPS性能试验台测控系统，通过模拟汽车转向时EPS 的工作状态，并在此状态下测试EPS 的各项性能指标。

1 EPS性能试验台硬件设计

根据国家标准《汽车电动助力转向装置技术条件与台架试验方法》（讨论稿）的要求，文章设计的EPS 综合性能试验台测控系统主要针对管柱式EPS 和小齿轮EPS，其总体设计框图，如图1 所示。

1.1 台架部分

台架部分主要作用：1）模拟汽车行驶的各种路面情况，模拟地面阻力；2）产生各种EPS 的输入信号，包括方向盘输入转矩、车速及发动机信号等。试验台的台架部分包括转向盘加载、地面阻力加载、工装夹具部分以及反向冲击部分。

1）转向盘加载机构。该机构主要模拟驾驶员在转向时的手力大小[4]，设计采用伺服电机给EPS 转向轴提供转向力矩，用行星齿轮减速机传递并放大伺服电机的输出扭矩，电机与减速机之间用波纹管联轴器连接，转向盘加载机构的最大输出扭矩为50 N·m，最大驱动转速为150 r/min。

2）地面阻力加载机构。该机构主要模拟汽车在不同工况下行驶的地面阻力[5]，主要由伺服电机、行星齿轮减速机、波纹管联轴器及转矩传感器组成。设计中，地面阻力加载机构的最大输出扭矩为100 N·m，最大驱动转速为150 r/min。

3）反向冲击部分。该部分主要作用是模拟汽车EPS 在经受逆向扭矩冲击时的情况。反向冲击部分的高度可以自由调节，通过更换冲击锤的质量来改变冲击量，模拟不同的逆向扭矩冲击，以此适应不同型号的EPS 样机。冲击部分采用自动控制，电动机提供动力使冲击锤运行到最高点，然后电机停止工作，冲击锤自由落体；同时，冲击部分具有安全防护装置，冲击块与输出加载部分由离合器连接，通过控制离合器的通断来控制冲击锤的冲击方向，避免试验时冲击力对试验台其它部分的冲击，造成不必要的损坏。

1.2 电气控制部分

电气控制部分的设计采用模块化设计思想，主要包括信号调理板、A/D 接口模板、I/O 接口模板、运动控制卡及3 轴伺服电机驱动电路。采用交直流电路分开布线，强弱电间电气隔离，EPS 试验台与被测EPS 样机之间用航空插头连接，所用各种传感器及变送器均采用直流线性电源供电，以此减小电源波动系数过大对测量精度的影响。EPS 试验台电路控制部分框图，如图2 所示。

EPS 的各种测试信号（包括EPS 吸收电流、助力电机马达电流、转向盘输入扭矩及输出轴转向扭矩等）经过信号调理单元进行初步处理，光隔A/D 接口模板将输入信号由模拟量转换为数字量输入到工业控制机，工控机经过分析处理运算之后，得到各种输出指令控制各部分单元的工作。如：通过控制继电器和接触器的通断来控制加载机构、冲击机构和夹紧机构的动作，通过运动控制卡来控制3 轴伺服电机转动力矩的大小和转动方向。

2 EPS性能试验台软件设计

在LabVEIW 开发平台上采用“自顶而下，逐层细分”的模块化设计思想进行软件设计。测试软件主要包括数据采集模块（数据读取、数据存储及数据显示）、信号发生模块、控制信号输出模块和数据分析处理模块（数字滤波、数据平滑处理、相关分析及傅里叶分析）。试验台系统电源开启后，首先进行参数设置，如车速大小、输入轴、输出轴加载大小及采样频率设置等。参数设置完成后，试验台将处于正常工作状态，车速、输入轴转向扭矩及输出轴阻力矩等信号，同时产生发动机电流信号。然后数据采集模块将各种EPS 测试信号传递到计算机数据分析处理模块，进行数据预处理以及二次处理操作。经处理的结果将由计算机保存并输出至各执行机构，控制系统各部件的工作，显示器显示测试曲线结果。

2.1 数据采集模块

试验台系统采用某公司的数据采集卡，系统软件采用多线程编程思想以及DAQ 数据采集显示。存储分别为2 个不同的线程，一个负责EPS 各输入模拟信号的采集，另一个负责采集数据的存储。数据采集的过程主要包括DAQ 函数的安装、参数设置、板卡测试、数据读取以及数据存储和显示。采集的主要信号有EPS 的吸收电流、静态电流、驱动电机的发动机电流、发动机、输入轴转角、输入轴方向盘转矩、输出轴阻力转矩及车速信号8 个模拟输入信号。数据采集前面板界面，如图3 所示。

2.2 信号发生模块

采用LabVIEW 自带信号生成的函数模块中的子VI 来产生车速信号及发动机信号，在生成车速信号的过程当中，首先设计车速信号转换为方波频率的子VI，使得在前面板中输入一个大小恒定的车速信号，对应转换一个车速信号成为一定关系的频率信号。同时根据数据采集卡的电压工作范围（-10～10）V，设置方波的幅值为5.0 V，占空比为50，采样数为128 点，从而得到车速信号。

2.3 信号分析处理模块

对于采集到的信号运用中值滤波法对其进行预处理，采样后的数据在传递的过程中可能叠加各种噪声，因此采用加权平均法平滑处理采样数据。EPS 系统的检测信号均为时域信号，应在时域范围内对信号的波形、幅值及与幅值相关的统计特性等进行分析，在数据二次处理时主要进行时域内的相关性分析。利用Lab-VIEW 里提供的FFT 频谱VI 得到车速信号与转矩信号的显示前面板界面，如图4 所示。

2.4 信号输出模块

信号经过数据分析处理模块后，需要根据车速、输入轴方向盘转矩及输出轴转矩等信号得到目标控制电流，并将此信号作为输出信号，为EPS 的输入轴伺服电机、各继电器、EPS 离合器及输出轴伺服电机提供激励，因此需要系统软件设计输出模块，将内部的数字信号转换为模拟输出信号传递给试验台的执行机构。

经过数据分析处理后的数据沿着输出模块创建的模拟输入通道进行传递，DAQmx Write 写入模块对其进行连续采样写入。当输出各环节都不出错时，控制信号波形进行连续输出，控制试验台进行工况转换。

3 测试结果

试验台搭建成功后主要做了输入扭矩/吸收电流曲线试验和输入/输出扭矩特性试验，并对上述典型试验项目所得的数据进行分析以评价试验台的整体性能。试验方法：输入轴连接好，输出轴固定，汽车点火开关处于开启状态，电源电压为（12.5±0.5）V，发动机信号开启，车速信号为0，以（1±0.05）（°）/s 的转速顺时针转动输入轴，直到达到（15±0.3）N·m 的力矩时，以同样的速度反转回到初始位置后，再以相同的速度逆时针转动输入轴，直到达到（-15±0.3）N·m 的力矩。车速信号按照40，80，120 km/h 变化，其余信号不变，按照以上车速重复上述运动，并记录数据。得出输入扭矩/吸收电流特性曲线，如图5 所示，输出曲线，如图6 所示。

由图5 可知，车速从0～120 km/h 变换的过程中，EPS 助力电机的发电机电流随之减小，发电机电流与助力系统的助力成正比，说明汽车在低速下转向时，所需的助力较大；而在高速下转向时，需要的助力减少，此时需要保持汽车转向的手感。因此得出结论：EPS 输入扭矩/发电机电流特性试验设计标准，同时也验证了试验台系统设计的正确性。

图6 中，输出轴扭矩即为阻力矩，输入轴扭矩则为助力扭矩与方向盘力矩之和。1，3 区间曲线分别为方向盘正转和反转时输入扭矩随输出扭矩的变化曲线。由图6 可知，当输出轴扭矩增加时，输入轴扭矩相应增大，此时助力电机助力电流较大，提供较大的助力，因此能提高转向的轻便性。而当输入扭矩＞7 N·m 时，助力电机的输出电流基本维持不变，即此时电机助力基本维持不变。当输出扭矩稍微增加时，输入轴将快速增大，即方向盘力矩将快速增加，以保持汽车转向时的稳定性。

4 结论

经过对EPS 系统总成台架试验，可以看到试验台系统的软硬件设计符合设计规范，其精度及实时性基本能达到设计标准，这将为汽车EPS 及其试验台系统的研究提供一定的参考依据。但由于汽车行驶的过程中路面情况较为复杂，其真实路况路谱数据难以在试验台上完美呈现，虽然文章采用伺服电机来模拟地面助力情况，与汽车行驶真实路况相比还存在一定差距。此外，文章主要采用实验手段来得到汽车EPS 的性能数据，若能结合实车测试对EPS 系统进行全方位的测试，提出更全面及合理的汽车EPS 性能评价体系，将为汽车EPS 的性能研究提供更加准确的数据保证。