專利名稱：一種交流電動助力轉向系統(tǒng)的實驗臺架的制作方法
技術領域：
—種交流電動助力轉向系統(tǒng)的實驗臺架屬于汽車零部件領域。
背景技術：
車輛轉向系統(tǒng)是車輛至關重要的部件，它的性能直接關系到車輛行駛的安全性及 舒適性，所以任何一種轉向系統(tǒng)(機械轉向系統(tǒng)、液壓助力轉向系統(tǒng)、電動助力轉向系統(tǒng)) 從開始研發(fā)到大規(guī)模裝車應用都要經(jīng)過原理設計、臺架實驗、裝車實驗、修改完善四個階 段，開發(fā)周期要長達十年左右。如果臺架試驗做得好可部分替代裝車實驗和修改完善階段 的工作，進而節(jié)約試驗成本、縮短開發(fā)周期。要實現(xiàn)以上目的必須設計一個功能齊全、可模 擬實際工況的實驗臺架。 工況模擬、算法實現(xiàn)和數(shù)據(jù)采集是實驗臺架的三大功能，也是評價一個實驗臺架 性能優(yōu)劣的關鍵指標。對于電動助力轉向系統(tǒng)來講工礦模擬部分要能真實模擬車輛轉向過 程中轉向系統(tǒng)所受的路面阻力，而且阻力大小能實時可調。經(jīng)過綜合比較，液壓系統(tǒng)能保證 實時性和是實現(xiàn)大阻力模擬，而且和剎車盤系統(tǒng)結合后能滿足工藝要求。算法實現(xiàn)部分要 能滿足算法實現(xiàn)所需的計算機硬件、軟件要求，要能保證算法實時性要求。經(jīng)過對比，采用 工控計算機來實現(xiàn)算法的實施和參數(shù)的修改。數(shù)據(jù)采集部分要能實時、快速的采集實驗數(shù) 據(jù)和工況數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)采集的實時性和多傳感器數(shù)據(jù)采集的要求，采用多路高速數(shù)據(jù) 采集卡作為數(shù)據(jù)采集部分的最前端，而后數(shù)據(jù)按規(guī)定的格式存儲到工控機中，這樣既可以 滿足數(shù)據(jù)采集的要求。也可以存儲海量數(shù)據(jù)。 本發(fā)明就設計了一個交流電動助力轉向系統(tǒng)的實驗臺架，可進行電動助力轉向系 統(tǒng)控制方案的臺架實驗，為第三階段的裝車實驗做準備。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于模擬電機直接驅動結構，可以模擬多種工況下的實驗數(shù)據(jù)采 集，提高臺架和真實情況盡可能相近。 交流電動助力轉向系統(tǒng)(AEPS)實驗臺架結構如圖1所示，系統(tǒng)由五個部分組成
1)機械轉向包括方向盤1、轉向軸(輸入軸2、輸出軸9); 2)路面阻力模擬部分采用桑塔納轎車的剎車系統(tǒng)來模擬路面阻力，包括剎車 片、摩擦片6、液壓站7，通過計算機控制液壓系統(tǒng)壓力來實現(xiàn)剎車片和摩擦片之間壓力的 調整，進而調整轉向阻力的大小，實現(xiàn)對各種工況的模擬； 3)系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5 :系統(tǒng)控制分為為對電機輸出轉矩的給定控制和對 模擬路面阻力的控制，系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5實時把相關工況信息收集起來，為驗證 方案可行性、調整系統(tǒng)參數(shù)提供依據(jù)； 4)交流轉矩伺服系統(tǒng)10 :基于三相鼠籠電機的交流轉矩伺服系統(tǒng)接受系統(tǒng)控制 與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5的輸出轉矩指令，控制轉矩輸出，實現(xiàn)助力； 5)多傳感器系統(tǒng)多傳感器系統(tǒng)包括轉角傳感器3轉矩傳感器4和8，此外，還包括兩個虛擬傳感器車速傳感器(給定)和側向加速度傳感器(計算出)。 其中，方向盤1與轉向輸入軸2相連，轉向輸入軸2上裝有轉矩傳感器4，轉向輸入
軸2同時和剎車盤6相連，剎車盤6和轉向輸出軸9相連，摩擦片8與液壓站7相連，轉向
輸出軸9上裝有轉矩傳感器4、轉角傳感器3，同時和齒帶傳動系統(tǒng)11相連，齒帶傳動系統(tǒng)
11和交流轉矩伺服系統(tǒng)10相連。系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5與轉矩傳感器4、轉角傳感器
3相連，同時和液壓站7和交流轉矩伺服系統(tǒng)10相連。 交流電動助力轉向系統(tǒng)(AEPS)實驗臺架主要工作原理如下 1)路面阻力轉矩模擬由電動助力轉向系統(tǒng)線性化模型知當輪胎彈性系數(shù)和粘
性系數(shù)確定的情況下路面阻力轉矩取決于方向盤的轉角和轉速。當轉動方向盤l時轉角傳
感器3不斷測出轉向軸上的轉角的大小和方向，并將信號送到控制器，控制器根據(jù)車況信
息和實驗者給定的車輛轉向模型輸出信號給液壓系統(tǒng)調整系統(tǒng)阻力的大?。?2)助力實現(xiàn)控制器根據(jù)車況信息和電機輸出轉矩控制方案調整轉矩伺服系統(tǒng)
輸出轉矩的給定，電機輸出轉矩通過齒型帶傳給轉向軸，實現(xiàn)助力； 3)數(shù)據(jù)采集轉矩傳感器4、轉矩傳感器8、轉角傳感器3以及車速和側向加速度 信息都通過數(shù)據(jù)采集程序和采集卡被采集到計算機內。
本發(fā)明的優(yōu)點如下 1)路面阻力模擬實時可調可根據(jù)實驗者提供的車輛轉向模型模擬用于多種車 型的交流電動助力轉向系統(tǒng)； 2)助力算法實時可調可驗證實驗者提供的多種助力轉向系統(tǒng)的助力算法；
3)實驗數(shù)據(jù)的種類、數(shù)量可調可根據(jù)實驗者的需求調整采集數(shù)據(jù)的種類和數(shù)


圖1、交流電動助力轉向系統(tǒng)實驗臺架結構示意圖，圖中1、方向盤，2、轉向軸(輸 入軸)，3、轉角傳感器，4、轉矩傳感器，5、系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，6、剎車盤，7、液壓站，8、 摩擦片，9、轉向軸(輸出軸)，10、交流轉矩伺服系統(tǒng)(三相鼠籠電機)，11、齒型帶
圖2、路面阻力轉矩模擬過程示意圖
圖3、助力控制過程示意圖
圖4、數(shù)據(jù)采集過程示意圖
圖5、實驗結果
具體實施例方式
1)方向盤選用老式桑塔納轎車的方向盤，半徑為15cm。 2)轉矩傳感器選用中國航天科技集團第701研究所生產(chǎn)的AKC-205型扭矩傳感
器，量程為0-50N m，輸出信號為-5-+5V。 3)轉角傳感器選用日本進口的光碼盤，800。 4)剎車系統(tǒng)選用老式桑塔納轎車的剎車系統(tǒng)，包括剎車盤和摩擦片。
5)液壓站自行設計液壓站，采用180W電機。 6)電液比例控制器調節(jié)剎車系統(tǒng)壓力大小采用國產(chǎn)的VT02000BK40型電液比例控制器，控制電壓為-9V-+9V,可以手動控制也可自動控制。
7)三相鼠籠電機選用日本生產(chǎn)的220V，750W變頻電機。 8)交流轉矩伺服控制器選用第二章介紹的由余達太教授領導的課題組開發(fā)的 交流伺服開放式平臺(控制器選用32位專用單片機、功率模塊選用IPM，以上器件由三菱半 導體生產(chǎn))，筆者在此基礎上實現(xiàn)了對三相鼠籠電機轉矩伺服控制。 9)齒型帶為降低成本(選用普通電機)、增加靈活性這里采用齒型帶連接電機輸 出軸和轉向軸，模擬電機軸和轉向軸一體式結構。齒型帶選用浙江生產(chǎn)的高強度類型。
10)計算機計算機是實現(xiàn)最佳助力轉矩運算、阻力模擬計算、數(shù)據(jù)采集的關鍵， 這里選用抗干擾性強的研華公司生產(chǎn)的ADVANTECH工業(yè)控制計算機。 11)數(shù)據(jù)采集卡(A/D):數(shù)據(jù)采集卡選用中泰計算機研究所生產(chǎn)的PC-6310D模入 接口卡，輸入信號范圍0V-10V或-5￥-+5￥，可同時采集單端輸入32路或雙端輸入16路信 號。 12)數(shù)據(jù)輸出卡(D/A):選用研華公司提供的PCL-728型2路模出卡，可實 現(xiàn)-5-+5V或0-10V電壓信號輸出，或0-20mA或4-20mA電流輸出。
路面阻力轉矩模擬 路面阻力轉矩模擬過程如圖2所示，當轉動方向盤時轉向輸出軸上的轉角傳感器 檢測到方向盤的轉角(轉速)信息，計算機通過數(shù)據(jù)采集卡把轉角(轉速)信息采集到計 算機中，根據(jù)路面阻力模型給出電液比例控制器的控制輸入值，電液比例控制器根據(jù)此值 控制液壓站傳輸?shù)絼x車系統(tǒng)的液壓壓力，調整剎車盤和摩擦片之間的壓緊力，模擬路面阻 力轉矩，可在0-300N m之間調整。 這種結構可以通過不同路面阻力模型的設定模擬不同的路面阻力，調整起來只需
改變軟件結構及調整參數(shù)而不需要動硬件結構，所以非常靈活、方便。 助力控制 助力控制過程如圖3所示 當實驗者轉動方向盤時轉向輸入軸上的轉矩傳感器4、轉向輸出軸上的轉角傳感 器3的信息通過數(shù)據(jù)采集卡傳到工控機中，同時車速、側向加速度(計算得到)信息也通過 數(shù)據(jù)采集卡傳到工控機中，工控機根據(jù)預先設定的控制方案得到電機輸出轉矩的給定值， 通過數(shù)據(jù)輸出卡把給定值傳給交流轉矩伺服系統(tǒng)，交流轉矩伺服系統(tǒng)輸出的轉矩通過齒型 帶加到轉向輸出軸上，從而實現(xiàn)助力。 這種結構可實現(xiàn)多種助力控制方案的臺架實驗，如果在模擬大型車輛時如果電機 輸出轉矩不夠的情況下只需更換一下齒帶和配套齒輪改變一下傳動比即可，如果模擬電機 軸和轉向軸一體式結構則把傳動比調整到l:l就可以了。
數(shù)據(jù)采集 在轉向實驗過程中，數(shù)據(jù)采集模塊通過數(shù)據(jù)采集卡實時把各個傳感器信息收集起 來，存儲到不同的數(shù)據(jù)文件中，為提高響應速度，采用C語言實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。分析數(shù)據(jù)結果 時用Matlab命令調用相關數(shù)據(jù)文件繪制出曲線圖。
初步實驗結果及分析 為了使實驗結果更明顯，設定實驗條件如下 1)給剎車系統(tǒng)適當、固定不變的壓力。消除了路面阻力轉矩模擬系統(tǒng)對結果的影
5響。 2)勻速正反轉動方向盤。目的是消除方向盤慣性的影響使轉矩傳感器4的檢測結 果等于操舵力矩。 3)設定電機輸出轉矩1 : 1跟隨轉矩傳感器4的檢測結果(操舵力矩)。 4)用系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5實時檢測、記錄操舵力矩和電機輸出轉矩的值，
采樣周期為5ms。 實驗結果如圖5所示，從實驗結果可看出 1)基于三相鼠籠電機的電動助力轉向系統(tǒng)是可行的，電機輸出轉矩能很好的跟隨 操舵力矩。 2)在每個轉動周期開始時有一定的跟隨誤差，這與傳感器及系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)5的響應速度有關，也和齒帶有一定彈性有關，下一步研究可以在控制算法上努力以 進一步提高系統(tǒng)性能。
權利要求
一種交流電動助力轉向系統(tǒng)的實驗臺架，其特征在于臺架由機械轉向部分，路面阻力模擬部分，系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(5)，交流轉矩伺服系統(tǒng)(10)、齒帶傳動系統(tǒng)(11)和傳感器系統(tǒng)組成；機械轉向部分包括方向盤(1)、轉向輸入軸(2)、轉向輸出軸(9)；路面阻力模擬部分包括剎車盤(6)、液壓站(7)、摩擦片(8)；傳感器系統(tǒng)包括轉角傳感器(3)和轉矩傳感器(4)；方向盤(1)與轉向輸入軸(2)相連，轉向輸入軸(2)上裝有轉矩傳感器(4)，轉向輸入軸(2)和剎車片(6)相連，剎車盤(6)和轉向輸出軸(9)相連，摩擦片(8)與液壓站(7)相連，轉向輸出軸(9)上裝有轉矩傳感器(4)、轉角傳感器(3)，同時和齒帶傳動系統(tǒng)(11)相連，齒帶傳動系統(tǒng)(11)和交流轉矩伺服系統(tǒng)(10)相連，系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(5)與轉矩傳感器(4)、轉角傳感器(3)相連，同時和液壓站(7)和交流轉矩伺服系統(tǒng)(10)相連。
2. 如權利要求1所述的實驗臺架，其特征在于所述的路面阻力模擬部分通過系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(5)控制液壓站(7)壓力來實現(xiàn)對剎車盤(6)與摩擦片(8)之間壓力的調整，進而調整轉向阻力的大小，實現(xiàn)對各種工況的模擬。
3. 如權利要求l所述的實驗臺架，其特征在于所述的系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(5)分為為對電機輸出轉矩和對模擬路面阻力的進行控制，并實時把相關工況信息收集起來，為驗證方案可行性、調整系統(tǒng)參數(shù)提供依據(jù)。
4. 如權利要求1所述的實驗臺架，其特征在于所述的交流轉矩伺服系統(tǒng)(10)是采用基于三相鼠籠電機的交流轉矩伺服系統(tǒng)，接受系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(5)的輸出轉矩指令，控制轉矩輸出，實現(xiàn)助力。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種交流電動助力轉向系統(tǒng)的實驗臺架，應用于汽車零部件領域。車輛電動助力轉向系統(tǒng)從開始研發(fā)都要經(jīng)過長時間的臺架實驗，檢驗控制算法的可行性，經(jīng)過臺架試驗后才可進行裝車實驗。本發(fā)明設計了一個用于交流電動助力轉向系統(tǒng)的實驗臺架，可進行電動助力轉向系統(tǒng)控制方案的臺架實驗，實驗結果為下階段的裝車實驗做準備。應用本實驗臺架可進行阻力模擬、控制算法實施效果模擬等，通過臺架試驗可大大減少裝車實驗的工作量，進而節(jié)約開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期。
文檔編號G01M17/06GK101726421SQ20091024127
公開日2010年6月9日 申請日期2009年11月27日 優(yōu)先權日2009年11月27日
發(fā)明者余達太, 張衛(wèi)冬 申請人:北京科技大學