・316・计算机测量与控制.2007.15(3) Computer Measurement &Control 自动化测试中华测控网收稿日期:2006-05-06; 修回日期:2006-06-19。
基金项目:重庆市教委基金资助项目(040408)。
作者简介:李 伟(1965-),重庆人,教授,博士后,主要从事汽车电子控制方向的研究。
文章编号:1671-4598(2007)03-0316-03 中图分类号:TP274;U46314 文献标识码:B汽车电动助力转向虚拟测试系统研究李 伟,张德明(重庆交通大学机电与汽车工程学院,重庆 400074)摘要:汽车电动助力转向是一种利用电动机直接为汽车转向系统提供助力的高新技术,代表着未来汽车动力转向技术的发展方向;从而迫切需要一种方便、快捷的EPS 系统测试仪器,而传统的测试系统在便捷性、可靠性、可扩展性方面都具有一定的局限;针对这种情况,文中应用目前最流行的虚拟仪器软件开发平台LabVIEW 软件开发汽车电动助力转向系统虚拟测试仪器;考虑到LabVIEW 软件不直接支持第三方数据采集卡的背景,提出了基于LabV IEW 软件的单片机、PC 机串口通信的测试方案,并成功开发了该虚拟测试系统;测试结果表明,该测试系统具有操作简便、工作可靠、开发成本低等优点,对相关虚拟测试系统的开发具有一定的借鉴价值。
关键词:电动助力转向;LabV IEW ;串口通信;虚拟测试R esearch on Virtual test System of Automobile Electric Pow er SteeringLi Wei ,Zhang Deming(College of Machine -Electronic and Automobile Engineering ,Chongqing Jiaotong University ,Chongqing 400074,China )Abstract :Automobile electric power steering (EPS )is one superior technique which supplies power to steering system of automobile wit h motor directly 1it has become one sign of fut ure development direction of high technique of automobile 1So ,a convenient and quickly testing inst rument is needed 1While t he current testing instrument s are not so satisfactory ,for t his reason t he virtual test system based on LabVIEW software is developed 1Under t he grounds t hat LabVIEW can not directly support data acquisition board of t hird party 1a test plan t hrough serial communication between single board and PC wit h LabVIEW is presented 1Some functions of automobile elect ric power steering system were tested by t his virt ual testing system ,t he test result showed t he virtual test system has many virtues such as convenient ,stabili 2zation and low expenses 1So ,it has some value of using for reference 1K ey w ords :EPS ;LabVIEW ;series communication ;virtual testing0 引言汽车电动助力转向(Electric power steering 简称EPS )是一种用电动机直接为汽车转向系统提供助力的高新技术,具有传统液力助力转向所不具有的低能耗、环保、高主动安全性等优点,代表着未来汽车电动助力转向技术的发展方向。
目前,国外该项技术趋近成熟,国内则处于研究试验阶段,从而迫切需要一种方便、快捷的EPS 系统测试工具。
而目前所采用的传统测试系统在便捷性、可靠性、可扩展性方面都具有一定的局限,针对这种情况作者在熟悉运用美国国家仪器公司(NI )所开发出的虚拟仪器软件开发平台———LabV IEW 的基础上和在LabV IEW 软件不直接支持第三方数据采集卡的背景下,自制数据采集卡,利用上、下位机通过串口通信的办法,开发出一套高效率的EPS 虚拟测试仪器。
所谓的虚拟仪器,由美国国家仪器公司(N I )于1986年首次提出,就是用户在通用计算机平台上,根据需求定义和设计仪器的测试功能。
虚拟仪器的概念打破了传统仪器由厂家定义,用户无法根据自己的要求而改变其相应功能的工作模式,充分利用了计算机技术来实现和扩展传统测试系统和仪器的功能。
“软件就是仪器”是虚拟仪器概念最简单、也是最本质的表述。
1 测试系统硬件开发111 EPS 工作原理EPS 是一种直接依靠电机提供转向助力的动力转向系统,根据电机布置位置的不同,分为转向轴助力式(Column Type)、小齿轮助力式(Pinion Type )、齿条助力式(Rack Type )3种型式。
但其基本原理是相同的。
其系统结构如图1所示。
图1 电动助力转向系统结构图所谓的EPS 系统就是在原机械转向系统的基础上,增加了车速传感器、转矩转角传感器、电子控制器、电动机及其传动机构,直接利用电动机驱动转向轴提供助力转矩。
转矩转角传感器测量转矩与方向盘转角大小并和车速信号一起送入电子控制器。
控制器根据得到的信号判断是否助力以及助力的方向。
若需要助力,则依照既定的控制策略计算电机助力转矩的大小并输出相应控制信号给驱动电路。
后者提供相应的电压或者电流给电动机。
电动机输出的转矩通过传动机构驱动转向轴第3期李 伟,等;汽车电动助力转向虚拟测试系统研究 ・317・ 中华测控网转动从而实现助力作用。
112 EPS 虚拟测试系统的组成测试系统总体设计图如图2所示,包含两个部分的硬件开发:进行数据处理的上位机(PC 机)和具有数据采集功能的下位机。
PC 机通过串口进行数据传输,检测出方向盘扭矩等数据并显示,达到测试目的。
图2 系统总体设计框图113 通信模块开发通信模块在测试系统中起到将下位机采集到的数据传送给上位机(PC 机)进行数据处理和分析的功用,是上、下位机的联系桥梁。
相对于PCI 、USB 等总线来说,RS -232C 总线接口标准具有简单易学、开发成本低等优点,接口电路如图3所示。
图3 RS232电平转换接口电路图114 电流与扭矩传感器电流传感器:用来测量流过助力电机的电流的大小,是进行反馈控制的关键信号。
测试系统中选用KMC20电流传感器,内置永久磁铁,可检测20A 的电流。
在25℃,10ms 条件下,可通过300A 的瞬间电流。
扭矩传感器:扭矩传感器有接触式与非接触式两种。
接触式扭矩传感器,在转向轴位置加一扭杆,通过测量扭杆的变形得到转矩。
非接触式扭矩传感器,内部有一对磁极环,其原理是:当输入轴与输出轴之间发生相对扭转位移时,磁极环之间的空气间隙发生变化,从而引起电极的电磁感应系数变化,此种扭矩传感器的优点是体积小,精度高,缺点是成本较高。
115 电子控制单元本测试系统选用了一种通用的、较高性价比,带有4路PWM 脉宽调制功能、2路AD 转换器功能的P HIL IPS 公司生产的P HIL IP768单片机。
2 测试系统软件开发目前世界上3个最具代表性的虚拟仪器开发平台是美国N I 公司的LabWindows/CV I 、LabVIEW Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench ———实验室虚拟仪器工程平台)和HP 公司的HP V EE (现在称为Agilent V EE )。
本虚拟测试系统采用目前最流行、功能最强的LabVIEW 软件开发平台。
软件程序部分主要包括串口通信、数字滤波、标定、数据保存、打印、显示等功能模块。
虽然不同的通信协议(串口通信、通用接口总线GPIB 、VXI 等)并不互相兼容,但在Labview 中,V ISA (虚拟软件体系结构)可以非常方便地服务与包含多功能的交叉通信协议的程序编制,用户可以运用V ISA 进行串口通信。
V ISA 库中的串口通讯函数:本文用到的主要的串口通讯函数调用路径为:Functions >>Instrument I/O >>V ISA >>V ISA Ad 2vanced 》In.terface Specific >>Serial 中。
a1V ISA Configure Serial Port 节点(如图4所示)图4 VISA Configure Serial Port 节点该节点主要用于串口的初始化。
主要参数意义如下:V ISA resource name :VISA 资源名称,本文指串口号。
baud rate :波特率,默认为9600。
data bits :一帧信息中的位数,Labview 中允许5、8位数据,默认值为8位。
stop bits :一帧信息中的停止位的位数,可为1位、1位半或2位。
Parity :奇偶校验设置。
可为无校验、奇校验或偶校验。
flow control :该参数数据类型为簇,用于串行通讯中的握手方式。
b 1VISA Read 节点(如图5所示)。
图5 VISA Read 节点该节点为串口读子V I ,为本文中的主要节点,将串口中的数据读出,然后利用LabV IEW 的强大数据处理功能对其进行分析处理。
主要参数意义如下:V ISA resource name 同上。
byte count :用于设置所要读的字符数。
由于LabV IEW 的串行通讯子V1只允许对字符串的读写,因此本文中在进行数据处理时,必须要实现字符串与数字之间的正确转换。
此外,若要读入当前串口中的所有字符,则要执行“V ISA Sytes at Serial Port ”子V I ,用以确定将要读入的确切的字节数,然后将其输出作为V ISARead 节点的输入即可。