一種交流電動助力轉向系統的實驗臺架的製作方法

2023-06-09 10:14:16

專利名稱：一種交流電動助力轉向系統的實驗臺架的製作方法
技術領域：
—種交流電動助力轉向系統的實驗臺架屬於汽車零部件領域。
背景技術：
車輛轉向系統是車輛至關重要的部件，它的性能直接關係到車輛行駛的安全性及 舒適性，所以任何一種轉向系統(機械轉向系統、液壓助力轉向系統、電動助力轉向系統) 從開始研發到大規模裝車應用都要經過原理設計、臺架實驗、裝車實驗、修改完善四個階 段，開發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，進而節約試驗成本、縮短開發周期。要實現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、算法實現和數據採集是實驗臺架的三大功能，也是評價一個實驗臺架 性能優劣的關鍵指標。對於電動助力轉向系統來講工礦模擬部分要能真實模擬車輛轉向過 程中轉向系統所受的路面阻力，而且阻力大小能實時可調。經過綜合比較，液壓系統能保證 實時性和是實現大阻力模擬，而且和剎車盤系統結合後能滿足工藝要求。算法實現部分要 能滿足算法實現所需的計算機硬體、軟體要求，要能保證算法實時性要求。經過對比，採用 工控計算機來實現算法的實施和參數的修改。數據採集部分要能實時、快速的採集實驗數 據和工況數據。為保證數據採集的實時性和多傳感器數據採集的要求，採用多路高速數據 採集卡作為數據採集部分的最前端，而後數據按規定的格式存儲到工控機中，這樣既可以 滿足數據採集的要求。也可以存儲海量數據。 本發明就設計了一個交流電動助力轉向系統的實驗臺架，可進行電動助力轉向系 統控制方案的臺架實驗，為第三階段的裝車實驗做準備。

發明內容
本發明的目的在於模擬電機直接驅動結構，可以模擬多種工況下的實驗數據採 集，提高臺架和真實情況儘可能相近。 交流電動助力轉向系統(AEPS)實驗臺架結構如圖1所示，系統由五個部分組成
1)機械轉向包括方向盤1、轉向軸(輸入軸2、輸出軸9); 2)路面阻力模擬部分採用桑塔納轎車的剎車系統來模擬路面阻力，包括剎車 片、摩擦片6、液壓站7，通過計算機控制液壓系統壓力來實現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，實現對各種工況的模擬； 3)系統控制與數據採集系統5 :系統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，系統控制與數據採集系統5實時把相關工況信息收集起來，為驗證 方案可行性、調整系統參數提供依據； 4)交流轉矩伺服系統10 :基於三相鼠籠電機的交流轉矩伺服系統接受系統控制 與數據採集系統5的輸出轉矩指令，控制轉矩輸出，實現助力； 5)多傳感器系統多傳感器系統包括轉角傳感器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11相連，齒帶傳動系統
11和交流轉矩伺服系統10相連。系統控制與數據採集系統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10相連。 交流電動助力轉向系統(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線性化模型知當輪胎彈性係數和粘
性係數確定的情況下路面阻力轉矩取決於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，並將信號送到控制器，控制器根據車況信
息和實驗者給定的車輛轉向模型輸出信號給液壓系統調整系統阻力的大小； 2)助力實現控制器根據車況信息和電機輸出轉矩控制方案調整轉矩伺服系統
輸出轉矩的給定，電機輸出轉矩通過齒型帶傳給轉向軸，實現助力； 3)數據採集轉矩傳感器4、轉矩傳感器8、轉角傳感器3以及車速和側向加速度 信息都通過數據採集程序和採集卡被採集到計算機內。
本發明的優點如下 1)路面阻力模擬實時可調可根據實驗者提供的車輛轉向模型模擬用於多種車 型的交流電動助力轉向系統； 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的助力算法；
3)實驗數據的種類、數量可調可根據實驗者的需求調整採集數據的種類和數


圖1、交流電動助力轉向系統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、系統控制與數據採集系統，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(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、數據採集過程示意圖
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)剎車系統選用老式桑塔納轎車的剎車系統，包括剎車盤和摩擦片。
5)液壓站自行設計液壓站，採用180W電機。 6)電液比例控制器調節剎車系統壓力大小採用國產的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)，筆者在此基礎上實現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)、增加靈活性這裡採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的高強度類型。
10)計算機計算機是實現最佳助力轉矩運算、阻力模擬計算、數據採集的關鍵， 這裡選用抗幹擾性強的研華公司生產的ADVANTECH工業控制計算機。 11)數據採集卡(A/D):數據採集卡選用中泰計算機研究所生產的PC-6310D模入 接口卡，輸入信號範圍0V-10V或-5￥-+5￥，可同時採集單端輸入32路或雙端輸入16路信 號。 12)數據輸出卡(D/A):選用研華公司提供的PCL-728型2路模出卡，可實 現-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，計算機通過數據採集卡把轉角(轉速)信息採集到計 算機中，根據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此值 控制液壓站傳輸到剎車系統的液壓壓力，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
改變軟體結構及調整參數而不需要動硬體結構，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的信息通過數據採集卡傳到工控機中，同時車速、側向加速度(計算得到)信息也通過 數據採集卡傳到工控機中，工控機根據預先設定的控制方案得到電機輸出轉矩的給定值， 通過數據輸出卡把給定值傳給交流轉矩伺服系統，交流轉矩伺服系統輸出的轉矩通過齒型 帶加到轉向輸出軸上，從而實現助力。 這種結構可實現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。
數據採集 在轉向實驗過程中，數據採集模塊通過數據採集卡實時把各個傳感器信息收集起 來，存儲到不同的數據文件中，為提高響應速度，採用C語言實現數據採集。分析數據結果 時用Matlab命令調用相關數據文件繪製出曲線圖。
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)給剎車系統適當、固定不變的壓力。消除了路面阻力轉矩模擬系統對結果的影
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 果等於操舵力矩。 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)用系統控制與數據採集系統5實時檢測、記錄操舵力矩和電機輸出轉矩的值，
採樣周期為5ms。 實驗結果如圖5所示，從實驗結果可看出 1)基於三相鼠籠電機的電動助力轉向系統是可行的，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，這與傳感器及系統控制與數據採集 系統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 進一步提高系統性能。
權利要求
一種交流電動助力轉向系統的實驗臺架，其特徵在於臺架由機械轉向部分，路面阻力模擬部分，系統控制與數據採集系統(5)，交流轉矩伺服系統(10)、齒帶傳動系統(11)和傳感器系統組成；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(11)相連，齒帶傳動系統(11)和交流轉矩伺服系統(10)相連，系統控制與數據採集系統(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(10)相連。
2. 如權利要求1所述的實驗臺架，其特徵在於所述的路面阻力模擬部分通過系統控制與數據採集系統(5)控制液壓站(7)壓力來實現對剎車盤(6)與摩擦片(8)之間壓力的調整，進而調整轉向阻力的大小，實現對各種工況的模擬。
3. 如權利要求l所述的實驗臺架，其特徵在於所述的系統控制與數據採集系統(5)分為為對電機輸出轉矩和對模擬路面阻力的進行控制，並實時把相關工況信息收集起來，為驗證方案可行性、調整系統參數提供依據。
4. 如權利要求1所述的實驗臺架，其特徵在於所述的交流轉矩伺服系統(10)是採用基於三相鼠籠電機的交流轉矩伺服系統，接受系統控制與數據採集系統(5)的輸出轉矩指令，控制轉矩輸出，實現助力。
全文摘要
本發明提供了一種交流電動助力轉向系統的實驗臺架，應用於汽車零部件領域。車輛電動助力轉向系統從開始研發都要經過長時間的臺架實驗，檢驗控制算法的可行性，經過臺架試驗後才可進行裝車實驗。本發明設計了一個用於交流電動助力轉向系統的實驗臺架，可進行電動助力轉向系統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，進而節約開發成本、縮短開發周期。
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 優先權日2009年11月27日
發明者餘達太, 張衛冬 申請人:北京科技大學