一种汽车电动助力转向系统性能检测系统及其检测方法与流程

本发明属于汽车转向系统性能检测领域，尤其是一种汽车电动助力转向系统性能检测系统及其检测方法。

背景技术：

随着现代科技的飞速发展，汽车助力转向系统的技术也有了很大提升，从液压助力转向系统(hydraulicpowersteering，简称hps)发展到电控液压助力转向系统(electrohydraulicpowersteering，简称ehps)，直至如今，电动助力转向系统(electricpowersteering，缩写eps)成为了研究的热点。相比于传统的机械液压式和电控液压式转向系统，电动助力转向系统具有节约能源、效率高、路感强、结构简单、成本低以及可控性高等显著的优点。

虽然目前电动式助力转向系统并未投入大量工业化生产，市场份额也不是很大，单是由于电动助力转向系统相比于传统转向系统具有明显的优势，很多学者与研究机构正不遗余力的致力于电动助力转向系统的开发研究。电动助力转向系统的研究进展在业内受到了广泛的关注，这给电动助力转向系统的研究带来了很大的动力。电动助力转向系统必将成为未来汽车转向系统的主流，因此，对电动助力转向的研究具有很高的理论价值和经济价值。

在电动助力转向系统的研究中，国内研究水平相较于国外发达国家还有一定的差距。在国内，现有的较为成熟的电动助力转向系统的控制电机电流的算法主要是单独pid控制和模糊控制。单独的pid控制和模糊控制有着明显的缺点，其存在响应速度慢，超调大，系统不平稳等问题；对于反映系统性能的助力性能的绘制，并未有成型的研究方案，不能快速，方便的建立助力性能曲线，这给电动助力转向系统的研究带来了一定的阻力。电动助力转向系统的研究更多的集中于企业内部研究，其研究设备造价昂贵，在学术研究方面需要有更为廉价有效的研究设备取而代之。

技术实现要素：

发明目的：提供一种用于汽车电动助力转向系统性能检测的新型试验台，以解决现有技术存在的上述问题。

技术方案：本发明提供一种汽车电动助力转向系统性能检测系统，包括：电动助力转向系统模块、车辆状态模拟模块以及上位机模块；所述电动助力转向系统模块包括：主控制器、助力转向机构以及信号传感单元，所述主控制器包括：主控制芯片、转矩信号处理电路、车速信号处理电路、电流采样电路、转速信号处理电路、pwm控制器以及h桥驱动电路，所述助力转向机构包括助力电机、离合器、减速机构、转向轴、中间传动轴，所述离合器的两端分别于助力电机和减速机构连接，所述减少机构和转向轴以及中间传动轴连接，所述转向轴和中间传动轴同轴连接，所述信号传感单元包括转矩传感器、车速传感器、电流传感器；所述车辆状态模拟模块包括：用于模拟方向盘转动的伺服电机、用于模拟车速的电动缸以及与中间传动轴连接的转向器；所述上位机模块包括运动控制卡、数据采集仪以及触摸屏模块。

进一步地，所述触摸屏模块包括电动助力转向系统工况控制模块和电动助力转向系统助力性能显示模块。

进一步地，所述上位机模块和电动助力转向系统模块通过数据采集仪建立通讯，所述数据采集仪采集电动助力转向系统返回的数据，通过触摸屏模块显示。

进一步地，所述触摸屏模块的软件设计采用易于设计且稳定性相对较高的mcgs嵌入版组态软件。

进一步地，所述上位机模块采用usb系列的数据采集仪和虚拟仪器开发平台labview软件共同配合完成数据采集的任务

本发明还提供了一种汽车电动助力转向系统性能检测系统的检测方法，包括如下步骤：

步骤1：上位机模块采集运动信号，由采集信号的值反馈给运动控制卡进而控制伺服电机和电动缸运动，伺服电机带动转向轴运动模拟方向盘转动，电动缸加载模拟不同路况的车速；

步骤2：转矩传感器自动采集伺服电机的模拟的方向盘的转角和转矩信号，车速传感器采集电动缸加载模拟不同路况的车速信号；

步骤3：主控制器将转矩传感器和车速传感器采集的信号通过pid控制器计算出助力电机的目标电流，使助力电机输出相应的转向器转动所需的力矩；

步骤4：数据采集仪采集电动助力转向系统返回的数据，通过触摸屏模块显示助力性能曲线。

进一步地，主控制器将转矩传感器和车速传感器采集的信号通过pid控制器计算出助力电机的目标电流，使助力电机输出相应的转向助力，具体过程为：

步骤301：转矩信号处理电路对转矩传感器检测到的转矩信号经过低通滤波处理，车速信号处理电路将车速传感器检测到的车速信号整形成规则的数字信号，转速信号处理电路将发动机转速传感器测得的发动机转速信号整形成规则的数字信号，电流采样电路通过霍尔传感器将电流传感器检测到的电流信号转换为电压信号；

步骤302：主控制芯片通过a/d转换器将转矩信号和车速信号转换成数字形式的信号并通过pid控制器进行模糊pid控制算法处理，计算出助力电机的目标电流的大小，pwm控制器输出目标电流的pwm占空比对目标电流进行脉冲宽度调制；

步骤303：h桥驱动电路对pwm调制后的目标电流进行逆变，控制助力电机转动以输出相应的力矩，使转向轻便。

进一步地，步骤302中的模糊pid控制算法可以用以下函数关系表示：

u＝eor

式中，u为模糊控制量，r为模糊控制规则，e为模糊语言集合，o为模糊运算符号，所述pid控制器为双输入双输出系统，模糊pid控制算法步骤如下：

s1：输入量采集及模糊化处理，电机电流pid控制器经中断采样获得被控量的精确数值，此值与设定的给定值做差，得到信号误差e，误差变化率ec，e和ec经模糊化变成模糊量并通过相应的模糊语言来表示，就得到误差e的模糊语言集合的一个子集e以及误差变化率ec的模糊语言集合的一个子集ec，pid控制器以偏差e和偏差变化率ec作为输入，相应的模糊控制涉及的两个输入是偏差e和偏差变化率ec；

s2：pid控制参数计算机输出以及模糊控制规则设定，pid控制器的主要参数为比例系数kp和积分系数ki，

kp＝kp0+δkp，

ki＝ki0+δki，

式中，kp0是调整前比例系数，δkp是比例系数调整值，ki0是调整前积分系数，δki是积分系数调整值，比例系数kp的作用在于加快系统的响应速度，提高系统调节精度；积分系数ki的作用在于消除系统的稳态误差，设定e、ec和△kp、△ki的模糊控制论域均为{-6、-5、-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4、5、6}，采用七种不同的模糊语言变量进行描述：{负大(nb)、负中(nm)、负小(ns)、零(zo)、正小(ps)、正中(pm)、正大(pb)}，具体如下图表示：

表1

表2

s3：采用加权平均法进行解模糊化处理，输出评估结果，加权平均算法的公式为：

式中，u(i)为模糊值，μ(u(i))为模糊值的隶属度，u0为评估结果。

进一步地，数据采集仪采集电动助力转向系统返回的数据，通过触摸屏模块在人际互动界面上显示助力性能曲线，所述助力性能曲线可以用以下函数表示：

式中，其中i为助力电机的目标电流，imax为助力电机最大工作电流，td为模拟方向盘的伺服电机的输入力矩，k(v)为助力性能曲线的梯度，随车速增加而减小，td0为转向系统开始助力时的模拟方向盘的伺服电机的输入力矩，tdmax为转向系统提供最大助力时的模拟方向盘的伺服电机的输入力矩。

所述助力新能满足如下要求：

(1)当模拟方向盘的伺服电机的输入力矩小于某一特定值(通常为1n·m)时，电动助力转向系统不提供助力，即助力电机的输出力矩为零；

(2)在模拟方向盘的伺服电机的输入力矩处于较小的区域，电动助力转向系统的输出应较小，以保持较好的路感；

(3)在模拟方向盘的伺服电机的输入力矩处于较大的区域，为使转向轻便，助力效果要明显；

(4)在模拟方向盘的伺服电机的输入力矩达到驾驶员体力极限的区域时，应尽可能发挥较大的助力转向效果；

(5)随着车速的增高，助力应减小。

有益效果：本发明采用模糊pid控制算法，解决系统响应时间长，超调量大，转向系统在人工转向操作时汽车运行不平稳的问题；设计上位机模块，便于信号的采集与处理；设计人机交互界面，便于快速准确的得出系统性能检测结果；简化电动助力转向系统的模型，解决搭建该系统造价昂贵，研究经费巨大的难题。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的电动助力转向系统模块结构示意图。

图3是本发明的的主控制器的结构示意图。

图4是本发明的触摸屏模块电动助力转向系统工况控制模块的操作界面图。

图5是本发明的触摸屏模块电动助力转向系统助力性能显示模块的界面图。

图6是本发明的上位机模块的系统初始化程序图。

图7是本发明的上位机模块的主程序流程图。

图8是本发明的上位机模块的车速信号采集流程图。

图9是本发明的上位机模块的转矩信号采集流程图。

图10是本发明的上位机模块的数字滤波流程图。

图11是本发明的硬件结构示意图。

图12是本发明的模糊pid控制算法的流程图。

图13是本发明的模糊pid控制算法框图。

图14是本发明的模糊pid控制算法的隶属度函数图。

附图标记为：电动助力转向系统模块10、主控制器101、主控制芯片1011、转矩信号处理电路1012、车速信号处理电路1013、电流采样电路1014、转速信号处理电路1015、pwm控制器1016、h桥驱动电路1017、助力电机1021、离合器1022、减速机构1023、转向轴1024、中间传动轴1025、转矩传感器1031、车速传感器1032、电流传感器1033、转速传感器1034、上位机模块20、运动控制卡201、数据采集仪202、触摸屏模块203、伺服电机301、电动缸302、转向器303。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

如图1至图3所示，本发明提供一种汽车电动助力转向系统性能检测系统，包括：电动助力转向系统模块10、车辆状态模拟模块以及上位机模块20。

具体的，电动助力转向系统模块10包括：主控制器101、助力转向机构以及信号传感单元，所述主控制器101包括：主控制芯片1011、转矩信号处理电路1012、车速信号处理电路1013、电流采样电路1014、转速信号处理电路1015、pwm控制器1016以及h桥驱动电路1017，所述助力转向机构包括助力电机1021、离合器1022、减速机构1023、转向轴1024、中间传动轴1025，所述离合器1022的两端分别于助力电机1021和减速机构1023连接，所述减少机构和转向轴1024以及中间传动轴1025连接，所述转向轴1024和中间传动轴1025同轴连接，所述信号传感单元包括转矩传感器1031、车速传感器1032、电流传感器1033。本实施例中的主控制芯片1011采用适合于中高档汽车电子控制的16位单片机mc9s12dp256，助力电机1021选用永磁直流电机，同时，由于传感器关系到整个系统的精确性和快速性；转矩传感器1031采用g269，车速传感器1032采用电磁感应式车速传感器。车辆状态模拟模块包括：用于模拟方向盘转动的伺服电机301、用于模拟车速的电动缸302以及与中间传动轴1025连接的转向器303，本实施例中，伺服电机301及其驱动控制器采用松下a5-ii伺服，驱动器型号：mbdkt2510，伺服电机301型号：mhmd042p1u。电机额定电压200-240v，最大额定电流15a，最高转速3000r/min，额定输出400w大惯量。上位机模块20包括运动控制卡201、数据采集仪202以及触摸屏模块203。

如图4至图5所示，触摸屏模块203为人机交互界面，触摸屏模块203的软件设计采用易于设计且稳定性相对较高的mcgs嵌入版组态软件，触摸屏模块203包括电动助力转向系统工况控制模块和电动助力转向系统助力性能显示模块，在工况控制模块的人机交互界面可以调节和设定模拟的发动机转速、车速以及方向盘转向，在助力性能显示模块可以显示电动助力转向系统的助力性能曲线图。

本实施例中，上位机模块20和电动助力转向系统模块10通过数据采集仪202建立通讯连接，数据采集仪202采集电动助力转向系统返回的数据，通过触摸屏模块203显示。本实施方式中，上位机模块20采用usb-can数据采集仪202和虚拟仪器开发平台labview软件共同配合完成数据采集的任务。通过对系统初始化、主程序设计、车速信号采集程序设计、转矩信号采集程序设计、数字滤波程序设计以及模糊pid控制算法的设计完成对上位机模块20的开发，以达到采集数据并配合人机互动界面的建立。

如图6所示，系统初始化流程包括时钟初始化、i/o端口初始化、定时器初始化、a/d初始化、pwm初始化、can初始化、sci初始化、中断初始化以及控制参数初始化。

如图7所示，主程序设计流程包括系统初始化、采集传感器数值、数字滤波、故障检测、can通讯子程序、pid控制程序以及pwm输出。

如图8所示，车速信号采集程序设计流程包括脉冲累加器初始化、周期中断定时初始化、读取脉冲累加计数寄存器以及计算车速。

如图9所示，转矩信号采集程序设计流程包括a/d模块初始化、周期中断定时初始化、定时判断、进入中断、等待a/d转换完成以及读取a/d转换结果。

如图10所示，数字滤波程序设计流程包括a/d转换数值输入数组、冒泡法排序、去掉最大值和最小值以及取剩余平均值。

现针对本发明提供的汽车电动助力转向系统性能检测系统的检测方法进行详细说明，具体方法如下：

首先，利用上位机模块20采集运动信号，由采集信号的值反馈给运动控制卡201进而控制伺服电机301和电动缸302运动，伺服电机301带动转向轴1024运动模拟方向盘转动，电动缸302加载模拟不同路况的车速，方向盘的转动和车速均可以通过触摸屏模块203来控制，同时在触摸屏模块203上还可以设置发动机的转速。

其次，转矩传感器1031自动采集伺服电机301的模拟的方向盘的转角和转矩信号，车速传感器1032采集电动缸302加载模拟不同路况的车速信号，电流传感器1033采集通过助力电机1021的电路的大小。

然后，主控制器101将转矩传感器1031和车速传感器1032采集的信号通过pid控制器计算出助力电机1021的目标电流，使助力电机1021输出相应的转向器303转动所需的力矩。

最后，数据采集仪202采集电动助力转向系统返回的数据，通过触摸屏模块203显示助力性能曲线。

结合图11，针对主控制器101将转矩传感器1031和车速传感器1032采集的信号通过pid控制器计算出助力电机1021的目标电流使助力电机1021输出相应的转向器303转动所需的力矩的过程可以详细描述为：

首先，转矩信号处理电路1012对转矩传感器1031检测到的转矩信号经过低通滤波处理，车速信号处理电路1013将车速传感器1032检测到的车速信号整形成规则的数字信号，转速信号处理电路1015将发动机转速传感器1034测得的发动机转速信号整形成规则的数字信号，电流采样电路1014通过霍尔传感器将电流传感器1033检测到的电流信号转换为电压信号，；

然后，主控制芯片1011通过a/d转换器将转矩信号和车速信号转换成数字形式的信号并通过pid控制器进行模糊pid控制算法处理，计算出助力电机1021的目标电流的大小，pwm控制器1016输出目标电流的pwm占空比对目标电流进行脉冲宽度调制；

最后，h桥驱动电路1017对pwm调制后的目标电流进行逆变，将目标电流从直流电逆变成交流电，控制助力电机1021转动以输出相应的力矩，使转向轻便。

结合图12至图14，本实施例中的模糊pid控制算法可以用以下函数关系表示：u＝eor，式中，u为模糊控制量，r为模糊控制规则，e为模糊语言集合，o为模糊运算符号，模糊语言集合e再和模糊控制规则r(模糊算子)根据推理合成的规则计算出模糊控制量u，所述pid控制器为双输入双输出系统，模糊pid控制算法步骤如下：

s1：输入量采集及模糊化处理，电机电流pid控制器经中断采样获得被控量的精确数值，此值与设定的给定值做差，得到信号误差e，误差变化率ec，由于pid控制器是根据模糊规则计算的，因此输入量在计算之前要模糊化，即输入的误差信号e以及误差变化率ec经模糊化变成模糊量，并通过相应的模糊语言来表示，就得到误差e的模糊语言集合的一个子集e以及误差变化率ec的模糊语言集合的一个子集ec，pid控制器以偏差e和偏差变化率ec作为输入，相应的模糊控制涉及的两个输入是偏差e和偏差变化率ec，；

s2：pid控制参数计算机输出以及模糊控制规则设定，pid控制器的主要参数为比例系数kp和积分系数ki，

kp＝kp0+δkp，

ki＝ki0+δki，

式中，kp0是调整前比例系数，δkp是比例系数调整值，ki0是调整前积分系数，δki是积分系数调整值。比例系数kp的作用在于加快系统的响应速度，提高系统调节精度；积分系数ki的作用在于消除系统的稳态误差，根据以上控制原理设计的模糊控制规则。设定e、ec和△kp、△ki的模糊控制论域均为{-6、-5、-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4、5、6}，采用七种不同的模糊语言变量进行描述：{负大(nb)、负中(nm)、负小(ns)、零(zo)、正小(ps)、正中(pm)、正大(pb)}，具体如下表表示：

表1

表2

s3：采用加权平均法进行解模糊化处理，输出评估结果，加权平均算法的公式为：

式中，u(i)为模糊值，μ(u(i))为模糊值的隶属度，u0为评估结果。

本实施例中，数据采集仪202采集电动助力转向系统返回的数据，通过触摸屏模块203在人际互动界面上显示助力性能曲线，所述助力性能曲线可以用以下函数表示：

式中，其中i为助力电机的目标电流，imax为助力电机最大工作电流，td为模拟方向盘的伺服电机301的输入力矩，k(v)为助力性能曲线的梯度，随车速增加而减小，td0为转向系统开始助力时的模拟方向盘的伺服电机301的输入力矩，tdmax为转向系统提供最大助力时的模拟方向盘的伺服电机301的输入力矩。

所述助力新能满足如下要求：

(1)当模拟方向盘的伺服电机301的输入力矩小于某一特定值(通常为1n·m)时，电动助力转向系统不提供助力，即助力电机1021的输出力矩为零；

(2)在模拟方向盘的伺服电机301的输入力矩处于较小的区域，电动助力转向系统的输出应较小，以保持较好的路感；

(3)在模拟方向盘的伺服电机301的输入力矩处于较大的区域，为使转向轻便，助力效果要明显；

(4)在模拟方向盘的伺服电机301的输入力矩达到驾驶员体力极限的区域时，应尽可能发挥较大的助力转向效果；

(5)随着车速的增高，助力应减小。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。