針對轉(zhuǎn)向器控制閥總成測試主要依靠人工獲取助力特性曲線的不足，基于LabVIEW軟件編程環(huán)境，結(jié)合虛擬儀器技術(shù)和伺服控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了控制閥總成助力特性測試系統(tǒng)的自動化.該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、操作簡單、測試精度高。

　　作為汽車轉(zhuǎn)向系的關(guān)鍵部件，汽車轉(zhuǎn)向器性能的好壞直接影響到整個汽車的安全性。助力特性曲線是檢測轉(zhuǎn)向器控制閥總成的必檢項(xiàng)目之一，并被用來評測控制閥性能的好壞。國內(nèi)傳統(tǒng)的測試手段是測試人員在轉(zhuǎn)向器的輸入軸上模擬方向盤操作，通過施加連貫的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動來獲取助力特性曲線進(jìn)而判斷轉(zhuǎn)向器性能的好壞。操作人員勞動強(qiáng)度大、效率低，且同一個工件由不同的工人操作所得到的數(shù)據(jù)有差異，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為即數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較差。

　　本文通過使用通用數(shù)據(jù)采集卡和運(yùn)動控制卡，結(jié)合伺服電機(jī)和壓力、扭矩等傳感器，基于LabVIEW軟件環(huán)境搭建了轉(zhuǎn)向器助力特性自動測試系統(tǒng)，以伺服電機(jī)取代人工操作，使獲得的特性曲線數(shù)據(jù)更加客觀、準(zhǔn)確。

1、系統(tǒng)的搭建

　　參考汽車轉(zhuǎn)向器總成臺架試驗(yàn)方法，本測試系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向器輸入扭矩與系統(tǒng)油壓的特性曲線的測試與采集任務(wù)。根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能的要求，系統(tǒng)硬件的組成如圖1所示：

圖1 測試系統(tǒng)的硬件組成

　　1.1、硬件結(jié)構(gòu)

　　1.1.1、運(yùn)動控制硬件組成

　　該結(jié)構(gòu)主要由伺服電機(jī)和運(yùn)動控制卡組成。伺服電機(jī)采用日本松下中慣量的MDMA302A1G交流伺服電機(jī)以及其配帶的驅(qū)動器；運(yùn)動控制卡采用樂創(chuàng)公司生產(chǎn)的MPC2810，主接口為PCI。MPC2810配備了功能強(qiáng)大、內(nèi)容豐富的Windows驅(qū)動程序、DLL函數(shù)庫，通過LabVIEW的CallLibraryFunction功能模板調(diào)用DLL函數(shù)庫，可以生成具有相同功能的LabVIEW接口。板卡提供2種運(yùn)動模式：批處理運(yùn)動和立即運(yùn)動。本系統(tǒng)采用立即運(yùn)動模式，脈沖輸出頻率最大為2´106Hz，最小頻率為0.2Hz，脈沖計數(shù)器范圍為32位符號數(shù)，所有輸入/輸出數(shù)字量均采用光電隔離，確保板卡的抗干擾性，并采用單軸數(shù)字式伺服控制。

　　1.1.2、數(shù)據(jù)采集硬件組成

　　將基于PCI總線的PCI8613數(shù)據(jù)采集卡置于工控機(jī)內(nèi)的任一PCI插槽，以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)處理。系統(tǒng)具有12位AD轉(zhuǎn)換精度，采樣頻率最高可達(dá)1´105Hz，AD轉(zhuǎn)換時間≤10μs，非線性誤差為±1LSB(最大)。本系統(tǒng)采用3路差分模擬量輸入，AD量程設(shè)置為±5V，采用頻率設(shè)為1´104Hz。

　　1.2、軟件平臺

　　軟件編程環(huán)境采用LabVIEW圖形化編程語言，提供程序框圖，并可方便地創(chuàng)建用戶界面。LabVIEW可以方便地調(diào)用數(shù)據(jù)采集卡和運(yùn)動控制卡提供的設(shè)備驅(qū)動DLL，并轉(zhuǎn)換成可用的函數(shù)控件，是一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。

　　根據(jù)轉(zhuǎn)向器助力特性曲線測試系統(tǒng)的功能需求，軟件框圖如圖2所示，本測試系統(tǒng)程序包括信號的采集與處理、伺服電機(jī)的運(yùn)動控制、助力特性曲線顯示等。

圖2 測試系統(tǒng)的軟件框圖

2、主要功能模塊

　　2.1、運(yùn)動控制模塊

　　在運(yùn)動控制模塊中，伺服電機(jī)是轉(zhuǎn)向軸輸入端的驅(qū)動部分。程序通過運(yùn)動控制卡MPC2810控制伺服系統(tǒng)。伺服電機(jī)采用位置控制模式，即電機(jī)的角度位移是根據(jù)脈沖的數(shù)量決定的；而電機(jī)的角速度是根據(jù)脈沖的頻率決定的。因此，需要根據(jù)要求的速度和位置，設(shè)置脈沖的數(shù)量和頻率，具體驅(qū)動如下：

　　1)首先調(diào)用auto_set(void)，對板卡自動檢測和自動設(shè)置；

　　2)接著調(diào)用init_borar(void)，對控制卡硬件和軟件初始化，默認(rèn)狀態(tài)下各軸的脈沖輸出模式為脈沖/方向，此處采用默認(rèn)方式；

　　3)利用set_maxspeed(intch，doublespeed)函數(shù)設(shè)定每個軸需要達(dá)到的最大輸出脈沖頻率，用來決定對應(yīng)軸的最大角速度；

　　4)采用單軸點(diǎn)位運(yùn)動中的常速模式，即被控軸以各自的速度分別移動指定的距離，到達(dá)目標(biāo)位置時自動停止；

　　5)對位置以及速度進(jìn)行設(shè)置，分別調(diào)用con_pmove(intch，longstep)和set_conspeed(intch，doubleconspeed)實(shí)現(xiàn)對位置和速度的設(shè)定。另外，con_pmove(intch，longstep)中的step是有正負(fù)的，正表示順時針，負(fù)則為逆時針。

　　電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，可通過check_done(intch)來查詢一個軸是否完成指定的動作。同時，可通過sudden_stop(intch)來制動一個運(yùn)動軸以及調(diào)用get_rel_pos(intch，long*pos)實(shí)時獲知運(yùn)動軸的絕對位置值，位置量通過*Pos參數(shù)返回。

　　2.2、信號的采集與處理

　　為了有效抑制共模干擾信號提高采樣精度，系統(tǒng)采用如圖3所示的模擬電壓雙端輸入方式，模擬輸入信號正端接AI0～AI7端，模擬輸入信號負(fù)端接AI8～AI15端，現(xiàn)場設(shè)備與PCI8613板共用模擬地AGND。

圖3 模擬電壓雙端輸入連接方式

　　選定物理連接方式后，開始采集信號。PCI8613數(shù)據(jù)采集卡查詢AD數(shù)據(jù)方式有：非空查詢方式、半滿查詢方式、DMA直接內(nèi)存方式、中斷方式，每種方式都有對應(yīng)的函數(shù)。考慮到實(shí)時性，本系統(tǒng)采用非空查詢方式讀取緩存區(qū)的AD數(shù)據(jù)，通過調(diào)用ReadDeviceProAD_Npt()讀取采集到的數(shù)據(jù)，需要說明的是，在LabVIEW創(chuàng)建一個數(shù)組作為輸入?yún)��?shù)，用于存儲數(shù)據(jù)采集卡緩存中的數(shù)據(jù)，在創(chuàng)建時需要指定數(shù)組的大小，稱為采樣點(diǎn)數(shù)。

　　采集到的數(shù)據(jù)要根據(jù)選定的模擬輸入量程進(jìn)行相應(yīng)的換算處理，模擬量輸入量程設(shè)定為±5V，需要通過碼值換算公式將原碼數(shù)據(jù)換算成電壓值：Volt=(10000/4096)´(ADBuffer[0]&0xFFF)-5000。具體程序?qū)崿F(xiàn)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集模塊

　　從圖4可看到最終采集后的數(shù)據(jù)存放在Data變量中。把上述程序?qū)崿F(xiàn)的數(shù)據(jù)采集功能封裝成一個數(shù)據(jù)采集子vi程序，可便于被數(shù)據(jù)處理模塊等上層應(yīng)用調(diào)用。

　　完成數(shù)據(jù)的采集后，通過調(diào)用圖4的數(shù)據(jù)采集模塊，產(chǎn)生如圖5所示的數(shù)據(jù)處理模塊。從傳感器等硬件設(shè)備到工控機(jī)數(shù)據(jù)采集卡的模擬量輸入通道之間一般會有一段距離，信號的傳輸途中不可避免地會混入各種干擾信號。對于這些隨機(jī)產(chǎn)生的干擾，常采用RC濾波器過濾。但針對頻率很低的噪聲，RC濾波器濾波性能很差。鑒于此，本系統(tǒng)使用數(shù)字濾波方法，通過軟件算法來實(shí)現(xiàn)濾波功能，即使用算術(shù)平均濾波來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，去掉一個最大值和一個最小值后取平均值的方法，此程序算法的具體實(shí)現(xiàn)被封裝于圖5中的SUB_數(shù)據(jù)簡單處理。vi中，完成濾波處理后的數(shù)據(jù)要轉(zhuǎn)化成顯示在人機(jī)界面上的物理量。

圖5 數(shù)據(jù)處理模塊

　　另外需要說明的是圖5中的k0～k2和b0～b2是傳感器校正參數(shù)，是在數(shù)據(jù)采集之前，對各個傳感器進(jìn)行校正歸零的過程中得到的。

3、助力特性曲線自動測試實(shí)現(xiàn)

　　完成信號采集處理模塊和運(yùn)動控制模塊的后，通過對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算比較來控制電機(jī)的運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向器控制閥總成助力特性的測試系統(tǒng)的自動化。

　　3.1、助力特性曲線的實(shí)現(xiàn)

　　通過組織上述的底層模塊，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)動控制，輸出助力特性曲線。電機(jī)的運(yùn)動過程，如圖6所示，可分為起點(diǎn)到左極限，左極限到起點(diǎn)，起點(diǎn)到右極限，右極限到起點(diǎn)4個階段。其中第1階段和第3階段是特性曲線的上升過程，此時電機(jī)的角速度設(shè)置為w1，左右極限點(diǎn)處電機(jī)反向時的臨界參數(shù)取臨界最大油壓值，此外出于安全考慮還設(shè)有臨界最大扭矩值，防止損壞扭矩傳感器；第2階段和第4階段屬于曲線的下落階段，電機(jī)角速度設(shè)為w2(大于w1)。

圖6 助力曲線的4個階段

　　通過調(diào)用MPC2810運(yùn)動控制卡和PCI8613數(shù)據(jù)采集卡提供的DLL動態(tài)庫，曲線顯示部分程序如圖7所示。

圖7 助力特性曲線顯示模塊

　　3.2、人機(jī)測試界面

　　本測試系統(tǒng)界面友好，可以方便地對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和修改，同時可實(shí)時顯示測量數(shù)據(jù)，繪制助力特性曲線，給出測量結(jié)果。

　　人機(jī)界面如圖8所示，主要分為數(shù)據(jù)設(shè)置模塊、功能選擇模塊、數(shù)據(jù)圖形顯示模塊和運(yùn)動狀態(tài)指示模塊等4個部分。

圖8 人機(jī)界面

4、結(jié)論

　　本測試系統(tǒng)在完成對傳感器數(shù)據(jù)采集處理以及電機(jī)運(yùn)動控制功能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對轉(zhuǎn)向器控制閥總成助力特性的測試，解決了以往控制閥總成在測試過程中人為影響因素大、精度低的缺點(diǎn)，測試所獲數(shù)據(jù)更可靠，可以更好滿足汽車行業(yè)對轉(zhuǎn)向器性能測試的需要。本系統(tǒng)已應(yīng)用于實(shí)際的轉(zhuǎn)向器控制閥總成生產(chǎn)測試環(huán)節(jié)，具有良好的應(yīng)用價值。