懸掛式汽車(chē)電子油門(mén)踏板功能測(cè)試系統(tǒng)

0 引 言
    為提高駕駛性能，并滿足更高的排放水平要求，新一代的電控發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)中需要電子油門(mén)踏板直接提供電信號(hào)。就目前的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)而言，要達(dá)到歐Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)必須采用電控技術(shù)。2007年7月1日，我國(guó)已全面實(shí)施歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)，電控發(fā)動(dòng)機(jī)的市場(chǎng)保有量增大，對(duì)于電子油門(mén)踏板的需求也相應(yīng)增大。但是，目前國(guó)內(nèi)技術(shù)水平比較落后，產(chǎn)品問(wèn)題較多，要做出好的產(chǎn)品還需要時(shí)間，因此，近兩年內(nèi)，國(guó)內(nèi)客卡車(chē)電子油門(mén)踏板還將以國(guó)外產(chǎn)品為主。為了打破國(guó)外產(chǎn)品的壟斷地位，盡快研制出性能穩(wěn)定的國(guó)產(chǎn)電子油門(mén)踏板，需要對(duì)踏板的力特性及電信號(hào)特性進(jìn)行測(cè)試并記錄。鑒于此，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的懸掛式電子油門(mén)踏板功能測(cè)試系統(tǒng)的研制迫在眉睫。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    該懸掛式電子油門(mén)踏板測(cè)試系統(tǒng)總體上由控制柜加測(cè)試工作臺(tái)的形式組成，這樣可以方便現(xiàn)場(chǎng)布線，同時(shí)在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)方便維修。由于不同型號(hào)的踏板尺寸不同，運(yùn)動(dòng)行程不同，所以在機(jī)械設(shè)計(jì)方面要考慮到方便踏板的安裝和拆卸。在實(shí)際應(yīng)用中，可拆卸的托板將踏板固定在工作臺(tái)上，通過(guò)絲桿結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)踏板與工作臺(tái)之間的空間距離，使踏板的安裝和拆卸十分方便。另外由于工作臺(tái)機(jī)械加工的周期相對(duì)較長(zhǎng)，所以采取該方式可以在完成機(jī)械加工期間對(duì)控制柜進(jìn)行安裝、布線和調(diào)試，這樣做大大縮短了系統(tǒng)整體安裝調(diào)試的時(shí)間，提高了工作效率。實(shí)際工作過(guò)程中，測(cè)試系統(tǒng)中的伺服電機(jī)、壓力傳感器以及扭矩傳感器通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)固定在工作臺(tái)上，相關(guān)信號(hào)傳輸線從工作臺(tái)連接到控制柜，所有設(shè)備電源由控制柜輸出。工控機(jī)控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)機(jī)械連接帶動(dòng)踏板運(yùn)動(dòng)，在此運(yùn)動(dòng)過(guò)程中工控機(jī)將采集壓力、扭矩以及踏板電信號(hào)，并對(duì)整個(gè)運(yùn)動(dòng)和采集過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。

2 硬件設(shè)計(jì)
    懸掛式電子油門(mén)踏板功能測(cè)試系統(tǒng)的硬件主要實(shí)現(xiàn)以下功能：通過(guò)電機(jī)提供足夠的動(dòng)力和扭矩帶動(dòng)踏板做模擬實(shí)際工作情況的運(yùn)動(dòng)，在該運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，踏板的力特性被傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)調(diào)理電路后和踏板的電信號(hào)一起被數(shù)據(jù)采集卡高速同步采集記錄，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程由運(yùn)動(dòng)控制卡控制，并隨時(shí)根據(jù)傳感器和電機(jī)的信號(hào)反饋調(diào)整運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
    根據(jù)硬件部分所要實(shí)現(xiàn)的功能，可以將系統(tǒng)硬件的構(gòu)成分成三大部分(如圖1所示)：第一部分是動(dòng)力部分，主要由伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器和減速機(jī)組成，主要負(fù)責(zé)提供動(dòng)力和扭矩帶動(dòng)踏板運(yùn)動(dòng)；第二部分是信號(hào)調(diào)理部分，主要由放大器、信號(hào)調(diào)理電路和直流穩(wěn)壓電源組成，主要負(fù)責(zé)對(duì)傳感器采集的和踏板本身的原始電信號(hào)進(jìn)行調(diào)理轉(zhuǎn)換；第三部分是數(shù)據(jù)采集部分，主要由扭矩傳感器、壓力傳感器、運(yùn)動(dòng)控制卡和數(shù)據(jù)采集卡組成，主要負(fù)責(zé)將力特性轉(zhuǎn)換為電信號(hào)、對(duì)所有電信號(hào)進(jìn)行高速同步采集記錄和對(duì)整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程實(shí)施監(jiān)控。下面將對(duì)各個(gè)部分做詳細(xì)的介紹。

2．1 動(dòng)力部分
    動(dòng)力部分為整個(gè)系統(tǒng)提供足夠的動(dòng)力和扭矩，以帶動(dòng)踏板做模擬實(shí)際工作的運(yùn)動(dòng)。動(dòng)力部分的硬件設(shè)計(jì)主要就是對(duì)硬件的選取，即對(duì)伺服電機(jī)和與其對(duì)應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)器和減速機(jī)的選取。根據(jù)測(cè)試要求，懸掛式電子油門(mén)踏板功能測(cè)試系統(tǒng)選用了日本安川SGMGH-09ACA61伺服電機(jī)配合SGDM-10ADA伺服驅(qū)動(dòng)器，該套產(chǎn)品屬于安川公司(YASKAWA)的∑-Ⅱ系列工業(yè)用伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：
    (1)縮短了參數(shù)設(shè)定和維護(hù)時(shí)間；
    (2)采用了高分辨率串行編碼器(16 b，17 b)，提高了定位精度。
    在伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器安裝完畢后，應(yīng)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行一些基本設(shè)定，從而保證伺服驅(qū)動(dòng)器能夠在電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下進(jìn)行準(zhǔn)確定位。SGDM系列伺服單元配有自動(dòng)測(cè)量機(jī)械特性、設(shè)定必要的伺服增益的“在線自動(dòng)調(diào)諧功能”，使用該功能，可以很容易地進(jìn)行伺服增益調(diào)節(jié)。圖2是在線自動(dòng)調(diào)諧的流程圖。在選用合適的伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器后，還需要選用合適的行星減速機(jī)，用來(lái)降低轉(zhuǎn)速、提升扭矩、匹配慣量。結(jié)合所選擇的伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器，本功能測(cè)試系統(tǒng)選擇了APEX-AB090-010-S2-P1行星式伺服專(zhuān)用精密減速機(jī)。實(shí)際的使用結(jié)果表明，該型號(hào)減速機(jī)能夠很好地和所選電機(jī)配合，為系統(tǒng)提供了足夠的輸出扭矩，保證了系統(tǒng)正常、穩(wěn)定的運(yùn)行。

2．2 信號(hào)調(diào)理部分
    懸掛式電子油門(mén)踏板功能測(cè)試系統(tǒng)硬件的信號(hào)調(diào)理部分，主要由放大器、信號(hào)調(diào)理電路和直流穩(wěn)壓電源組成。其中放大器主要負(fù)責(zé)對(duì)壓力傳感器的信號(hào)進(jìn)行放大并為壓力傳感器提供激勵(lì)電壓；信號(hào)調(diào)理電路主要完成控制柜到壓力傳感器、扭矩傳感器和踏板的接口轉(zhuǎn)換；直流穩(wěn)壓電源主要是根據(jù)測(cè)試需要為踏板提供0～30 V可調(diào)的獨(dú)立電源。
    對(duì)本系統(tǒng)而言，壓力傳感器輸出的信號(hào)是毫伏級(jí)的，比較難以測(cè)量和分辨，同時(shí)壓力傳感器需要外接激勵(lì)電源，所以必須配以相應(yīng)的放大器，在放大傳感器信號(hào)的同時(shí)為壓力傳感器提供激勵(lì)電源。懸掛式電子油門(mén)踏板功能測(cè)試系統(tǒng)選用了德國(guó)HBM公司的AE101型測(cè)試放大器，該放大器可以與所選壓力傳感器直接相連并為其提供所需的10 V激勵(lì)電源，進(jìn)行簡(jiǎn)單的安裝和設(shè)置后即可完美地實(shí)現(xiàn)所需功能。
    懸掛式電子油門(mén)踏板功能測(cè)試系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理電路主要完成從控制柜到壓力傳感器、扭矩傳感器和踏板的接口轉(zhuǎn)換。
    為了給踏板提供0～30 V的獨(dú)立供電，本系統(tǒng)選用DH1718E-4型雙路跟蹤穩(wěn)流穩(wěn)壓電源，具有恒壓、恒流工作功能，且這兩種模式可隨負(fù)載變化而進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)換。另外DH1718E具有串聯(lián)主從工作功能，在跟蹤狀態(tài)下，從路的輸出電壓隨主路而變化。這對(duì)于需要對(duì)稱(chēng)且可調(diào)雙極性電源的場(chǎng)合特別適用。圖3為穩(wěn)壓直流電源工作原理圖。

2．3 數(shù)據(jù)采集部分
    懸掛式電子油門(mén)踏板功能測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分主要由壓力傳感器、扭矩傳感器、運(yùn)動(dòng)控制卡和數(shù)據(jù)采集卡組成。運(yùn)動(dòng)控制卡主要負(fù)責(zé)對(duì)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的監(jiān)控；數(shù)據(jù)采集卡負(fù)責(zé)對(duì)所有傳感器信號(hào)和踏板電信號(hào)進(jìn)行同步高速采集。
    懸掛式電子油門(mén)踏板功能測(cè)試系統(tǒng)需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行精確的控制，除了選用合適的伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器外，還需選擇功能強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制卡。本系統(tǒng)選用了美國(guó)NI(國(guó)家儀器有限公司)的新型產(chǎn)品PCI-7390運(yùn)動(dòng)控制卡，該款運(yùn)動(dòng)控制卡可以與安川∑-Ⅱ、三菱MR-J2S以及松下Minas-A等常用的運(yùn)動(dòng)電機(jī)直接連接，并可與NI視覺(jué)和數(shù)據(jù)采集硬件實(shí)現(xiàn)高級(jí)的同步功能。對(duì)應(yīng)于選用的運(yùn)動(dòng)控制卡，本測(cè)試系統(tǒng)選擇了NI公司的PCI-6230M數(shù)據(jù)采集卡。NI公司的PCI-6230M系列數(shù)據(jù)采集卡具有8通道16位輸入，4通道16位模擬輸出，6通道數(shù)字輸入和4通道數(shù)字輸出。該板卡使用基于芯片變壓器的數(shù)字隔離技術(shù)，以獲得更好的信號(hào)帶寬。

3 軟件設(shè)計(jì)
3．1 主控制軟件
    懸掛式電子油門(mén)踏板的主控軟件采用了NI公司的LabVIEW虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行編寫(xiě)，主要由四個(gè)部分構(gòu)成，分別是示教部分，主要負(fù)責(zé)更換踏板之后的示教過(guò)程；運(yùn)動(dòng)控制部分，主要負(fù)責(zé)對(duì)伺服電機(jī)的精確控制；數(shù)據(jù)采集部分，在電機(jī)帶動(dòng)踏板運(yùn)動(dòng)到指定位置時(shí)進(jìn)行同步高速采集；系統(tǒng)監(jiān)測(cè)部分，在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中對(duì)電機(jī)狀況和主控軟件運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控。主控軟件的總體流程簡(jiǎn)圖如圖4所示。

3．2 數(shù)據(jù)分析軟件
    測(cè)試系統(tǒng)的各路信號(hào)經(jīng)主控軟件進(jìn)行采集后，以文本文檔的形式保存在主控計(jì)算機(jī)硬盤(pán)上，為了對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，本功能測(cè)試系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了一套數(shù)據(jù)分析軟件。數(shù)據(jù)分析軟件采用Borland公司的Delphi開(kāi)發(fā)平臺(tái)。將數(shù)據(jù)分析軟件和主控軟件分離的原因是電子油門(mén)踏板的設(shè)計(jì)部門(mén)和測(cè)試部門(mén)都需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，而且不必在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)分析，將數(shù)據(jù)分析軟件同主控軟件分離可以滿足這一需求。

4 結(jié) 語(yǔ)
    本懸掛式電子油門(mén)踏板功能測(cè)試系統(tǒng)主要包括測(cè)試工作臺(tái)、相關(guān)控制和數(shù)據(jù)采集硬件、主控軟件和數(shù)據(jù)分析軟件。采用工作臺(tái)和控制柜的總體結(jié)構(gòu)方便了系統(tǒng)的調(diào)試和維修，將主控軟件和數(shù)據(jù)分析軟件分離滿足了多個(gè)部門(mén)需要在現(xiàn)場(chǎng)以外的地方分析測(cè)試數(shù)據(jù)的要求。該系統(tǒng)已經(jīng)在電子油門(mén)生產(chǎn)廠家投入使用，使用結(jié)果表明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有良好的應(yīng)用前景。