懸掛式汽車電子油門踏板功能測試系統(tǒng)
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)動機管理系統(tǒng)中需要電子油門踏板直接提供電信號。就目前的發(fā)動機技術而言，要達到歐Ⅲ排放標準必須采用電控技術。2007年7月1日，我國已全面實施歐Ⅲ標準，電控發(fā)動機的市場保有量增大，對于電子油門踏板的需求也相應增大。但是，目前國內技術水平比較落后，產品問題較多，要做出好的產品還需要時間，因此，近兩年內，國內客卡車電子油門踏板還將以國外產品為主。為了打破國外產品的壟斷地位，盡快研制出性能穩(wěn)定的國產電子油門踏板，需要對踏板的力特性及電信號特性進行測試并記錄。鑒于此，具有自主知識產權的懸掛式電子油門踏板功能測試系統(tǒng)的研制迫在眉睫。
1 系統(tǒng)總體設計
該懸掛式電子油門踏板測試系統(tǒng)總體上由控制柜加測試工作臺的形式組成，這樣可以方便現場布線，同時在系統(tǒng)出現故障時方便維修。由于不同型號的踏板尺寸不同，運動行程不同，所以在機械設計方面要考慮到方便踏板的安裝和拆卸。在實際應用中，可拆卸的托板將踏板固定在工作臺上，通過絲桿結構調節(jié)踏板與工作臺之間的空間距離，使踏板的安裝和拆卸十分方便。另外由于工作臺機械加工的周期相對較長，所以采取該方式可以在完成機械加工期間對控制柜進行安裝、布線和調試，這樣做大大縮短了系統(tǒng)整體安裝調試的時間，提高了工作效率。實際工作過程中，測試系統(tǒng)中的伺服電機、壓力傳感器以及扭矩傳感器通過機械結構固定在工作臺上，相關信號傳輸線從工作臺連接到控制柜，所有設備電源由控制柜輸出。工控機控制伺服電機轉動，通過機械連接帶動踏板運動，在此運動過程中工控機將采集壓力、扭矩以及踏板電信號，并對整個運動和采集過程進行監(jiān)控。
2 硬件設計
懸掛式電子油門踏板功能測試系統(tǒng)的硬件主要實現以下功能：通過電機提供足夠的動力和扭矩帶動踏板做模擬實際工作情況的運動，在該運動過程中，踏板的力特性被傳感器轉換為電信號，經過調理電路后和踏板的電信號一起被數據采集卡高速同步采集記錄，整個運動過程由運動控制卡控制，并隨時根據傳感器和電機的信號反饋調整運動狀態(tài)。
根據硬件部分所要實現的功能，可以將系統(tǒng)硬件的構成分成三大部分(如圖1所示)：第一部分是動力部分，主要由伺服電機、伺服驅動器和減速機組成，主要負責提供動力和扭矩帶動踏板運動；第二部分是信號調理部分，主要由放大器、信號調理電路和直流穩(wěn)壓電源組成，主要負責對傳感器采集的和踏板本身的原始電信號進行調理轉換；第三部分是數據采集部分，主要由扭矩傳感器、壓力傳感器、運動控制卡和數據采集卡組成，主要負責將力特性轉換為電信號、對所有電信號進行高速同步采集記錄和對整個運動過程實施監(jiān)控。下面將對各個部分做詳細的介紹。
2．1 動力部分
動力部分為整個系統(tǒng)提供足夠的動力和扭矩，以帶動踏板做模擬實際工作的運動。動力部分的硬件設計主要就是對硬件的選取，即對伺服電機和與其對應的伺服驅動器和減速機的選取。根據測試要求，懸掛式電子油門踏板功能測試系統(tǒng)選用了日本安川SGMGH-09ACA61伺服電機配合SGDM-10ADA伺服驅動器，該套產品屬于安川公司(YASKAWA)的∑-Ⅱ系列工業(yè)用伺服驅動系統(tǒng)，主要具有以下優(yōu)點：
(1)縮短了參數設定和維護時間；
(2)采用了高分辨率串行編碼器(16 b，17 b)，提高了定位精度。
在伺服電機和伺服驅動器安裝完畢后，應對伺服驅動單元進行一些基本設定，從而保證伺服驅動器能夠在電機高速運轉的情況下進行準確定位。SGDM系列伺服單元配有自動測量機械特性、設定必要的伺服增益的“在線自動調諧功能”，使用該功能，可以很容易地進行伺服增益調節(jié)。圖2是在線自動調諧的流程圖。在選用合適的伺服電機和伺服驅動器后，還需要選用合適的行星減速機，用來降低轉速、提升扭矩、匹配慣量。結合所選擇的伺服電機和伺服驅動器，本功能測試系統(tǒng)選擇了APEX-AB090-010-S2-P1行星式伺服專用精密減速機。實際的使用結果表明，該型號減速機能夠很好地和所選電機配合，為系統(tǒng)提供了足夠的輸出扭矩，保證了系統(tǒng)正常、穩(wěn)定的運行。
2．2 信號調理部分
懸掛式電子油門踏板功能測試系統(tǒng)硬件的信號調理部分，主要由放大器、信號調理電路和直流穩(wěn)壓電源組成。其中放大器主要負責對壓力傳感器的信號進行放大并為壓力傳感器提供激勵電壓；信號調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換；直流穩(wěn)壓電源主要是根據測試需要為踏板提供0～30 V可調的獨立電源。
對本系統(tǒng)而言，壓力傳感器輸出的信號是毫伏級的，比較難以測量和分辨，同時壓力傳感器需要外接激勵電源，所以必須配以相應的放大器，在放大傳感器信號的同時為壓力傳感器提供激勵電源。懸掛式電子油門踏板功能測試系統(tǒng)選用了德國HBM公司的AE101型測試放大器，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激勵電源，進行簡單的安裝和設置后即可完美地實現所需功能。
懸掛式電子油門踏板功能測試系統(tǒng)的信號調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換。
為了給踏板提供0～30 V的獨立供電，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載變化而進行自動轉換。另外DH1718E具有串聯主從工作功能，在跟蹤狀態(tài)下，從路的輸出電壓隨主路而變化。這對于需要對稱且可調雙極性電源的場合特別適用。圖3為穩(wěn)壓直流電源工作原理圖。
2．3 數據采集部分
懸掛式電子油門踏板功能測試系統(tǒng)的數據采集部分主要由壓力傳感器、扭矩傳感器、運動控制卡和數據采集卡組成。運動控制卡主要負責對電機運轉的監(jiān)控；數據采集卡負責對所有傳感器信號和踏板電信號進行同步高速采集。
懸掛式電子油門踏板功能測試系統(tǒng)需要對電機進行精確的控制，除了選用合適的伺服電機和伺服驅動器外，還需選擇功能強大的運動控制卡。本系統(tǒng)選用了美國NI(國家儀器有限公司)的新型產品PCI-7390運動控制卡，該款運動控制卡可以與安川∑-Ⅱ、三菱MR-J2S以及松下Minas-A等常用的運動電機直接連接，并可與NI視覺和數據采集硬件實現高級的同步功能。對應于選用的運動控制卡，本測試系統(tǒng)選擇了NI公司的PCI-6230M數據采集卡。NI公司的PCI-6230M系列數據采集卡具有8通道16位輸入，4通道16位模擬輸出，6通道數字輸入和4通道數字輸出。該板卡使用基于芯片變壓器的數字隔離技術，以獲得更好的信號帶寬。
3 軟件設計
3．1 主控制軟件
懸掛式電子油門踏板的主控軟件采用了NI公司的LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺進行編寫，主要由四個部分構成，分別是示教部分，主要負責更換踏板之后的示教過程；運動控制部分，主要負責對伺服電機的精確控制；數據采集部分，在電機帶動踏板運動到指定位置時進行同步高速采集；系統(tǒng)監(jiān)測部分，在整個測試過程中對電機狀況和主控軟件運行狀況進行監(jiān)控。主控軟件的總體流程簡圖如圖4所示。
3．2 數據分析軟件
測試系統(tǒng)的各路信號經主控軟件進行采集后，以文本文檔的形式保存在主控計算機硬盤上，為了對測試數據進行分析，本功能測試系統(tǒng)專門開發(fā)了一套數據分析軟件。數據分析軟件采用Borland公司的Delphi開發(fā)平臺。將數據分析軟件和主控軟件分離的原因是電子油門踏板的設計部門和測試部門都需要對數據進行分析，而且不必在測試現場分析，將數據分析軟件同主控軟件分離可以滿足這一需求。
4 結 語
本懸掛式電子油門踏板功能測試系統(tǒng)主要包括測試工作臺、相關控制和數據采集硬件、主控軟件和數據分析軟件。采用工作臺和控制柜的總體結構方便了系統(tǒng)的調試和維修，將主控軟件和數據分析軟件分離滿足了多個部門需要在現場以外的地方分析測試數據的要求。該系統(tǒng)已經在電子油門生產廠家投入使用，使用結果表明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有良好的應用前景。
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