悬挂式汽车电子油门踏板功能测试系统

0 引 言
    为提高驾驶性能，并满足更高的排放水平要求，新一代的电控发动机管理系统中需要电子油门踏板直接提供电信号。就目前的发动机技术而言，要达到欧Ⅲ排放标准必须采用电控技术。2007年7月1日，我国已全面实施欧Ⅲ标准，电控发动机的市场保有量增大，对于电子油门踏板的需求也相应增大。但是，目前国内技术水平比较落后，产品问题较多，要做出好的产品还需要时间，因此，近两年内，国内客卡车电子油门踏板还将以国外产品为主。为了打破国外产品的垄断地位，尽快研制出性能稳定的国产电子油门踏板，需要对踏板的力特性及电信号特性进行测试并记录。鉴于此，具有自主知识产权的悬挂式电子油门踏板功能测试系统的研制迫在眉睫。

1 系统总体设计
    该悬挂式电子油门踏板测试系统总体上由控制柜加测试工作台的形式组成，这样可以方便现场布线，同时在系统出现故障时方便维修。由于不同型号的踏板尺寸不同，运动行程不同，所以在机械设计方面要考虑到方便踏板的安装和拆卸。在实际应用中，可拆卸的托板将踏板固定在工作台上，通过丝杆结构调节踏板与工作台之间的空间距离，使踏板的安装和拆卸十分方便。另外由于工作台机械加工的周期相对较长，所以采取该方式可以在完成机械加工期间对控制柜进行安装、布线和调试，这样做大大缩短了系统整体安装调试的时间，提高了工作效率。实际工作过程中，测试系统中的伺服电机、压力传感器以及扭矩传感器通过机械结构固定在工作台上，相关信号传输线从工作台连接到控制柜，所有设备电源由控制柜输出。工控机控制伺服电机转动，通过机械连接带动踏板运动，在此运动过程中工控机将采集压力、扭矩以及踏板电信号，并对整个运动和采集过程进行监控。

2 硬件设计
    悬挂式电子油门踏板功能测试系统的硬件主要实现以下功能：通过电机提供足够的动力和扭矩带动踏板做模拟实际工作情况的运动，在该运动过程中，踏板的力特性被传感器转换为电信号，经过调理电路后和踏板的电信号一起被数据采集卡高速同步采集记录，整个运动过程由运动控制卡控制，并随时根据传感器和电机的信号反馈调整运动状态。
    根据硬件部分所要实现的功能，可以将系统硬件的构成分成三大部分(如图1所示)：第一部分是动力部分，主要由伺服电机、伺服驱动器和减速机组成，主要负责提供动力和扭矩带动踏板运动；第二部分是信号调理部分，主要由放大器、信号调理电路和直流稳压电源组成，主要负责对传感器采集的和踏板本身的原始电信号进行调理转换；第三部分是数据采集部分，主要由扭矩传感器、压力传感器、运动控制卡和数据采集卡组成，主要负责将力特性转换为电信号、对所有电信号进行高速同步采集记录和对整个运动过程实施监控。下面将对各个部分做详细的介绍。

2．1 动力部分
    动力部分为整个系统提供足够的动力和扭矩，以带动踏板做模拟实际工作的运动。动力部分的硬件设计主要就是对硬件的选取，即对伺服电机和与其对应的伺服驱动器和减速机的选取。根据测试要求，悬挂式电子油门踏板功能测试系统选用了日本安川SGMGH-09ACA61伺服电机配合SGDM-10ADA伺服驱动器，该套产品属于安川公司(YASKAWA)的∑-Ⅱ系列工业用伺服驱动系统，主要具有以下优点：
    (1)缩短了参数设定和维护时间；
    (2)采用了高分辨率串行编码器(16 b，17 b)，提高了定位精度。
    在伺服电机和伺服驱动器安装完毕后，应对伺服驱动单元进行一些基本设定，从而保证伺服驱动器能够在电机高速运转的情况下进行准确定位。SGDM系列伺服单元配有自动测量机械特性、设定必要的伺服增益的“在线自动调谐功能”，使用该功能，可以很容易地进行伺服增益调节。图2是在线自动调谐的流程图。在选用合适的伺服电机和伺服驱动器后，还需要选用合适的行星减速机，用来降低转速、提升扭矩、匹配惯量。结合所选择的伺服电机和伺服驱动器，本功能测试系统选择了APEX-AB090-010-S2-P1行星式伺服专用精密减速机。实际的使用结果表明，该型号减速机能够很好地和所选电机配合，为系统提供了足够的输出扭矩，保证了系统正常、稳定的运行。

2．2 信号调理部分
    悬挂式电子油门踏板功能测试系统硬件的信号调理部分，主要由放大器、信号调理电路和直流稳压电源组成。其中放大器主要负责对压力传感器的信号进行放大并为压力传感器提供激励电压；信号调理电路主要完成控制柜到压力传感器、扭矩传感器和踏板的接口转换；直流稳压电源主要是根据测试需要为踏板提供0～30 V可调的独立电源。
    对本系统而言，压力传感器输出的信号是毫伏级的，比较难以测量和分辨，同时压力传感器需要外接激励电源，所以必须配以相应的放大器，在放大传感器信号的同时为压力传感器提供激励电源。悬挂式电子油门踏板功能测试系统选用了德国HBM公司的AE101型测试放大器，该放大器可以与所选压力传感器直接相连并为其提供所需的10 V激励电源，进行简单的安装和设置后即可完美地实现所需功能。
    悬挂式电子油门踏板功能测试系统的信号调理电路主要完成从控制柜到压力传感器、扭矩传感器和踏板的接口转换。
    为了给踏板提供0～30 V的独立供电，本系统选用DH1718E-4型双路跟踪稳流稳压电源，具有恒压、恒流工作功能，且这两种模式可随负载变化而进行自动转换。另外DH1718E具有串联主从工作功能，在跟踪状态下，从路的输出电压随主路而变化。这对于需要对称且可调双极性电源的场合特别适用。图3为稳压直流电源工作原理图。

2．3 数据采集部分
    悬挂式电子油门踏板功能测试系统的数据采集部分主要由压力传感器、扭矩传感器、运动控制卡和数据采集卡组成。运动控制卡主要负责对电机运转的监控；数据采集卡负责对所有传感器信号和踏板电信号进行同步高速采集。
    悬挂式电子油门踏板功能测试系统需要对电机进行精确的控制，除了选用合适的伺服电机和伺服驱动器外，还需选择功能强大的运动控制卡。本系统选用了美国NI(国家仪器有限公司)的新型产品PCI-7390运动控制卡，该款运动控制卡可以与安川∑-Ⅱ、三菱MR-J2S以及松下Minas-A等常用的运动电机直接连接，并可与NI视觉和数据采集硬件实现高级的同步功能。对应于选用的运动控制卡，本测试系统选择了NI公司的PCI-6230M数据采集卡。NI公司的PCI-6230M系列数据采集卡具有8通道16位输入，4通道16位模拟输出，6通道数字输入和4通道数字输出。该板卡使用基于芯片变压器的数字隔离技术，以获得更好的信号带宽。

3 软件设计
3．1 主控制软件
    悬挂式电子油门踏板的主控软件采用了NI公司的LabVIEW虚拟仪器开发平台进行编写，主要由四个部分构成，分别是示教部分，主要负责更换踏板之后的示教过程；运动控制部分，主要负责对伺服电机的精确控制；数据采集部分，在电机带动踏板运动到指定位置时进行同步高速采集；系统监测部分，在整个测试过程中对电机状况和主控软件运行状况进行监控。主控软件的总体流程简图如图4所示。

3．2 数据分析软件
    测试系统的各路信号经主控软件进行采集后，以文本文档的形式保存在主控计算机硬盘上，为了对测试数据进行分析，本功能测试系统专门开发了一套数据分析软件。数据分析软件采用Borland公司的Delphi开发平台。将数据分析软件和主控软件分离的原因是电子油门踏板的设计部门和测试部门都需要对数据进行分析，而且不必在测试现场分析，将数据分析软件同主控软件分离可以满足这一需求。

4 结 语
    本悬挂式电子油门踏板功能测试系统主要包括测试工作台、相关控制和数据采集硬件、主控软件和数据分析软件。采用工作台和控制柜的总体结构方便了系统的调试和维修，将主控软件和数据分析软件分离满足了多个部门需要在现场以外的地方分析测试数据的要求。该系统已经在电子油门生产厂家投入使用，使用结果表明系统稳定可靠，具有良好的应用前景。