基于虚拟仪器的汽车转向泵测试系统设计

吴松　张仁杰

摘 要：汽车动力转向泵是汽车转向系统的重要部件， 其应用范围极其广泛。汽车动力转向泵工作性能影响汽车转向系统的操作性与安全性，传统转向泵测试方式是通过人工手动加载实现，效率低下、劳动强度大且难以保证产品质量，在很大程度上制约企业发展。因此，对转向泵的各项指标进行检测与评价，成为制造商与主机厂商非常重视的一项工作。基于虚拟仪器技术，采用PCI-6251数据采集卡与各指标数据传感器，设计一种汽车转向泵测试系统，对转向泵性能参数测试方法进行分析与研究，提出了基于虚拟仪器的汽车转向泵测试方案。

关键词：转向泵；虚拟仪器；PCI-6251；传感器；测试系统

DOI：10.11907/rjdk.171476

中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2017）009-0104-04

Abstract：Automobile power steering pump is an important part of vehicle steering system. Automobile power steering pump work performance affect interoperability and security of the automobile steering system. The traditional way of steering pump test is achieved by manual loading， its efficiency is low， the intensity of labor is heavy， and hard to ensure the quality of products. It restricted the development of the enterprise in some way. Therefore， the test and evaluation of various indicators of steering pump have become a very important work for manufacturers and enterprises. Based on Virtual Instrument technology， using the PCI-6251 data acquisition card and the index data sensor， we design a car steering pump testing system， the steering pump performance parameters of the test methods for the analysis and research， put forward the automobile steering pump test scheme based on virtual instrument.

Key Words：steering pump；virtual instrument； PCI-6251； sensor； testing system

0 引言

轉向泵是汽车转向系统的动力源，其性能直接影响汽车转向系统运行。转向泵由汽车发动机带动其主轴旋转，泵输出压力油供给汽车转向系统，使汽车在转向时产生油压助力作用，减轻驾驶员劳动强度[1]。采用基于LabVIEW的汽车转向泵测试系统，能够克服传统液压检测系统的不足，通过直观的人机界面，检测人员只需对控制面板进行简单操作，就能够方便地读取数据进而判定被测试转向泵是否合格。

1 系统总体设计

汽车动力转向泵是转向系统关键零部件之一，汽车工业发展对转向系统及转向泵性能提出了严格的要求，其性能检测非常重要[2]。转向系统及功能介绍如图1、表1所示。

液压系统技术指标与要求为：液压油过滤精度：≥25μm；仪表测量精度等级：B 级以上；进口温度：50±5℃；最大公称压力：20MPa；液压油型号：N46号普通液压油[3]。

1.1 参数计算

被测泵最大压力为9MPa，考虑到过载，各个液压元件设计压力为：9×1.25=11.25MPa。

液压系统最大流量为10±2L/min，由参数分析可知，液压系统最高工作压力p=11.5MPa，各个液压元件设计压力p=11.25MPa；液压系统最大流量Q=8～12L/min，按这些参数选择液压系统驱动电机[4]。

液压泵驱动电机功率公式为：P=pQ/（60η）

（1） 其中P为驱动电机功率，kW；p为液压泵压力，MPa；η为液压泵总效率，取η≥81%。可知，流量与压力乘积最大时，计算出的功率即为电机最高工作功率，取系统压力P=14.4MPa，Q=12L/min，η=81%，代入计算得P≈30kW。根据电机的功率和转速，选择Y200L1-2型电机，该电机转速n=2 950r/min，功率P=30kW。所选电机符合本液压系统设计要求。

汽车转向泵试验项目需测试的量有温度、流量、压力、转速、转矩，被测量分布广，多为动态信号。因此，要实现自动测量，满足对测试系统的精度与实时性要求，实现对参量实时观测与数据的显示、处理与存储以及测试结果自动打印，本文确定方案如下：试验台动力源采用双输出并变频调速交流电机；试验台液压试验回路采用功率回收的闭式回路，有液压马达加载；采用LabVIEW 2014开发平台。

1.2 系统组成与总体方案

如图2所示，数据采集时，系统采用的各类传感器除转速传感器外都带变送器，可输出4-20mA标准信号，到端子板后，经I/U转换与屏蔽电缆，通过数据采集卡传至计算机；转速信号可由采集卡的计数器测量频率而求得转速。endprint

2 系统硬件设计

数据采集（DAQ）是测量实际信号，并发送到计算机用于处理、分析等数据操作的过程。物理现象代表实际需要测量的信号，用传感器感应物理现象并按比例产生电信号。本系统数据采集卡选用NI公司PCI-6251板卡，它是一款高速M系列多功能DAQ板卡。该设备采用18位模数转换器，分辨率高[5]。系统结构如图3所示。系统工作流程如下：①传感器将被测信号转化为电信号；②信号处理电路将输出信号进行整形、滤波处理，转化为标准信号；③数据采集卡采集、处理信号并转化为数字信号，并导入计算机；④在软件平台下，调用信号处理模块，编写功能流程、算法，形成不同功能的应用程序。

2.1 基于LabVIEW的后台程序设计方案

数据流编程以流的形式传送，由于LabVIEW不是文本编程语言，其代码不能“逐行”执行。管理G程序执行的规则称为数据流。对于节点，只有当所有输入端子数据全部到达时才执行；执行完毕，将节点提供的数据传送到输出端子，并从源端子传递到目的端子（见图4）。

2.2 传感器选择与信号处理

被测泵的具体参数为：压力：<20MPa；流量：转向泵柱塞数量7，直径d=18，行程l=4.5mm；温度：<100℃；转矩：100N·m；转速：1 500～3 000r/min；精度：0.5%。

①流量传感器，根据精度与测量方式要求，一般采用标准节流装置配差压流量传感器；②温度传感器，指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器，传感器输出电流是以绝对温度零度（-273℃）为基准，每增加1℃，它会增加1μA输出电流，因此在室温25℃时，其输出电流Iout=（273+25）=298μA。测量Vo时，不可分出电流，所以在应用时还要通过运算放大器作相应处理（见图5）；③转矩传感器，CYB-803型转矩转速传感器应用于测量转矩，抗干扰能力强，使用方便；④压力传感器，系统采用AK-1型压电式压力传感器，测量范围0～5MPa[6]。

根据被测对象选择传感器，完成非电量到电量转换，经传感器转换后的量，很难直接进行模数转换，需将这些信号放大，I/U转换和滤波[7]。

（1）信号放大。设计中会遇到微弱信号，它不能直接变换，需经运算放大器放大成标准信号。反相放大器是一个比例放大器（见图6），同相放大器如图7所示。

（2）电流/电压转换。最基本的I/U变换可以用电阻来完成。为保证输出电压不受输入阻抗影响，一般采用由运算放大器构成的I/U变换电路，输出电压大小为：U0=-R*i1。

（3）信号滤波。输入信号中，通常叠加噪声与频率分量。采樣时，它们会引起系统误差，采用低通滤波器去除噪声与频率分量。

2.3 脉冲信号与模拟信号调理

速度与扭矩传感器输出的脉冲信号经过放大、限幅、整形后，被传送到PCI-6251数据采集卡相应的定时器/计数器输入端口进行计数，最后传至PC机中（见图8）。在本系统中，压力传感器输出的是模拟信号，对其进行低通滤波与限幅处理后，输入相应的采集通道。

3 软件系统设计

软件是虚拟仪器的关键，借助软件与传感器产生的信号，通过PC进行数据采集与处理。

3.1 软件模块划分与系统总体流程

测试软件主要包括两部分：上层管理程序与硬件驱动程序（见图9）。程序运行后，首先进行用户身份鉴别，当为非法用户时，系统发出警告；当为合法用户时，系统正常运行。随后系统初始化，进入主控界面后，点击按钮进入相应模块[8]（见图10）。

3.2 数据采集模块

（1）模拟信号采集。模拟信号采集是 NI 数据采集卡的基本功能。一般由多路开关、放大器、采样保持电路与模数转换传感器实现，本系统用连续采样[9]。连接采集卡，运行程序，在前面板中得到正弦波、锯齿波、方波3种波形，其结果如图11所示。

（2）数字信号采集。在信号处理中，数字信号发挥着重要作用，只要能用数学公式表示解决方法，就能用计算机处理代表物理量的数字信号，将传感器获得的信号通过采集卡输入计算机，通过软件实现对信号的显示与分析（见图12）[10]。

（3）脉冲信号采集。脉冲信号是一种离散信号，与普通模拟信号相比，波形之间在时间轴不连续，但具有周期性。为测量方便，采用高低电平的方式控制指示灯亮与灭，检测到高电平指示灯亮，低电平指示灯灭。4 结语

转向泵测试系统是确保转向泵工作稳定、延长转向泵寿命、发现转向泵问题的重要工具。本文建立了基于LabVIEW2014的转向泵测试系统，基于转向泵性能评价相关理论，采用LabVIEW2014平台开发测试程序，系统采用模块化结构设计思想，具有快速、准确等优点。该测试系统采用计算机与虚拟仪器技术实现了实时、准确地对其各性能参数进行采集，既降低了成本，又缩短了时间。充分利用PC-DAQ方式能够满足要求，LabVIEW2014具有对操作要求较简单的优势，使得系统通用性强。系统将硬件、软件技术相结合，实现智能控制及测量采集、显示与存储，测试数据精度高，克服人为误差， 提高测试效率，实现多功能、高精度与自动化。当然，本系统仅仅是在实验室环境下实施，在工业操作中还有一定差距。

参考文献：

[1] 尹化保.汽车转向泵综合性能检测系统的研究与开发[D].合肥：合肥工业大学，2013.

[2] 方锡邦.汽车检测技术与设备[M].北京：人民交通出版社，2012.

[3] QC/T 299-2000.汽车动力转向泵技术条件[S].

[4] 刘斌.基于虚拟仪器的变量泵测试系统研究[D].杭州：浙江工业大学，2006.

[5] NATIONAL INSTRUMENTS. Multifunction DAQ cable and accessory selection guides[EB/OL]. http：//www.ni.com/pdf/products/us/4daqsc212-219.pdf

[6] 黄伟.基于虚拟仪器的汽车制动性能测试系统的研究[D].成都：西华大学，2007.

[7] 邱关源.电路（第5版）[M].北京：高等教育出版社，2016.

[8] 白晶.基于LabVIEW的虚拟数字示波器的设计与实现[J].北京工商大学学报，2004（4）：30-33.

[9] 刘金鹏，曹玉强，孙清.基于LabVIEW的水温虚拟测量系统的设计[J].仪器仪表用户，2005（3）：52-53.

[10] 周鹏.精通LabVIEW信号处理[M].北京：清华大学出版社，2013.

（责任编辑：何 丽）endprint