汽车侧滑门疲劳耐久试验台控制系统设计

李伟 马祥 冀照通

（中国汽车技术研究中心有限公司）

汽车侧滑门作为商务车和七座MPV的重要组成部分，其疲劳耐久性直接影响到客户的使用体验。侧滑门耐久试验台是一种在汽车开发流程中，验证侧滑门疲劳耐久性的专用试验工具。国内现有侧滑门疲劳耐久试验设备主要分为气动和电动2种。气动耐久试验设备以气缸为驱动元件，采用继电器形式进行控制，但是由于气缸本身精度较差并且高低温环境中不够稳定，因此逐渐被电机形式的耐久试验台所取代。部分电动侧滑门耐久试验台无法满足高配MPV的电动侧滑门的试验要求，因此文章提出了一种基于LabVIEW操作系统的耐久试验台，它集手动侧滑门和电动侧滑门为一体，并且具有较强的可视性，根据试验标准能够实现同时调节汽车与试验台的坡度，可为侧滑门的疲劳耐久性分析提供较为准确科学的试验依据，达到提升侧滑门产品质量的目的。

1 试验台的组成及原理

汽车侧滑门耐久试验台总体结构流程，如图1所示。手动侧滑门耐久试验台主要由控制、执行及外部调节3个系统组成。它的开闭耐久循环功能是靠执行系统进行开闭动作实现的，执行系统是以伺服电机为执行机构的加载体结构，系统通过设定“解锁—开启—解锁复位—关闭”的工作流程，实现控制手动侧滑门开闭耐久试验的功能。

图1 汽车侧滑门耐久试验台总体结构流程图

由于试验车与试验台架放置于同一工作台面内，因此通过外部调节系统，可以满足同时调整试验汽车与试验台架的角度的要求，实现试验标准中要求的坡度条件下的耐久试验的功能。

手动侧滑门耐久试验台的控制系统主要由工控机、运动控制器及数据采集卡构成。数据采集卡采集试验中侧滑门的运动状态信息，如操作力和关闭速度等关键数据；工控机通过数据采集卡反馈的侧滑门的关键信息向运动控制器发出相应的指令提示；运动控制器根据收到的指令提示，向伺服电动的驱动器发出相应的脉冲信号，实现对伺服电机的控制，使整个系统处于闭环控制之内。

电动侧滑门耐久试验台的控制系统主要由工控机和CAN/LIN协议收发器组成。通过试验车相关DBC文件和LDF文件获取执行电动侧滑门开闭动作的代码，工控机发送相关代码指令到CAN/LIN收发器，通过CAN/LIN收发器发送执行信号到电动侧滑门中，相关反馈信号通过CAN/LIN收发器反馈到工控机。工控机根据反馈信号，通过DBC文件和LDF文件中相关代码判定该循环是否符合逻辑要求，并发出执行下一动作的指令。

2 试验台总体设计方案和硬件选择

2.1 试验台总体方案

试验台主要实现的是对汽车进行侧滑门疲劳耐久验证。控制系统是试验台重要的组成部分，闭环反馈控制可以使验证试验具有较高的试验精度，使试验台系统更稳定，对试验设备、试验样车及试验人员起到安全保护的作用。通过以伺服电机为主的执行机构，实现模拟客户在实际使用中对侧滑门进行的开闭动作，从而检验汽车侧滑门的疲劳耐久寿命，为疲劳耐久可靠性分析提供更为科学的试验数据。

试验台的控制主要围绕伺服电机进行，通过脉冲和方向信号控制，使伺服电机按照规定的运动轨迹以要求的速度和方向执行动作。解锁机构与开启手柄通过弹簧绳连接，弹簧绳与解锁机构之间连接一个带角度传感器的力传感器。它可以测量解锁力、车门开启力及车门关闭力，通过角度传感器可以计算出法向和切向力，能够得出更为准确的试验依据。车门外部粘贴一个拉线位移传感器，通过该拉线位移传感器可以监测到车门的实时位置，并且通过位移变化与时间的关系，计算出车门的开启速度和关闭速度，能够使试验更符合规定的试验标准。

工控机作为试验台的运算主机，搭载数据采集卡、运动控制器及CAN/LIN收发器等，控制侧滑门的位置输出。

2.2 试验台控制系统硬件选择

2.2.1 信号采集硬件

根据侧滑门耐久试验台设计方案，试验台需要采集的数据主要有力和位移。力传感器选择压电式力传感器，压电式力传感器具有可以在高低温工况下工作、体积小、质量轻、结构简单及工作可靠的优势。数据采集卡选择NI USB-6351型号采集卡，具有24路数字量输入输出，以及2路模拟量输入输出功能。拉线位移传感器选用绝对值编码器类型，该类型编码器便于选取零位，方便操作。

2.2.2 伺服电机控制系统

伺服电机通过电机转动与齿轮的配合带动直线导轨实现直线往复运动，直线导轨的传动皮带带动直线导轨上的解锁执行机构，实现直线往复运动。解锁执行机构带动侧滑门执行开闭动作，实现开闭耐久试验。试验台采用CJ1W系列运动控制器，该运动控制器可以精确地发出高速脉冲信号，通过脉冲信号中脉冲的数量和频率，精确地控制伺服电机运动。

2.2.3 CAN/LIN总线收发器

CAN/LIN总线收发器应用于电动侧滑门耐久试验中，电动侧滑门是由CAN/LIN总线进行控制，根据DBC/LDF文件中的指令，模拟BCM的信号，控制ECU，向电动侧滑门发送执行命令，进行开闭耐久试验。CAN/LIN总线收发器采用德国某公司生产的VN8970型号的硬件收发器，内置4路CAN信号收发器，1路LIN信号收发器，并且有I/O接口和数字量扩展模块，软件采用CANoe，CANoe广泛应用于汽车总线开发中，被汽车电器工程师所认可，具有模块化和稳定性高的优点，并且能够识别所有相关试验报文，方便记录并分析试验数据。VN8970通过I/O接口与LabVIEW的数据采集器进行输入输出等数字量信号的数据交换，使不同的硬件与软件能够集成到同一试验台的控制系统内。

3 系统软件设计

3.1 LabVIEW概述

LabVIEW是美国NI公司推出的一款功能强大的可视化软件开发工具，编程人员在不需要懂得太多复杂的命令语句和控制算法的基础上，利用该软件自带的图标，通过连线的方式就可以完成编程工作。经过数十年的发展，LabVIEW已经被广泛地应用在汽车技术、航空航天及电气控制等领域，主要应用于数据采集和仪器、仪表控制等方面[1]。

3.2 控制系统开发流程

侧滑门耐久试验台根据实际功能分成数据采集、数据处理、信号发送及伺服驱动4个模块。通过软件控制界面，选择不同类型的侧滑门和相应的耐久试验程序，执行试验标准中所需的耐久试验。根据控制系统开发流程设计思路，控制系统流程，如图2所示。

图2 汽车侧滑门耐久试验台控制系统流程图

3.3 控制系统界面设计

控制系统软件主要分为5个部分，如图3所示。

图3 汽车侧滑门耐久试验台控制系统软件主界面图

其中主检测窗口界面主要体现的是侧滑门耐久试验中侧滑门的运动状态和试验台的运行状态，用户可以根据试验条件设定试验循环次数，并通过当前运行状态栏监测试验台的运行状态，根据报警记录表格，获得试验的停止原因。

在示教模式中，用户可以根据试验条件中规定的试验内容，通过模拟人实际开启和关闭侧滑门的动作，带动直线导轨上的伺服电机，使系统记录下侧滑门的“解锁、开启及关闭”等位置，伺服电机在耐久试验中根据示教学习的位置，执行开闭侧滑门的动作；用户在电机参数设置界面中，根据试验实际情况，设定电机的初速度、加速度、减速度及运动时间等参数，从而使试验能够满足规定的关闭速度和运行时间等条件；在操作力数据采集界面，用户可以设定操作力和解锁力的阈值，根据带角度传感器的力传感器，采集到耐久试验中的操作力和解锁力，并根据需求生成力与时间的相关曲线，图4示出数据采集结构图。

图4 汽车侧滑门耐久试验台控制系统操作力数据采集结构显示界面

在速度数据采集界面，用户根据拉线位移传感器采集到的侧滑门的实时位置，结合测量时间，计算得知车门的开启和关闭速度，也可以将计算出的速度数据保存记录到指定的Excel文件中。

4 结论

文章设计的侧滑门耐久试验台是基于LabVIEW软件开发的，通过结合数据采集系统和运动控制系统，达到了实现耐久试验功能的要求，并且通过布置的传感器能够测量到更符合试验需求的试验数据。实现了集手动侧滑门和电动侧滑门为一体的目的，利用同时调节汽车与试验台坡度的功能，满足了试验标准中的坡度要求。

基于LabVIEW的侧滑门耐久试验台采用伺服电机控制，与市场上电动侧滑门耐久试验设备精度一致，结合力传感器、角度传感器及拉线位移传感器等，提高了测量精度，结合CAN/LIN设备，填补了部分设备中电动侧滑门耐久试验的空缺。

未来将会更进一步深入对客户体验的研究，更加注重通过人体仿生和设计机械手臂来进行侧滑门耐久试验，使得验证更加符合客户体验要求。