基于西门子SIMOTION D的EPS试验台测控系统设计

胡 斌， 白国振

（上海理工大学机械工程学院，上海 200093）

基于西门子SIMOTION D的EPS试验台测控系统设计

胡 斌， 白国振

（上海理工大学机械工程学院，上海 200093）

为了能够在台架上对汽车管柱式电动助力转向器（EPS）进行测试，设计了一套基于西门子SIMOTION D的EPS试验台测控系统.试验台通过模拟汽车在行驶过程中转向时方向盘的转角以及车轮所受到的转向阻力来测试EPS的性能和参数，能够给开发人员提供相关的试验数据以便对EPS进行优化和改进，同时降低实车试验中EPS产品开发的成本以及周期.主要设计了试验台测控系统的硬件系统和软件系统，并在试验台上进行了测试实验.结果表明，该系统设计方案合理，可靠性高，达到预期目标，运行效果好.

西门子；SIMOTION D；EPS试验台；SCOUT软件；Labview程序

汽车转向器系统是整个汽车的一个重要系统，转向系统的操作稳定性在整个汽车安全特性中占据着重要位置，其安全系数的高低影响着整辆汽车的安全等级.当前，管柱式电动助力转向器（EPS）是应用在小型乘用车上最为普遍的一种转向器，而且趋势明显.中国各大民族汽车品牌公司为了摆脱对国外供应商的依赖，占据本国市场制高点和先发优势，都在自主研发电动助力转向器.而EPS的成功开发必须进行大量的实车试验，将系统的性能调整到最佳的工作状态.实车试验需要消耗大量的财力、人力和物力，如果在实车试验之前进行必要的台架试验，为后续实车试验获得基本的性能数据，可以对控制器等部件进行初步优化，有效缩短EPS的开发周期.因此，近年来对EPS转向系统性能测试试验台的开发成了国内外研究的热点.试验台的研究中对转向阻力的模拟是试验台的关键，目前常见的模拟方案有螺旋弹簧加载、电液伺服加载、磁粉制动器加载、液压加载［1］.本文采用伺服电机加载，设计了一套基于西门子SIMOTION D的EPS试验台测控系统.通过试验台测控实验表明，该系统满足EPS试验台的实验要求，且可靠性高，达到预期目标，运行效果好.

1 EPS试验台

EPS所在的整个转向系统的构成如图1所示，主要由旋转方向盘、管柱（扭杆、输入轴、输出轴、由ECU控制单元控制的助力电机）、万向副连杆及齿轮齿条传动副等组成.

图1 管柱式电动助力转向系统Fig.1 Column type electric power steering system

本文所设计的EPS试验台结构如图2所示，完全按照装车位置安装.输入轴驱动单元由伺服电机和扭矩传感器、驱动单元位置调节装置、驱动轴等组成；输出轴旋转制动单元用于连接转向管柱输出端，它由伺服电机、扭矩传感器、支架和连接件组成.

图2 EPS试验台结构Fig.2 Structure of EPS test platform

试验台输入端伺服电机采用位置闭环控制来模拟汽车方向盘的转向，输出端伺服电机采用扭矩闭环控制来模拟汽车转向时所受到的转向阻力，根据不同的加载要求可以在扭矩控制和位置控制模式下灵活切换.

2 西门子SIMOTION介绍

在运动控制领域，一般的电机驱动器提供了丰富的运动控制功能，但逻辑控制和复杂运算功能却相当弱.而一般的PLC提供了全面的逻辑控制功能，但又很难具备运动控制的全部功能.传统的应用方式是将PLC和伺服控制器配合使用，但存在高速数据传输、数据同步和精确控制等方面的问题.

SIMOTION是一个全新的西门子运动控制系统，是为运动控制起主导作用的机器而设计.本身集成了逻辑控制、运动控制与工艺控制，可以独立完成以往PLC加电机调速的所有功能，主要应用于那些控制要求复杂、控制速度快、要求精确运动的领域中.

SIMOTION是一种简单、灵活的控制系统，具有如下优点：逻辑控制和运动控制相结合，取消了影响响应时间的独立接口；节省了为这些中间接口进行编程以及诊断的投入；整个机器的编程以及诊断不仅规范，而且像PLC一样开放透明.

SIMOTION系统具有3个组成部分：

a.工程开发系统.工程开发系统可以实现由一个开发环境解决所有的运动控制、逻辑及工艺控制问题，并且它还能够提供从编程到参数设定和从测试到故障诊断所有必要的工具.

b.实时软件模块.这些模块提供了众多的运动控制以及工艺控制功能.针对某一特定的机器所需要的功能，灵活选择相关的模块.

c.硬件平台SIMOTION D.SIMOTION D的功能集成在新的SINAMICS S120多轴驱动系统的控制模块上，使之成为一个紧凑的拥有控制器及驱动器的系统，将运动控制与驱动器集成在一起，使系统具有极快的响应速度.

3 系统硬件设计

根据EPS试验台的功能需求，确定试验台的控制方案如图3所示.

图3 控制方案Fig.3 Control plan

选择西门子公共直流母线SIMOTION D425变频控制系统+SINAMICS S120驱动系统作为两台伺服电机的变频控制方案，控制系统包括：

控制模块（D425），整个驱动系统的控制部分；

电源模块，将交流转变成直流，380 V交流电压通过其逆变后由相连的直流母线流入电机模块，最终送入伺服电机，控制电机有效的输出；

电机模块A（功率模块），作为输出端伺服电机的供电电源；

电机模块B（功率模块），作为输入端伺服电机的供电电源；

输入端伺服电机，选择与SIMOTION D425控制器匹配的西门子1FT7系列永磁同步伺服电机；

输出端伺服电机，选择与SIMOTION D425控制器匹配的西门子1PH7系列交流异步伺服电机；

输入端扭矩传感器，选择KISTLER公司的采集范围为100 NM，采集精度为0.1%的扭矩传感器；

输出端扭矩传感器，选择KISTLER公司的采集范围为200 NM，采集精度为0.2%的扭矩传感器.

SIMOTION采用一体化的集成连接方式，控制器D425和驱动器SINAMICS之间采用DRIVE-CLIQ高速通讯方式，通讯速率可达到100 M，响应速度快、集成化好，对于用户来说简单方便、故障率低.

功率单元与电机驱动器之间的连接采用内置铜牌和DRIVE-CLIQ连接，简单方便、故障率低.

EPS试验台控制系统扭矩闭环结构框图如图4所示，位置闭环结构框图如图5所示.

图4 扭矩闭环结构框图Fig.4 Diagram of torque closed-loop structure

图5 位置闭环结构框图Fig.5 Diagram of position closed-loop structure

4 系统软件设计

4.1 EPS试验台功能需求分析

针对EPS的试验项目及内容，对EPS试验台提出了以下控制要求：

a.要求实现输入轴伺服电机给定位置（扭矩）曲线，同时输出轴伺服电机给定扭矩（位置）曲线进行同步运动.输入轴电机和输出轴电机根据给定曲线加载，实现不同转速下的管柱功能实验.

b.能够通过PC对下列数据进行同步采集：输入端扭矩、转角和转速；输出端扭矩、转角和转速；ECU电流（交流、直流）、电压（交流、直流）.

c.能够对上述参数自由设置监控极限，从而在预设的试样件破坏时，试验运行会自动终止并保存当前记录数据.

4.2 开发平台总体设计

软件开发平台设计采用上下位机结构.采用集成了PCI-NI6259数据采集卡的高可靠性的研华工业计算机作为上位机，下位机就是西门子SIMOTION D425运动控制器，依靠其强大的高速运算能力，完成实时控制和计算功能.软件开发环境上位机采用基于Windows的Labview图形化程序设计软件，下位机是西门子SIMOTION SCOUT控制软件，下位机软件SIMOTION SCOUT和上位机软件Labview采用OPC通讯协议.

下位机与上位机对实时数据进行实时通讯，但对控制信号数据进行一次性中断通讯，这样可以实现实时采集数据实时显示.控制信号数据按需通讯，如人机界面交互、系统状态监控和发送指令等操作.这种通讯结构，可以充分利用通用硬件平台的内存资源，提高效率.

SCOUT是用于调试SIMOTION的工具软件，主要实现的功能有：硬件组态和识别；参数的设置；动态特性的调试；故障诊断；程序的下装和上载.

本方案通过SCOUT软件将轴配置为标准+力轴的模式，这样可通过指令由电机编码器或扭矩传感器进行反馈，从而灵活的切换电机为位移闭环控制模式或扭矩闭环控制模式.

SCOUT里包含速度环和电流环两个输出设定点，分别都为PI控制.本方案将输出设定点设定在速度环前面，整个控制流程如图6所示.

图6 控制流程图Fig.6 Control flow chart

本试验台系统所使用到的SCOUT软件功能主要包括凸轮曲线设定和控制程序编辑.SCOUT软件包含了简单的凸轮文本编辑器，可以自由设定试验扭矩曲线和位置曲线.此外，CamTool还可以为SCOUT提供全图形化的凸轮编辑及优化工具.

控制程序编辑包括运动控制、逻辑控制以及工艺控制.运动控制任务的图形化编程运动控制图MCC可以以流程图的方式对机器程序进行图形化编程，程序也可以用LAD及FBD编程.对于复杂的逻辑控制、数学运算及运动控制还可以用ST结构化编程语言进行编程，这3种编程方式均集成在SIMOTION SCOUT软件中.

本设计方案的SCOUT软件编程主要分为4个模块进行：计算模块、逻辑控制模块、运动控制模块和DCC驱动控制模块.

a.计算模块

计算模块是应用ST语言编写程序和算法实现有效控制，主要包括电源模块上电的控制、凸轮曲线的读取及计算等.

b.逻辑控制模块

逻辑控制模块是应用LAD语言编程进行逻辑控制，主要包括电机的手动控制等.

c.运动控制模块

运动控制模块是应用MCC语言编程进行运动控制，主要包括电机的使能、凸轮曲线的同步运行、故障诊断报警、轴的停止等.

d.DCC驱动控制模块

控制程序不通过DP总线传输给驱动，可以用驱动的DCC直接进行图标式编程，这样可以节省控制信号数据传输时间，提高电机的响应时间.DCC控制编程同样可以进行逻辑编程和数学运算等功能.

上位机Labview通过OPC与D425进行连接和数据交换，来实现上位机对试验台的控制功能、试验曲线的设定和传输以及各路数据信号的同步采集、处理和显示输出.同时，Labview还通过CAN与EPS的控制器ECU进行通讯，向EPS发送车速及点火信号，从而使EPS产生相应的助力.

Labview通过数据采集卡来采集所需的各路数据信号，数据采集系统如图7所示.

图7 数据采集系统Fig.7 Data acquisition system

输入端和输出端的两个扭矩传感器所采集的实时扭矩信号由NI-PCI6259数据采集卡以模拟量信号采集，通过上位机的Labview软件将实时数据以曲线形式显示出来.与此同时，为了测试助力电机的控制器ECU的一些性能，将进入ECU的直流电流和直流电压以及从ECU输入到助力电机的交变电流和交变电压分别通过电压、电流传感器采集信号，通过NI数据采集卡进行A／D转换输入工控机，由Labview软件将实时数据显示，根据实时数据分析ECU的性能.测控系统软件的总体功能设计框图如图8所示（见下页）.

图8 软件系统总体功能设计框图Fig.8 Overall functional design diagram of software system

5 试验台测控实验

本文所设计的EPS试验台测控系统实物如图9所示.

图9 EPS试验台测控系统Fig.9 Test and control system of EPS test platform

最后，采用设计的软件系统对EPS试验台进行控制测试.通过上位机控制面板进行试验参数的配置以及加载曲线的设定和传输，设定的位置和扭矩同步曲线如图10所示.

图10 设定试验曲线Fig.10 Setting of test curve

实验开始后，通过上位机同步采集到的实际位置曲线和扭矩曲线信号如图11所示.由图11可见，实际采集到的位置曲线和扭矩曲线与设定的曲线基本一致，且响应速度快、超调量小、稳态精度较高，说明本文所设计的试验台测控系统能够对设定的扭矩和位置曲线进行同步加载并进行实时数据的采集，基本满足了试验台系统的实验要求，设计方案是可行的.

图11 采集试验曲线Fig.11 Actual test curve

6 结 论

本文设计的基于西门子SIMOTION D的EPS试验台测控系统，通过试验台测控实验表明，该测控系统能够满足EPS试验台的实验要求，且可靠性高，达到预期目标，运行效果好.

［1］ 廖抒华，王金波，张宝霞，等.转向系统试验台转向阻力模拟研究现状及发展［J］.上海汽车，2009（10）：33-35.

［2］ 翟邵春，闵新和，黄志坚，等.汽车电动助力转向装置试验台测控系统的研究与开发［J］.机床与液压，2008，36（12）：141-143.

［3］ 刘斌.基于西门子840D的数控系统教研机的构建与应用［J］.制造技术与机床，2012（11）：152-153.

［4］ 梁伟强.电动助力转向试验台开发［J］.机电工程技术，2008，37（7）：68-70.

［5］ 陈剑波，金传旻，郭永尚.可编程控制器在洁净空调自动控制系统中的应用［J］.上海理工大学学报，2003，25（2）：125-129.

［6］ 刘云生，李征涛，邬志敏，等.基于蒸气循环法的压缩机非正常工作试验台的研制［J］.上海理工大学学报，2007，29（4）：325-328.

（编辑：丁红艺）

Design of Test and Control System of EPS Test Platform Based on Siemens SIMOTION D

HUBin， BAIGuo-zhen
（School of Mechanical Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

In order to test the electric power steering system（EPS）of motor on bench，a control system of EPS test platform based on Siemens SIMOTION D was designed.On the test platform the performance and parameters of EPS were tested by imitating the turning angle of steering wheel and turning torque of vehicle wheel during the process of motor turning.Relevant test data were provided to developers to optimize and improve the EPS，and the development cycle and cost of the EPS product in real vehicle test were reduced.The hardware system and software system of the test platform were designed.Trial experiments were carried out on the test platform.The result shows that the design plan is reasonable and reliable.The desired good running condition of the system is achieved.

Siemens；SIMOTION D；EPS test platform；SCOUT；Labview

TM 571.1

A

2013-07-22

上海市自然科学基金资助项目（12ZR1420700）

胡 斌（1989-），男，硕士研究生.研究方向：测控技术.E-mail：hubinusst＠163.com

白国振（1967-），男，副教授.研究方向：数控机床及其应用研究.E-mail：bguozhen＠163.com

1007-6735（2014）04-0380-05

10.13255／j.cnki.jusst.2014.04.015