蜗轮蜗杆测试试验台控制系统研究

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摘要

汽车助力转向系统是汽车传动的重要组成部分，它影响到整车的操控性、稳

定性和安全性，直接反应了车辆的优劣，而蜗轮蜗杆装置转向器系统中重要的传

动机构，其传动性能直接影响到电动助力转向系统的传动效率和转向系统的回正

能力，所以需要对蜗轮蜗杆性能进行疲劳和效率试验。上海理工大学自行研制开

发了蜗轮蜗杆性能的试验台，为改进及研制新型蜗轮蜗杆装置提供科学的试验数

据。

本文以蜗轮蜗杆试验台为研究对象。本文首先对试验台的技术指标和性能要

求作简要说明，同时为实验台的加载系统——异步伺服电机，建立了数学模型，

并对其控制策略，作了详细理论分析。利用 MATLAB Simulink 建立电机仿真模型。

其次对蜗轮蜗杆试验台进行机电一体化联合建模仿真，分析了蜗轮蜗杆试验台存

在的多余力问题及产生的原因。在此基础上，提出了采用前馈控制和和轨迹规划

的消除多余力方法。应用到实际的蜗轮蜗杆试验台，有效地消除了系统多余力，

提高了系统的精度和稳定性。

最后设计了本试验台的电气控制和软件系统。编写了系统管理模块、运动控

制模块、程序计算模块和 CAM 曲线生成模块的软件。最终完成了负载、输入端速

度、温度、湿度等信号采集工作。满足了蜗轮蜗杆效率和疲劳试验的控制要求。

关键词

关键词关键词

关键词：

：：

：蜗轮蜗杆

蜗轮蜗杆蜗轮蜗杆

蜗轮蜗杆 SIMOTION

SIMOTION SIMOTION

SIMOTIOND425

D425D425

D425

OPC

OPCOPC

OPC 通讯

通讯通讯

通讯

PID

PIDPID

PID 控制

控制控制

控制

ABSTRACT

EPS system is an important part of the auto transmission, it affect dirigibility,

stability and safety of the vehicle, it is directly reaction the superiority of the vehicle,

Worm gear device is an important transmission mechanism, the transmission

performance directly affect the system transmission efficiency and the ability of come

back in EPS. In order to research the efficiency and fatigue property of worm gear,

Shanghai University of Science and Technology developed a bench to test the

performance of worm gear, and provide the scientific theory for improving and

developing a new worm gear in the future.

In this paper, the main research object was worm gear bench. This paper first

simply expressed the technical indexes and performance, at the same time for

experimental loading system--

asynchronous servo motor, the mathematical model was

established, has made the detailed analysis theory of control strategy. Use MATLAB

Simulink build motor simulation model. Next established mechanical and electrical

integrated modeling simulation, and analyzed the plus torque existing problems and the

causes in the worm gear system. Based on this, ask the feed-forward control and

trajectory planning method to eliminate the surplus torque. The practical application of

worm gear, eliminate force torque, improved the precision and stability of the system.

Finally, designed the electrical control and software system in worm gear. Write the

system management module, motion control module and the program calculation

module and CAM curve generation module of the software. Eventually, completed the

load, the input speed, temperature, humidity and so on signal acquisition. Meet the

control requirements of efficiency and fatigue test.

Key Words: Worm Gear, SIMOTION D425, OPC Communication,

PID Control

中文摘要

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ABSTRACT

第一章绪论 .............................................................................................................. 1

§1.1 课题来源、背景及意义 ................................................................................ 1

§1.2 蜗轮蜗杆试验台及力矩加载系统的国内外现状及发展趋势 .................... 2

§1.3 蜗轮蜗杆试验台研究目标与设计要求 ........................................................ 3

§1.3.1 试验台技术性能要求及方案设计 ...................................................... 3

§1.3.2 试验台力矩加载系统 .......................................................................... 5

§1.4 本章小结 ........................................................................................................ 6

第二章交流异步电机控制策略及数学模型分析 ...................................................... 7

§2.1 矢量控制原理及异步电机的基本结构 ........................................................ 7

§2.2 交流电动机的坐标变换 .................................................................................. 8

§2.2.1 坐标变换的基本原理 .......................................................................... 8

§2.2.1.1 定子三相静止坐标系(ABC 轴) ......................................................... 8

§2.2.1.2 定子二相静止坐标系(αβ轴) .......................................................... 9

§2.2.1.3 三相定子坐标系与二相定子坐标系之间变换 ................................. 9

§2.2.1.4 二相静止坐标系与二相旋转坐标之间的变换 .................................11

§2.3 异步电机的数学模型 .................................................................................. 12

§2.4 伺服电机控制方式 ...................................................................................... 16

§2.4.1 滞环电流控制 .................................................................................... 16

§2.4.2 速度环控制 ........................................................................................ 16

§2.4.3 直接扭矩控制 .................................................................................... 17

§2.5 理论控制基础 .............................................................................................. 17

§2.5.1 PID 控制理论..................................................................................... 17

§2.5.2 前馈控制理论 .................................................................................... 19

§2.5.2 轨迹规划理论 .................................................................................... 20

§2.6 本章小结 ...................................................................................................... 21

第三章蜗轮蜗杆试验台系统组成及试验数据分析 .................................................. 22

§3.1 试验台硬件系统构成 .................................................................................. 22

§3.2 实际伺服电机速度和扭矩控制 .................................................................. 25

§3.3 系统多余力分析 .......................................................................................... 26

§3.4 试验数据分析 .............................................................................................. 27

§3.5 本章小结 ...................................................................................................... 28

第四章异步电机及系统机电联合 MATLAB 仿真.................................................. 29

§4.1 MATLAB 软件简介..................................................................................... 29

§4.2 异步电机伺服系统的 MATLAB 仿真........................................................ 29

§4.3 蜗轮蜗杆试验台系统建模及仿真 .............................................................. 33

§4.4 本章小结 ...................................................................................................... 41

第五章蜗轮蜗杆试验台系统软件设计 .................................................................... 42

§5.1 软件简介 ........................................................................................................ 42

§5.1.1 SIMITON SCOUT ............................................................................. 42

§5.1.2 Labview 数据采集处理系统 ............................................................. 42

§5.1.3 OPC 服务 ........................................................................................... 43

§5.2 蜗轮蜗杆系统软件设计 .............................................................................. 44

§5.2.1 系统管理模块 .................................................................................... 45

§5.2.2 运动控制模块 .................................................................................... 46

§5.2.3 程序计算模块 .................................................................................... 47

§5.2.4 CAM 曲线生成 .................................................................................. 49

§5.4 本章小结 ...................................................................................................... 50

第六章蜗轮蜗杆试验台效率及疲劳试验结果分析 ................................................ 51

§6.1 蜗轮蜗杆效率测试 ...................................................................................... 51

§6.2 蜗轮蜗杆疲劳测试 ...................................................................................... 54

§6.3 蜗轮蜗杆试验台效率和疲劳总体分析 ...................................................... 57

§6.4 本章小结 ...................................................................................................... 58

第七章总结与展望 .................................................................................................... 59

参考文献 ........................................................................................................................ 60

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 63

致谢........................................................................................................................ 64

第一章

绪论

第一章绪论

蜗轮蜗杆装置是汽车转向机中不可或缺的一部分，其传动过程的好坏直接影

响到汽车转向机的性能，因此对其进行效率试验和疲劳试验是汽车转向器设计和

研究中不可或缺的过程。随着现代科学技术的发展，尤其是计算机辅助设计及分

析技术的普及，已经使结构和强度计算更加精确，但是对传动部件的疲劳寿命和

传动效率不能精确的计算。因此，只能通过现代试验技术来验证蜗轮蜗杆装置的

性能。

§1.1

课题

课题课题

课题来源

来源来源

来源、

、、

、背景

背景背景

背景及意义

及意义及意义

及意义

本课题来源于上海汽车集团委托上海理工大学机械工程学院的科研项目“蜗

轮蜗杆效率和疲劳试验台”，主要实现蜗轮蜗杆的疲劳和效率性能试验。该测试试

验台主要包括两种工作状况，分别是测试蜗轮蜗杆的传动效率和在不同温度和湿

度环境下的疲劳状况。

转向器是汽车转向系统的关键部件，其基本功能是传递转向系统所需的力矩

和方向。随着汽车平均车速的提高，对汽车的转向操作性能提出了更高的要求，

不仅要求转向器轻便、操纵稳定，而且还要求有优良的转向回正性能和反冲特性，

因此，对转向器的传动速比、传动效率、转动力矩、扭转刚度等性能提出了越来

越高的要求

。

就我国当前的国情而言，汽车工业己成为我国的支柱产业之一。转向

系统作为汽车主动安全性的关键总成，其性能的好坏直接影响到整车运行时的安

全性和操纵稳定性，其质量也反映了车辆的质量，其综合性能直接关系到人民的

生命财产安全，因而在出厂前必须对其进行质量检测，使其各性能参数满足要求。

随着我国汽车产销量的不断上升，许多企业也开始涉足液压助力式和电子助力式

转向器的生产与研发。为了能够快速适应国内汽车市场的迅速发展，公司决定开

发新型的汽车液压助力式和电子助力式转向器功能试验台。其要求既能满足现有

产品的出厂检查，又能完成新产品的设计定型试验，新的试验台要求具有综合性、

高自动化、高精度和高稳定性等特点。

汽车专向器结构如图 1-1 所示，它一般是由转矩(转向)传感器、电子控制单元、

电动机、减速器、机械转向机、以及蓄电池电源所构成。其中的减速器就是由蜗

轮蜗杆装置组成，在控制转向速度和传递扭矩方面起着重要的作用。

蜗轮蜗杆测试试验台控制系统研究

输出轴

蜗轮蜗杆减速器

扭杆

转矩传感器

方向盘

输入轴

车速信号

电

动机

控制电流

开关电流

离合器

小齿轮

齿条

拉杆

轮胎

图1-1 汽车转向器系统示意图

§1.2

蜗轮蜗杆

蜗轮蜗杆蜗轮蜗杆

蜗轮蜗杆试验台及

试验台及试验台及

试验台及力矩加载系统

力矩加载系统力矩加载系统

力矩加载系统的国内外现状及发展趋势

的国内外现状及发展趋势的国内外现状及发展趋势

的国内外现状及发展趋势

蜗轮蜗杆试验台是一种基于机械、电气为一体的多功能性能测试试验台，广

泛运用在汽车电子助力转向试验台中

[18][19]

。它用于研究与检测蜗轮蜗杆材料、力

学性能与可靠性的测试设备。蜗轮蜗杆试验台属于技术密集型试验装置，它综合

了模拟、数字量输入输出，近代伺服自动控制理论，机电一体化等高新技术。

试验机在早期主要是以机械式静态型为主

[15][16]

，在十九世纪下旬英国科学家

研发出了最早的试验机——杠杆重锤式材料试验机。直至上世纪初又生产出了螺

母、螺杆加载的万能试验机。这些机器的主要功能是对新型材料、金属材料进行

拉伸、压缩、弯曲和扭转试验，为现代万能试验机提供了发展平台。在 20 世纪初

瑞士科学家研发了世界第一台万能试验机，可以进行新材料的静态力学性能试验。

19 世纪中旬德国 A.Whler(沃勒)教授研发设计了史上第一台用于机械车轴试验的疲

劳试验机（一般也叫 A.Whler 疲劳试验机）。该疲劳试验机主要作用是用凸轮和砝

码以及将零件作回转运动的方法进行疲劳试验，其中凸轮为主动件，砝码为加载

元件，但该疲劳试验机力学性能不够理想。主要表现在：作用力比较小、难以灵

活改变频率以及幅值。20 世纪中旬美国研究员勃莱克布恩等为美国国家研究院发

明了本世纪第一台电液伺服系统，为现代电液伺服系统奠定了理论基础。到 20 世

第一章

绪论

纪60 年代世界上各种结构的电液伺服系统迅速发展，其主流是以穆格为代表的电

液伺服系统。该系统采用干式力矩马达的级间力反馈技术，提高了电液伺服系统

的力学性能。因此，产生了电液伺服疲劳试验机并得到迅速发展

[48]

。20 世纪 80

年代，德国西门子公司研发出第一台电机伺服系统。该系统的稳定性和鲁棒性都

有较大的提升，为研发新型疲劳试验机提供了科学的物质基础。进一步提高了疲

劳试验机的精度，加强了其力学性能。

一般来说，力矩加载系统主要可以分为两个方面：主动力矩加载系统和被动

力矩加载系统，这两个力矩加载系统的主要区别是：被动力矩加载系统在工作中

被执行系统所带动，也就是说加载执行装置的运动是被动的；而主动加载方式，

主要是其本身产生力矩和速度等，来带动其他执行机构运动。随着现代伺服系统

的发展，力矩加载系统从刚开始的称重式，到可控液压式再到后来的磁粉制动加

载，到现在的先进 PID 伺服控制加载系统，加载系统的用途也越来越广泛。在各

种汽车控制理论中都用到加载系统。当汽车模拟真实驾驶状况时，必须要用到主

动加载和被动加载。汽车助力转向装置在做安全和疲劳实验时也用到这一加载方

式；它在航天航空领域的运用也十分广泛，主要运用在飞行过程中在机翼上方的

气动载荷，也是空气动力飞行装置在试验阶段进行地面试验仿真的主要设备。

自上世纪初，随着加载系统应用越来越广泛，不少学者开始着手研究力矩加

载系统。最早研发出的是电动液压加载系统，在当时 70 年代是比较先进的一种加

载试验台，日本学者池谷光荣先生建立了世界上第一台电动液压加载试验台。这

一加载系统的优点在于，可以控制加载力矩的大小，虽然没有加入先进 PID 控制，

但是其稳定性已经非常理想。随后世界上多数国家也相应的研制出了类似该加载

方式的液压装置，也运用到了实际试验中。

我国从上世纪 80 年代开始研制液压加载控制系统，清华大学动力学院发明了

当时中国历史上第一台液压力矩加载系统，运用到了航空领域，主要是模拟飞行

装置空气动力负载以及加载方式的选定，在汽车领域的用途也较为广泛。当时的

控制方式主要为模拟控制，随着计算机控制技术的发展，90 年代末，我国生产出

了第一台计算机控制为基础的力矩加载系统，其性能大大地提高了系统的控制精

度和可靠性。但是这样的精度仍然满足不了超高精度的要求，以后的力矩加载系

统要往高精度、高稳定性方向发展。这为我国研发新型的力矩加载系统提供了新

的方向。

§1.3

蜗轮蜗杆试验台研究目标与设计要求

蜗轮蜗杆试验台研究目标与设计要求蜗轮蜗杆试验台研究目标与设计要求

蜗轮蜗杆试验台研究目标与设计要求

§1.3.1

试验台技术性能要求及方案设计

试验台技术性能要求及方案设计试验台技术性能要求及方案设计

试验台技术性能要求及方案设计

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摘要：

摘要汽车助力转向系统是汽车传动的重要组成部分，它影响到整车的操控性、稳定性和安全性，直接反应了车辆的优劣，而蜗轮蜗杆装置转向器系统中重要的传动机构，其传动性能直接影响到电动助力转向系统的传动效率和转向系统的回正能力，所以需要对蜗轮蜗杆性能进行疲劳和效率试验。上海理工大学自行研制开发了蜗轮蜗杆性能的试验台，为改进及研制新型蜗轮蜗杆装置提供科学的试验数据。本文以蜗轮蜗杆试验台为研究对象。本文首先对试验台的技术指标和性能要求作简要说明，同时为实验台的加载系统——异步伺服电机，建立了数学模型，并对其控制策略，作了详细理论分析。利用MATLABSimulink建立电机仿真模型。其次对蜗轮蜗杆试验台进行机...

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