1、NI 技术一种基于 PXI 平台 的主动悬架台架试验 测控系统“本文所述基于 PXI 平台的主动悬 架台架试验测控系 统，该系统硬件易于 配置，以 PXI 机箱 为基础，配合不同 PXI 板卡即可实现 多种功能，成本不 高，功能全面，可扩 展性、可升级性强， 具有测试精度高，可 靠性强等优点。“- 张 旭东,The Challenge:随着人们对车辆行驶 平顺性，操纵稳定性 的要求不断提高，希 望当车辆载荷、行驶 速度、路面状况等行 驶条件发生变化时，车辆能自动调节悬架 系统的刚度，因此对 车辆主动悬架的需求 日益增加。同时，业 界对主动悬架系统的 研究也更加深入广 泛。对主动悬架系统 来说，
2、产生主动力的 作用器种类多种多 样，主动控制算法也 不尽相同，因此，一 个灵活方便，对各种 机械结构及控制算法 具有良好兼容性的主 动悬架台架试验测控 系统十分必要。The Solution:根据实际需要，本文 建立了一个主动悬架 台架试验上位机监测 控制系统。利用该系 统，可对各种主动悬 架系统的综合性能进 行全面测试，并可通 过该上位机系统对主 动悬架施加用户编写 的各种控制算法，以 验证控制效果，找出 最佳控制方案，为主 动悬架系统的开发和 改进设计提供了设计 及验证手段。主动悬架测控系统台 架试验硬件部分连接 关系Author (s):张 旭东 - 管 继富 - 顾 亮 -1. 系统平
3、台概述本主动悬 架系统测控平台硬件 部分是基 PXI 系统 搭建的。PXI （PCI eXtensions for Instrumentation， 面向仪器系统的 PCI 扩展）技术于 1997 年完成开 发，并在 1998 年正式推 出，它是为了满足日 益增加的对复杂仪器 系统的需求而推出的 一种开放式工业标 准。PXI 是 一种坚固的基于 PC 的测量和自动 化平台。 PXI 结合 了 PCI 的电气 总线特性与 CompactPCI 的坚固性、模块化及 Eurocard 机 械封装的特性，并增 加了专门的同步总线 和主要软件特性。这 使它成为测量和自动 化系统的高性能、低 成本运载平台
4、。这些 系统可用于诸如制造 测试、军事和航空、 机器测控、汽车生产 及工业测试等各种领 域中。2. 测控系统平台 硬件构架及特点硬件上主 要由六部分组成：上 位机、信号预处理模 块、传感器、液压试 验台、主动悬架系 统，PXI 机箱及信 号采集输出板卡。上 位机用于测控仿真过 程，分析和保存仿真 结果，同时用于运行 算法模型，输出控制 信号对执行器进行相 关控制；信号预处理 模块用于为传感器提 供恒流源，消除电压 偏置，增加控制信号 驱动能力；传感器包 括压力传感器，位移 传感器，加速度传感 器，温度传感器，用 以获取控制算法所需 数据；液压试验台为 主动悬架提供激励 源，模拟实际道路工 况；
5、主动悬架系统相 当于控制算法的执行 机构，包括减振器、 油气悬架、液压泵及 控制液压管路通断的 各个比例阀和开关阀 等部件；上述各环节 有机结合一个完整闭 环系统，测控平台结 构框架下图所示：图 1 测控平台结构框 架上位机、 控制器两者通过网线 连接，上位机对仿真 过程的测控通过共享 变量来实现。该监测系 统可对试验涉及的各 个设备进行集中配 置，对所有设备的开 停和调节，都可以在 上位机上完成，使得 试验人员操作轻松便 捷，减轻了试验的劳 动强度，提高了试验 的效率。试验人员通 过计算机显示屏，可 以实时了解车辆悬架 系统各个数据采集点 上的温度、压力、加 速度和动行程等数 据，并进行有关
6、测量 分析，依此判断悬架 系统性能及减振效 果，并随时可以进行 人工干预。上位机是 整个测控系统的核 心，具有良好的人机 交互界面，同时它也 是测控软件的载体。 NI 的 PXI 机箱、 控制器配合基于 LabVIEW 等开 发的应用软件就构成 了虚拟仪器测控平 台，实现了全数字化 采集测试分析功能， 具有软硬件资源丰 富、扩展性强、测试 过程自动化、测试精 度高、重复性好、操 作方便、性价比高等 优点。在油气悬 架及减振器缸内安装 有温度传感器及压力 传感器，在非簧载质 量轴头及簧载质量上 安装有加速度传感 器，在非簧载质量与 簧载质量间安装有拉 线式位移传感器。传 感器采集的信号通过 信号
7、调理模块消除偏 置，传至 PXI 板卡 的模拟信号接口，经 模数转换后，传至上 位机。1/7主动悬架测控系统台 架试验硬件部分连接 关系如下图所示：图 2 主动悬架测 控系连接关系该主动悬 架台架试验测控系统 输出的控制信号分为 3 路 PWM 信号及 1 路开关信号两种。 PWM 信号用以： 1）驱动电机，带动 液压泵，为整个主动 悬架系统提供动力 源；2 ）调节比例减 压溢流阀开度，以实 现对液压管路内压力 值的控制；3 ）调节 阻尼阀开度，实现对 阻尼比的调节，达到 调节阻尼力的目的。 1 路开关信号用以调 节二位二通阀的通 断，实现对主动悬架 的开停功能。由 PXI 板卡输出的控 制信
8、号，首先经过信 号预处理模块增加信 号的驱动能力，再连 接至被控部件。图 3 主动悬架测控 系统台架试验硬件部 分连接关系3. 测控系统平台 软件设计及应用方法该上位机 监测程序可以实现对 台架试验数据的采 集、记录、分析、运 算等各项功能，并可 将记录数据、分析结 果及图表生成试验报 告。试验系统的调 试、测控均以达到自 动化，具有很高可靠 性，并且操作界面友 好便捷，易于使用。 该检测软件主要功能 如下表所示：表 1 软件功能表1.波形浏览/设置a.采样率设置，初 始值为 1000b.选择示波器中所 显示的信号类型，包 括温度，压力，加速 度，动行程c.滤波设置，包括 拓扑结构，滤波类 型
9、，地截止频率，高 截止频率，阶数， IIR/FIR 选择2.波形测量对任意一路输入信号 进行测量，得出信号 的最大值，最小值， 均方根值，基波频 率，直流值，周期平 均值，上升时间，下 降时间3.FFT 频谱对任意一类输入信 号，计算其中每路信 号的幅度（均方 根），幅度（峰 值），功率谱，功率 谱密度4.波形回放a.将保存的数据重 新导入示波器，进行 回放b.对保存的数据进 行时域回放的同时， 进行滤波，和 FFT 功率谱计算c.滤波设置包括： 拓扑结构，滤波类 型，低截止频率，高 截止频率，阶数， IIR/FIRd.功率谱计算设置 包括：加窗选择， dB 开关，信号频率 峰值估计2/7e.
10、可以对两路信号 进行回放，再回放过 程中，仍然可以选择 其他信号，但示波器 最多同时显示两路信 号5.幅频特性显示加速度和动行程 两种信号的幅频特性 分析结果，分别显示 在两个波形中6.综合功能a.对示波器上所显 示信号进行保存，包 括时域信号和频域信 号b.对示波器上的波 形进行即时保存，保 存为图片格式c.在时域或者频域 时调整示波器 X，Y 轴量程d.示波器提供两个 游标，可读取示波器 上任意点的坐标e.对示波器界面进 行局部放大和拖拽3.1 操作界面该台架试 验测控系统软件部分 基于 LabVIEW 虚拟仪器开发环境编 写，可以实现多路信 号采集、测量、分 析，控制信号输出， 测试数据
11、保存、读取 等功能，能完全应对 各种主动或半主动悬 架台架试验的要求， 该操作界面与实验室 常用示波器类似，易 于上手。操作界面以选项卡 的形式，将该系统分 为波形浏览/设置、 波形测量、FFT 频 谱、波形回放和幅频 特性分析五大功能， 此外，系统还可根据 操作者实际使用需 求，调节波形图 X， Y 轴坐标量程，实时 截取波形图当前波形 并保存为.dmp 文 件，编辑实验名称， 实验人员及文件名等 辅助功能。系统启动 前，应首先对采样率进行设置，系统运行 后，便可根据实际需 要进行相应操作，实 现对采集数据的浏 览、测量、分析、记 录。系统的操作主界 面如下图所示。图 4 上位机监测程 序操
12、作主界面3. 2 数据采集、分析功能测控系统 对主动悬架控制算法 所需的参数进行统一 测量与分析，按照图 1.3 所示的连接关 系，将温度、压力、 加速度、位移等传感 器测得信号经信号调 理后的 05V标准 信号传给 PXI 系 统，并显示在测控界 面上。测控平台对所测得的 数据提供多种测量分 析及数据处理选项：A. 滤波设置测控平台提供了丰富 的滤波方式，可以针 对不同情况进行相应 的滤波设置，包含贝 塞尔、 Butterworth、 Chebyshev、 反 Chebyshev、 椭圆等 5 种滤波的拓 扑结构，高通、低 通、带通、带阻、平 滑等 5 种滤波类型， 并可对滤波器高低截 止频
13、率及滤波器阶 数、 IIR/FIR 选择进行相应设置。图 5 上位机程序滤 波选项B. 波形测量测控平台可对台架试 验系统任意一路传感 器信号进行测量，测 试界面剂内容如下图 所示。3/7图 6 上位机程序波 形测量选项C. FFT 频谱测控平台可对加速度 及动行程信号进行 FFT 幅值（均方根 值）、FFT 幅值 （峰值）、功率谱及 功率谱密度测量，并 将测量结果以波形的 形式显示。图 7 上位机程序 FFT 频谱选项D. 幅频特性分析测控平台根据加速度 传感器及位移传感器 测得信号，计算得到 车身加速度幅频特性 及动行程幅频特性。图 8 上位机程序幅 频特性测量选项3.3 波形记录、回放功
14、能4/7试验系统 需要同时对 7 路数据 进行采集，在进行算 法调试的时候，往往 试验周期很长，会根 据需要对某一算法或 产品进行多次试验。 因此，在试验程序中 设计了试验原始数据 保存及回放功能。这 一功能为试验数据的 保存提供了方便、简 单的操作，同时也尽 可能避免因人为因素 造成试验参数设定不 统一，或者试验数据 的遗漏，保证了重复 试验的一致性。试验测得 的数据和试验过程中 其它一些信息，比如 各个测量通道的名 称，总共采集的样本 数，采样间隔，实验 操作者姓名，试验日 期等，都将在文件中 予以保存。试验数据 文件的文件名和保存 路径，都可以有试验 操作人员根据个人习 惯来自定义编辑。
15、试验数据 回放界面如下图所 示。为方便试验人员 对以往试验数据分析 对比，测控系统提供 了数据回放功能，可 将测得的原始数据导 入系统，得到该数据 对应的时域信号，加 速度信号的功率谱密 度，车身加速度幅频 特性图和车身动行程 幅频特性图。波形数 据回放界面如下图所 示。图 9 上位机程序波形数据 回放界面3. 4 测控系统平台应用方 法1. ） 系 统初始化：当进入测 试系统后，第一步就 是进行系统的初始 化，主要对传感器标 定模块、信号采集模 块、控制信号输出模 块、测控系统监测模 块、控制算法导入模 块进行初始化，对出 现的异常情况进行报 错，为测控系统的运 行做必要的准备工 作。2.
16、） 设 置相应测试参数及测 试信息：包括采样信 息，测试时间，测试 人员，测试备注信息 等。3. ） 传 感器标定：任何传感 器在使用开始时或使 用一段时间后都会有 误差。为了保证测试 精度，必须对传感器 进行标定，得出新的 标定值。标定的方法 是在有效测试范围 内，测 5 个或更多的 点，并输入相应的参 数值，计算机根据输 入的值，利用线性回 归的方法进行计算， 得到回归方程、最大 标定值、最大电压 值、绝对误差相对误 差等，并将这些值存 入相应的文件中。4. ） 将 控制算法导入主动悬 架台架试验测控系 统，建立算法参数与 硬件接口间的对应关 系：首先将控制算法 文件编译为动态链接 库文件
17、，然后将所编 译的动态链接库文件 导入测控系统，在系 统中选择模型与硬件 的通信速率以及使用 到的硬件 I/O 端 口，建立端口与算法 参数的映射关系。5. ） 运 行主动悬架台架试验 测控系统：直至完成 设定试验内容，系统 停止工作，出发试验 过程中出现系统异常 造成的系统自动停机 或人为急停。6. ） 对 测量数据进行实时采 集处理和分析：本系 统包含对信号滤波拓 扑结构，滤波类型， 低截止频率，高截止 频率，阶数， IIR/FIR 等滤 波功能设置，对所有 信号的最大值，最小 值，均方根值，基波 频率，直流值，周期 平均值，上升时间， 下降时间进行运算， 并可计算加速度和位 移信号的幅值
18、谱、均 方根谱、功率谱及功 率谱密度，可计算车 辆簧载质量加速度幅 频特性、动行程幅频 特性。7. ） 对 测量数据进行实时存 储：主要是将采集的 信号以 LabVIEW 特有 的.tdms 文件格 式储存在本地硬盘 上，也可将数据储存 在数据库中，便于日 后分析或处理。8. ） 对 测量数据进行实时显 示及回放：主要是将 采集的信号在时域和 频域上进行实时显 示；也可对保存的. tdms 文件从新读 取，并显示在上位机 终端上。通过多次试 验结果的对比显示， 可以方便的知道各个 控制算法的优劣，为 选择合适的控制算法 提供依据。9. ） 试 验完成后，可按照不 同报表格式进行试验 结果打印，综合评价 控制算法的控制效 果。4. 结论本文所述 设计方案提供的测试 系统不仅能满足主动 悬架系统的测试要 求，还可以完全兼容 半主动及被动悬架的 测试，测试过程自动 化、精度高、重复性 好，且较国外同等功 能设备，价格低廉， 硬件配置简单，可扩 展性强。Author Information:张 旭 东5/7
