基于系統(tǒng)級(jí)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制測(cè)試評(píng)價(jià)研究

李占旗，劉全周，陳慧鵬

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

基于系統(tǒng)級(jí)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制測(cè)試評(píng)價(jià)研究

李占旗，劉全周，陳慧鵬

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（EPS）硬件在環(huán)（HIL）測(cè)試的3種方案進(jìn)行了對(duì)比分析，基于HIL仿真系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向試驗(yàn)臺(tái)，構(gòu)建了EPS機(jī)械系統(tǒng)級(jí)的虛擬整車測(cè)試平臺(tái)。研究分析EPS功能和故障診斷測(cè)試內(nèi)容，通過車輛動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向工況的仿真以及各類故障的注入，對(duì)EPS系統(tǒng)控制功能和故障模式下診斷安全策略進(jìn)行了測(cè)試和評(píng)價(jià)。EPS系統(tǒng)級(jí)HIL測(cè)試可以在整車試裝前使測(cè)試更加接近實(shí)車，又能覆蓋實(shí)車難以實(shí)現(xiàn)的邊界極限及故障工況。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向；測(cè)試評(píng)價(jià)；硬件在環(huán)；系統(tǒng)級(jí)

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（EPS）系統(tǒng)通過控制電機(jī)直接提供轉(zhuǎn)向助力，可以很好地協(xié)調(diào)車輛低速行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向輕便性和高速行駛時(shí)路感之間的矛盾，并且具有響應(yīng)快、節(jié)約燃料、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在乘用車已得到廣泛應(yīng)用［1］。

硬件在環(huán)（HIL）仿真測(cè)試是汽車電控系統(tǒng)正向開發(fā)過程中把握產(chǎn)品品質(zhì)的重要環(huán)節(jié)，它通過建立整車及道路環(huán)境模型，并對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行仿真執(zhí)行器信號(hào)進(jìn)行采集，同時(shí)建立整車總線通信網(wǎng)絡(luò)，能夠?yàn)殡娍叵到y(tǒng)構(gòu)建一個(gè)虛擬的整車電氣和工況運(yùn)行環(huán)境。HIL測(cè)試在裝車試驗(yàn)之前便可以對(duì)電控系統(tǒng)進(jìn)行完整的功能策略測(cè)試以及各類故障模式下的診斷安全策略測(cè)試［2］。

本文基于一款管柱式EPS系統(tǒng)總成，構(gòu)建了EPS機(jī)械級(jí)硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)，通過對(duì)功能和故障診斷策略進(jìn)行研究，開發(fā)了機(jī)械級(jí)EPS的測(cè)試評(píng)價(jià)規(guī)范，實(shí)現(xiàn)了對(duì)EPS系統(tǒng)有效的驗(yàn)證和測(cè)試。

1 EPS硬件在環(huán)測(cè)試的幾種方案

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由電控單元、轉(zhuǎn)向助力電機(jī)及減速機(jī)構(gòu)、電磁離合器、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器、車速傳感器等組成［3-4］。

針對(duì)EPS進(jìn)行硬件在環(huán)仿真測(cè)試，可以采用信號(hào)級(jí)、功率級(jí)、機(jī)械級(jí)的幾種測(cè)試方案，如圖1所示。信號(hào)級(jí)測(cè)試，被測(cè)對(duì)象為控制器的控制單元部分，功率單元、助力電機(jī)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及整車系統(tǒng)采用模型進(jìn)行仿真。功率級(jí)測(cè)試，被測(cè)對(duì)象為控制器整體，包括控制單元和功率單元，助力電機(jī)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及整車系統(tǒng)采用模型進(jìn)行仿真。機(jī)械級(jí)測(cè)試，被測(cè)對(duì)象為控制器和助力電機(jī)整體，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及整車系統(tǒng)采用模型進(jìn)行仿真，由于助力電機(jī)與減速機(jī)構(gòu)多為整體結(jié)構(gòu)，機(jī)械級(jí)測(cè)試的實(shí)物大多包括轉(zhuǎn)向助力總成。對(duì)于3種級(jí)別的測(cè)試方案，隨著被測(cè)對(duì)象的范圍擴(kuò)大，測(cè)試自由度逐漸降低，但測(cè)試結(jié)果與實(shí)際系統(tǒng)更加接近。

圖1 EPS硬件在環(huán)測(cè)試的幾種方案

信號(hào)級(jí)測(cè)試以控制策略測(cè)試為主要目標(biāo)，機(jī)柜對(duì)電機(jī)控制信號(hào)進(jìn)行采集，電機(jī)模型再根據(jù)采集的控制信號(hào)進(jìn)行動(dòng)作響應(yīng)。EPS控制器一般集成有控制單元和功率驅(qū)動(dòng)單元，因此采用信號(hào)級(jí)測(cè)試時(shí)需要打開控制器，把控制信號(hào)引到外部與仿真機(jī)柜進(jìn)行連接，該類測(cè)試主要由控制器供應(yīng)商進(jìn)行。

功率級(jí)測(cè)試把功率驅(qū)動(dòng)和控制策略一同作為測(cè)試目標(biāo)，控制器是作為一個(gè)整體進(jìn)行測(cè)試的，該類測(cè)試適用于供應(yīng)商和整車廠。

機(jī)械級(jí)測(cè)試以系統(tǒng)特性作為主要測(cè)試目標(biāo)，可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性測(cè)試，由于控制器和轉(zhuǎn)向助力總成均為實(shí)物，測(cè)試的特性與實(shí)際更加接近，該類測(cè)試適用于整車廠。

根據(jù)EPS開發(fā)階段及測(cè)試重點(diǎn)的不同，可以選擇不同級(jí)別的測(cè)試方案。本文主要從EPS機(jī)械級(jí)測(cè)試出發(fā)，對(duì)EPS系統(tǒng)的測(cè)試評(píng)價(jià)進(jìn)行研究。

2 機(jī)械級(jí)測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)建

2.1 測(cè)試系統(tǒng)總體架構(gòu)

針對(duì)EPS機(jī)械級(jí)測(cè)試，構(gòu)建的硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示，主要構(gòu)成如下。

1）硬件仿真平臺(tái) 包括HIL機(jī)柜、被測(cè)EPS總成與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)組成的測(cè)試臺(tái)架。

2）軟件控制系統(tǒng) 包括測(cè)試管理平臺(tái)、自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)。

3）實(shí)時(shí)仿真模型系統(tǒng) 包括整車系統(tǒng)模型、整車模型參數(shù)化和工況設(shè)置平臺(tái)、IO模型。

4）上位機(jī)控制平臺(tái) 運(yùn)行軟件控制系統(tǒng)和實(shí)時(shí)仿真模型系統(tǒng)，并與硬件仿真平臺(tái)連接對(duì)其進(jìn)行控制與監(jiān)視測(cè)量。

2.2 硬件仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)搭建

硬件仿真平臺(tái)進(jìn)行EPS控制器供電、傳感器信號(hào)仿真、轉(zhuǎn)向輸入與負(fù)載控制、EPS控制狀態(tài)采集，并通過殘余節(jié)點(diǎn)仿真建立整車虛擬CAN網(wǎng)絡(luò)，為EPS總成建立整車電氣及機(jī)械運(yùn)行環(huán)境。

HIL機(jī)柜為德國(guó)dSPACE提供的硬件在環(huán)仿真測(cè)試機(jī)柜，配置有高效的實(shí)時(shí)處理器、豐富的IO資源板卡和故障注入板卡，供電電壓范圍0～30 V，供電電流范圍0～110A。

圖2 EPS機(jī)械級(jí)硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)總體架構(gòu)

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)主要用于管柱式EPS進(jìn)行機(jī)械級(jí)測(cè)試，主要包括轉(zhuǎn)向電機(jī)、負(fù)載電機(jī)（轉(zhuǎn)向阻力電機(jī)）、轉(zhuǎn)向端轉(zhuǎn)矩傳感器、負(fù)載端轉(zhuǎn)矩傳感器、電流傳感器等。轉(zhuǎn)向電機(jī)模擬駕駛員的轉(zhuǎn)向輸入，負(fù)載電機(jī)模擬等效到轉(zhuǎn)向管柱下端的轉(zhuǎn)向阻力，轉(zhuǎn)向端和負(fù)載端2個(gè)轉(zhuǎn)矩傳感器分別測(cè)量轉(zhuǎn)向端和負(fù)載端的實(shí)際轉(zhuǎn)矩。通過駕駛員轉(zhuǎn)向輸入，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)向電機(jī)的轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)矩控制；通過整車動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算的轉(zhuǎn)向阻力，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。

被測(cè)EPS總成包括EPS控制器、助力電機(jī)和轉(zhuǎn)向管柱，通過設(shè)計(jì)定制的夾具與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行機(jī)械連接。

HIL機(jī)柜與測(cè)試臺(tái)架通過IO通道、CAN總線等進(jìn)行配置和映射連接，形成硬件仿真平臺(tái)。

基于搭建的平臺(tái)，通過對(duì)臺(tái)架轉(zhuǎn)向和負(fù)載電機(jī)驅(qū)動(dòng)器參數(shù)以及電機(jī)控制模型中電機(jī)閉環(huán)控制參數(shù)進(jìn)行配置調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)EPS測(cè)試臺(tái)架的調(diào)試。調(diào)試主要包括轉(zhuǎn)矩傳感器零位校準(zhǔn)、轉(zhuǎn)向電機(jī)角度模式和轉(zhuǎn)矩模式調(diào)試、負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)矩模式調(diào)試等。

臺(tái)架調(diào)試完成后進(jìn)行開環(huán)系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定與測(cè)試，主要對(duì)HIL機(jī)柜與EPS各IO通道電氣信號(hào)及CAN信號(hào)是否正常進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)機(jī)柜與EPS物理信號(hào)的一致性進(jìn)行標(biāo)定。以圖3為例，是機(jī)柜采集的助力電流與EPS總線電流值之間的對(duì)比曲線。

圖3 助力電流-機(jī)柜采集與EPS總線值對(duì)比曲線

2.3 軟件控制系統(tǒng)平臺(tái)創(chuàng)建

軟件控制系統(tǒng)平臺(tái)包括測(cè)試管理平臺(tái)和自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)。

測(cè)試管理平臺(tái)基于ControlDesk測(cè)試管理軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)建，通過創(chuàng)建的圖形化界面對(duì)整個(gè)測(cè)試過程進(jìn)行控制和管理，包括硬件管理、虛擬儀表顯示、數(shù)據(jù)監(jiān)控、變量及參數(shù)設(shè)置等。圖4是臺(tái)架電機(jī)控制與監(jiān)控界面。

圖4 測(cè)試管理界面示例（臺(tái)架電機(jī)控制與監(jiān)控）

自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)基于AutomationDesk自動(dòng)化測(cè)試軟件開發(fā)，通過圖形化的操作進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)試序列和腳本的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試流程的設(shè)計(jì)、編寫和管理，通過與測(cè)試管理平臺(tái)的鏈接，實(shí)現(xiàn)測(cè)試用例的自動(dòng)運(yùn)行和管理。圖5是編寫的自動(dòng)化測(cè)試序列和運(yùn)行后生成的測(cè)試結(jié)果。

2.4 實(shí)時(shí)仿真模型

圖5 自動(dòng)化測(cè)試序列和測(cè)試結(jié)果示例

IO模型基于Matlab/Simulink開發(fā)，實(shí)現(xiàn)HIL機(jī)柜與EPS ECU的IO信號(hào)交互和CAN通信以及EPS臺(tái)架的控制和臺(tái)架相關(guān)信號(hào)的采集。

整車系統(tǒng)模型主要包括Soft ECU、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系、車輛動(dòng)力學(xué)、道路環(huán)境以及駕駛員模型。模型基于Matlab/Simulink環(huán)境建立，根據(jù)車輛相關(guān)特性數(shù)據(jù)，可以通過模型參數(shù)化軟件ModelDesk對(duì)車輛模型進(jìn)行參數(shù)化，使實(shí)時(shí)車輛模型能夠正確模擬車輛運(yùn)動(dòng)，被控對(duì)象能夠及時(shí)準(zhǔn)確響應(yīng)控制器的控制動(dòng)作，并把車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)提供給控制器。

通過把IO模型和整車系統(tǒng)模型集成匹配，形成系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真模型。

3 測(cè)試開發(fā)與實(shí)施3.1 測(cè)試內(nèi)容

基于構(gòu)建的系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，通過仿真工況設(shè)計(jì)和各類故障模式的模擬，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)EPS功能和故障診斷的測(cè)試。

功能測(cè)試主要實(shí)現(xiàn)對(duì)EPS功能策略的測(cè)試和驗(yàn)證，內(nèi)容見表1。

表1 EPS功能測(cè)試內(nèi)容

故障診斷測(cè)試通過故障的注入，從故障識(shí)別和故障安全處理措施的角度對(duì)EPS故障診斷策略進(jìn)行測(cè)試，故障注入的類型見表2。

表2 EPS故障注入類型

3.2 測(cè)試開發(fā)

依據(jù)測(cè)試內(nèi)容和設(shè)計(jì)規(guī)范，開發(fā)功能和故障診斷測(cè)試規(guī)范。測(cè)試規(guī)范包括整個(gè)測(cè)試內(nèi)容的系統(tǒng)功能劃分、測(cè)試項(xiàng)和測(cè)試目的概述、測(cè)試初始條件、測(cè)試步驟、結(jié)束狀態(tài)、期望結(jié)果，并具有可追溯性，便于測(cè)試管理。

3.3 測(cè)試實(shí)施

基于構(gòu)建的系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)和開發(fā)的測(cè)試規(guī)范，實(shí)現(xiàn)對(duì)EPS功能和故障診斷的測(cè)試。

圖6是車輛以40 km/h速度行駛過程中，按120°幅值0.2 Hz正弦轉(zhuǎn)向時(shí)，EPS助力電流、轉(zhuǎn)向力矩、負(fù)載力矩、車輛橫擺角速度和側(cè)向加速度曲線。

圖6 車速40 km/h正弦轉(zhuǎn)向助力及車輛狀態(tài)曲線

圖7是系統(tǒng)供電電壓從12 V緩慢降到8 V過程中，EPS助力效果的變化曲線。從圖7中可以看出，當(dāng)系統(tǒng)供電電壓由12 V緩慢降到8 V的過程中，助力電流先增加，保持助力效果不變（轉(zhuǎn)向力矩和負(fù)載力矩不變）；在電壓大約為9 V后助力電流減小助力效果開始減弱，直到電壓為8.3 V后助力消失，同時(shí)EPS故障燈點(diǎn)亮。

圖7 供電電壓12 V—8 V變化過程助力效果曲線

從圖6和圖7可以看出，基于構(gòu)建的系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)和開發(fā)的測(cè)試規(guī)范，可以對(duì)EPS系統(tǒng)進(jìn)行功能和故障診斷的測(cè)試和評(píng)價(jià)。

4 結(jié)論

對(duì)EPS硬件在環(huán)測(cè)試的幾種方案進(jìn)行了對(duì)比分析。從機(jī)械系統(tǒng)級(jí)測(cè)試方案出發(fā)，通過構(gòu)建機(jī)械級(jí)測(cè)試系統(tǒng)軟硬件和模型平臺(tái)，并通過對(duì)EPS功能和故障診斷測(cè)試內(nèi)容的分析以及測(cè)試規(guī)范的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)EPS功能控制策略以及多種故障模式下診斷安全策略的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，構(gòu)建的EPS機(jī)械級(jí)測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)可以有效地對(duì)EPS的功能策略和故障診斷策略進(jìn)行驗(yàn)證和測(cè)試。

［1］ 陳奎元，馬小平，季學(xué)武.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制技術(shù)的研究［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004（1）:21-24.

［2］ 劉全周，李占旗，張蕾，等. 基于硬件在環(huán)技術(shù)的DCT控制器測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)研究［J］.新型工業(yè)化，2015（8）：39-43.

［3］ 趙景波，陳龍，江浩斌，等.汽車EPS故障模式分析與其控制技術(shù)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009（2）:18-21.

［4］ 呂威. 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)穩(wěn)定性和電流控制算法研究［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2010：11-15.

（編輯 楊 景）

Research on Test and Evaluation of Electric Power Steering Based on System

LI Zhan-qi，LIU Quan-zhou，CHEN Hui-peng
（China Automotive Technology & Research Centre，Tianjin 300300，China）

Three solutions of electric power steering （EPS） hardware-in-the-loop （HIL） test are compared and analyzed. The virtual vehicle test platform for EPS including mechanical system is constructed based on HIL simulation system and steering test bench. The EPS control function and fault diagnosis strategies are researched，tested and evaluated through the vehicle steering dynamic condition simulation and various fault injecting. EPS system-level HIL test not only makes the test condition closer to the real situation，but also covers the extreme conditions that are difficult to simulate on real vehicles.

EPS；test and evaluation；Hardware-In-The-Loop；system

U463.6

A

1003-8639（2017）10-0065-04

2017-07-20

李占旗（1985-），男，河南扶溝人，工程師，碩士，主要研究方向?yàn)槠囯娍叵到y(tǒng)硬件在環(huán)仿真測(cè)試。