李占旗，劉全周，陳慧鵬

（中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

基于系統(tǒng)級的電動助力轉(zhuǎn)向控制測試評價研究

李占旗，劉全周，陳慧鵬

（中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

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

電動助力轉(zhuǎn)向；測試評價；硬件在環(huán)；系統(tǒng)級

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

硬件在環(huán)（HIL）仿真測試是汽車電控系統(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，并對傳感器信號進(jìn)行仿真執(zhí)行器信號進(jìn)行采集，同時建立整車總線通信網(wǎng)絡(luò)，能夠為電控系統(tǒng)構(gòu)建一個虛擬的整車電氣和工況運行環(huán)境。HIL測試在裝車試驗之前便可以對電控系統(tǒng)進(jìn)行完整的功能策略測試以及各類故障模式下的診斷安全策略測試［2］。

本文基于一款管柱式EPS系統(tǒng)總成，構(gòu)建了EPS機械級硬件在環(huán)測試系統(tǒng)平臺，通過對功能和故障診斷策略進(jìn)行研究，開發(fā)了機械級EPS的測試評價規(guī)范，實現(xiàn)了對EPS系統(tǒng)有效的驗證和測試。

1 EPS硬件在環(huán)測試的幾種方案

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由電控單元、轉(zhuǎn)向助力電機及減速機構(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EPS進(jìn)行硬件在環(huán)仿真測試，可以采用信號級、功率級、機械級的幾種測試方案，如圖1所示。信號級測試，被測對象為控制器的控制單元部分，功率單元、助力電機、轉(zhuǎn)向機構(gòu)及整車系統(tǒng)采用模型進(jìn)行仿真。功率級測試，被測對象為控制器整體，包括控制單元和功率單元，助力電機、轉(zhuǎn)向機構(gòu)及整車系統(tǒng)采用模型進(jìn)行仿真。機械級測試，被測對象為控制器和助力電機整體，轉(zhuǎn)向機構(gòu)及整車系統(tǒng)采用模型進(jìn)行仿真，由于助力電機與減速機構(gòu)多為整體結(jié)構(gòu)，機械級測試的實物大多包括轉(zhuǎn)向助力總成。對于3種級別的測試方案，隨著被測對象的范圍擴大，測試自由度逐漸降低，但測試結(jié)果與實際系統(tǒng)更加接近。

圖1 EPS硬件在環(huán)測試的幾種方案

信號級測試以控制策略測試為主要目標(biāo)，機柜對電機控制信號進(jìn)行采集，電機模型再根據(jù)采集的控制信號進(jìn)行動作響應(yīng)。EPS控制器一般集成有控制單元和功率驅(qū)動單元，因此采用信號級測試時需要打開控制器，把控制信號引到外部與仿真機柜進(jìn)行連接，該類測試主要由控制器供應(yīng)商進(jìn)行。

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

機械級測試以系統(tǒng)特性作為主要測試目標(biāo)，可以對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)特性測試，由于控制器和轉(zhuǎn)向助力總成均為實物，測試的特性與實際更加接近，該類測試適用于整車廠。

根據(jù)EPS開發(fā)階段及測試重點的不同，可以選擇不同級別的測試方案。本文主要從EPS機械級測試出發(fā)，對EPS系統(tǒng)的測試評價進(jìn)行研究。

2 機械級測試系統(tǒng)平臺構(gòu)建

2.1 測試系統(tǒng)總體架構(gòu)

針對EPS機械級測試，構(gòu)建的硬件在環(huán)測試系統(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 包括HIL機柜、被測EPS總成與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗臺組成的測試臺架。

2）軟件控制系統(tǒng) 包括測試管理平臺、自動化測試平臺。

3）實時仿真模型系統(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、IO模型。

4）上位機控制平臺 運行軟件控制系統(tǒng)和實時仿真模型系統(tǒng)，并與硬件仿真平臺連接對其進(jìn)行控制與監(jiān)視測量。

2.2 硬件仿真平臺設(shè)計搭建

硬件仿真平臺進(jìn)行EPS控制器供電、傳感器信號仿真、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械運行環(huán)境。

HIL機柜為德國dSPACE提供的硬件在環(huán)仿真測試機柜，配置有高效的實時處理器、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機械級硬件在環(huán)測試系統(tǒng)總體架構(gòu)

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗臺主要用于管柱式EPS進(jìn)行機械級測試，主要包括轉(zhuǎn)向電機、負(fù)載電機（轉(zhuǎn)向阻力電機）、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)向電機模擬駕駛員的轉(zhuǎn)向輸入，負(fù)載電機模擬等效到轉(zhuǎn)向管柱下端的轉(zhuǎn)向阻力，轉(zhuǎn)向端和負(fù)載端2個轉(zhuǎn)矩傳感器分別測量轉(zhuǎn)向端和負(fù)載端的實際轉(zhuǎn)矩。通過駕駛員轉(zhuǎn)向輸入，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)向電機的轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)矩控制；通過整車動力學(xué)模型計算的轉(zhuǎn)向阻力，實現(xiàn)對負(fù)載電機轉(zhuǎn)矩的控制。

被測EPS總成包括EPS控制器、助力電機和轉(zhuǎn)向管柱，通過設(shè)計定制的夾具與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗臺進(jìn)行機械連接。

HIL機柜與測試臺架通過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。

基于搭建的平臺，通過對臺架轉(zhuǎn)向和負(fù)載電機驅(qū)動器參數(shù)以及電機控制模型中電機閉環(huán)控制參數(shù)進(jìn)行配置調(diào)整，實現(xiàn)對EPS測試臺架的調(diào)試。調(diào)試主要包括轉(zhuǎn)矩傳感器零位校準(zhǔn)、轉(zhuǎn)向電機角度模式和轉(zhuǎn)矩模式調(diào)試、負(fù)載電機轉(zhuǎn)矩模式調(diào)試等。

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

圖3 助力電流-機柜采集與EPS總線值對比曲線

2.3 軟件控制系統(tǒng)平臺創(chuàng)建

軟件控制系統(tǒng)平臺包括測試管理平臺和自動化測試平臺。

測試管理平臺基于ControlDesk測試管理軟件進(jìn)行設(shè)計創(chuàng)建，通過創(chuàng)建的圖形化界面對整個測試過程進(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是臺架電機控制與監(jiān)控界面。

圖4 測試管理界面示例（臺架電機控制與監(jiān)控）

自動化測試平臺基于AutomationDesk自動化測試軟件開發(fā)，通過圖形化的操作進(jìn)行自動化測試序列和腳本的開發(fā)，實現(xiàn)對測試流程的設(shè)計、編寫和管理，通過與測試管理平臺的鏈接，實現(xiàn)測試用例的自動運行和管理。圖5是編寫的自動化測試序列和運行后生成的測試結(jié)果。

2.4 實時仿真模型

圖5 自動化測試序列和測試結(jié)果示例

IO模型基于Matlab/Simulink開發(fā)，實現(xiàn)HIL機柜與EPS ECU的IO信號交互和CAN通信以及EPS臺架的控制和臺架相關(guān)信號的采集。

整車系統(tǒng)模型主要包括Soft ECU、發(fā)動機、傳動系、車輛動力學(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對車輛模型進(jìn)行參數(shù)化，使實時車輛模型能夠正確模擬車輛運動，被控對象能夠及時準(zhǔn)確響應(yīng)控制器的控制動作，并把車輛的運動狀態(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)實時仿真模型。

3 測試開發(fā)與實施3.1 測試內(nèi)容

基于構(gòu)建的系統(tǒng)測試平臺，通過仿真工況設(shè)計和各類故障模式的模擬，可以實現(xiàn)對EPS功能和故障診斷的測試。

功能測試主要實現(xiàn)對EPS功能策略的測試和驗證，內(nèi)容見表1。

表1 EPS功能測試內(nèi)容

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

表2 EPS故障注入類型

3.2 測試開發(fā)

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

3.3 測試實施

基于構(gòu)建的系統(tǒng)測試平臺和開發(fā)的測試規(guī)范，實現(xiàn)對EPS功能和故障診斷的測試。

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，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EPS故障燈點亮。

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)測試平臺和開發(fā)的測試規(guī)范，可以對EPS系統(tǒng)進(jìn)行功能和故障診斷的測試和評價。

4 結(jié)論

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

［1］ 陳奎元，馬小平，季學(xué)武.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制技術(shù)的研究［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報（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控制器測試評價技術(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)機械學(xué)報，2009（2）:18-21.

［4］ 呂威. 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)穩(wěn)定性和電流控制算法研究［D］.長春：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，主要研究方向為汽車電控系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真測試。