李占旗 高繼東 劉全周

摘要：為內(nèi)置集成車輛姿態(tài)傳感器的ESC能夠進(jìn)行完整的功能和故障安全策略測試，提出在硬件在環(huán)（HIL）仿真測試技術(shù)中融合運(yùn)動仿真及電磁閥信號檢測方法。三維運(yùn)動轉(zhuǎn)臺通過模擬車輛三軸運(yùn)動實(shí)現(xiàn)對車輛姿態(tài)傳感器的運(yùn)動激勵；液壓控制電磁閥信號檢測單元通過霍爾傳感器直接對線圈磁場強(qiáng)度進(jìn)行感應(yīng)，再通過參數(shù)標(biāo)定實(shí)現(xiàn)對閥控制電流的準(zhǔn)確采集，繼而驅(qū)動液壓調(diào)節(jié)器模型；基于懸架KC及輪胎動態(tài)試驗(yàn)等數(shù)據(jù)對整車系統(tǒng)模型進(jìn)行參數(shù)化與調(diào)校，使之與實(shí)車特性具有較高的一致性；對功能測試內(nèi)容及各類故障模式進(jìn)行分析。構(gòu)建的ESC HIL仿真測試系統(tǒng)平臺能夠?yàn)榧墒紼SC提供完整的虛擬整車運(yùn)行環(huán)境.開發(fā)的測試評價(jià)規(guī)范可以作為對ESC控制進(jìn)行評價(jià)的有效依據(jù)。

關(guān)鍵詞：車輛工程；仿真測試；硬件在環(huán)；電子穩(wěn)定性控制；閥信號檢測

0引言

汽車行駛的安全性很大程度上依賴于側(cè)向動力學(xué)，側(cè)向穩(wěn)定性的喪失將使汽車失去轉(zhuǎn)向能力或引起劇烈回轉(zhuǎn)。電子穩(wěn)定性控制（ESC）系統(tǒng)以轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、車輛橫擺角速度及側(cè)向加速度等作為輸入，通過控制差動制動和調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩有效保證汽車的側(cè)向穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向操作性。ESC在保障汽車行駛側(cè)向穩(wěn)定性方面起著至關(guān)重要的作用翻。

由于汽車失穩(wěn)大多發(fā)生在低附著的冰雪路面或極限的駕駛過程，為了對ESC進(jìn)行完整高效的測試和驗(yàn)證，硬件在環(huán)（HIL）仿真測試技術(shù)具有明顯的實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢。HIL仿真測試通過為電控系統(tǒng)構(gòu)建虛擬的整車電氣和工況運(yùn)行環(huán)境，能夠?qū)囕v各種復(fù)雜、極限、危險(xiǎn)駕駛工況進(jìn)行仿真，同時(shí)能夠?yàn)殡娍叵到y(tǒng)進(jìn)行各類故障模式的模擬，從而可以對電控系統(tǒng)進(jìn)行完整的功能策略測試以及各類故障模式下的安全處理策略測試。

硬件在環(huán)仿真測試技術(shù)在國外主要的汽車公司已經(jīng)獲得了廣泛認(rèn)可和應(yīng)用，國內(nèi)汽車企業(yè)在逐步規(guī)范電控系統(tǒng)開發(fā)流程的同時(shí)對其認(rèn)識也在逐漸深入。針對ESC的硬件在環(huán)仿真測試技術(shù)研究，在國外汽車企業(yè)和科研單位都比較廣泛，在國內(nèi)較少且主要集中在高校?？傮w來說，國內(nèi)外對于ESC的HIL仿真測試系統(tǒng)平臺多帶有真實(shí)的液壓或氣動管路，需要與液壓或氣動制動系統(tǒng)臺架結(jié)合，如Edoardo Sabbioni等建立了液壓制動系統(tǒng)臺架，陸藝等建立了氣動制動系統(tǒng)臺架；同時(shí)對車輛橫擺角速度、側(cè)向加速度及縱向加速度傳感器（本文統(tǒng)稱這3個(gè)傳感器為車輛姿態(tài)傳感器）信號采用總線的方式進(jìn)行仿真。

采用液壓制動系統(tǒng)臺架，可以直接得到制動系統(tǒng)的液壓特性圈，但不能對制動主缸壓力、輪缸壓力變化等液壓制動系統(tǒng)相關(guān)部分注入故障。針對這種限制，本文對液壓制動系統(tǒng)進(jìn)行建模，對ESC液壓控制電磁閥進(jìn)行電磁信號的檢測采集，通過采集到的電磁閥信號驅(qū)動液壓制動系統(tǒng)模型的方式實(shí)現(xiàn)對ESC的硬件在環(huán)仿真測試。這種方式在對液壓系統(tǒng)注入各類故障的同時(shí)也可以靈活改變制動系統(tǒng)參數(shù)，在整車開發(fā)早期制動系統(tǒng)未確定的情況下更加適用。

車輛姿態(tài)傳感器目前多集成在ESC控制器內(nèi)部，針對這種集成式ESC，不能通過總線對其信號進(jìn)行仿真，如果不改變控制器原有軟硬件結(jié)構(gòu)，無法實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)測試。針對這種限制，本文采用3D運(yùn)動轉(zhuǎn)臺通過運(yùn)動仿真的方式實(shí)現(xiàn)對車輛姿態(tài)傳感器的運(yùn)動激勵，從而滿足集成式ESC的硬件在環(huán)測試需求。

1 ESC HIL系統(tǒng)平臺構(gòu)建

1.1總體架構(gòu)

針對車輛姿態(tài)傳感器集成式ESC，結(jié)合運(yùn)動仿真與電磁閥信號檢測技術(shù)，構(gòu)建的HIL系統(tǒng)平臺總體架構(gòu)如圖1所示。

硬件仿真平臺中，HIL機(jī)柜睬用dSPACE Simulator，用于仿真ESC需要的傳感器等輸入信號，采集電磁閥控制等輸出信號，并對3D轉(zhuǎn)臺進(jìn)行控制與狀態(tài)檢測；ESC控制器（ECU）及閥信號檢測單元（VSD）安置在3D轉(zhuǎn)臺中?？刂婆c顯示軟件運(yùn)行于上位機(jī)控制平臺，其中測試管理平臺主要進(jìn)行硬件管理、虛擬儀表顯示、數(shù)據(jù)監(jiān)控、變量及參數(shù)設(shè)置、故障注入及診斷等：3D運(yùn)動可視化平臺主要對車輛運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動畫顯示。實(shí)時(shí)仿真模型由車輛模型和10模型組成，模型參數(shù)化和工況設(shè)置平臺對車輛模型進(jìn)行參數(shù)化并對車輛仿真工況進(jìn)行設(shè)置，實(shí)時(shí)仿真模型在上位機(jī)控制平臺進(jìn)行開發(fā)和配置，并下載實(shí)時(shí)運(yùn)行于HIL機(jī)柜。

1.2硬件仿真平臺設(shè)計(jì)搭建

硬件仿真平臺通過對傳感器信號的模擬、執(zhí)行器信號的采集以及殘余總線的仿真，為ESC提供正常工作的電氣運(yùn)行環(huán)境和總線通信網(wǎng)絡(luò)。對于集成在ESC控制器內(nèi)部的車輛姿態(tài)傳感器，還要通過3D運(yùn)動轉(zhuǎn)臺為其提供運(yùn)動仿真。

1.2.1 3D運(yùn)動轉(zhuǎn)臺

3D運(yùn)動轉(zhuǎn)臺通過3個(gè)伺服電機(jī)的驅(qū)動帶動其轉(zhuǎn)體繞3個(gè)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，ESC控制器通過機(jī)械連接安置在轉(zhuǎn)體上跟隨轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)，從而為車輛姿態(tài)傳感器提供3個(gè)自由度的激勵運(yùn)動。

ESC縱向和側(cè)向加速度傳感器為微機(jī)械傳感器，基于其工作原理，可以通過傳感器的傾斜度實(shí)現(xiàn)對其加速度值的等效，等效的加速度值即是重力加速度在其測量方向的分量，如圖2所示，即a=gsin0，其中。為測量的加速度，g為重力加速度，為轉(zhuǎn)體的傾斜角度。

3D運(yùn)動轉(zhuǎn)臺的其中兩個(gè)電機(jī)采用角度控制模式，可以通過控制轉(zhuǎn)臺傾斜角度的變化實(shí)現(xiàn)對縱向和側(cè)向加速度傳感器的運(yùn)動激勵：另外一個(gè)電機(jī)采用速度控制模式，可以通過控制旋轉(zhuǎn)角速度實(shí)現(xiàn)對橫擺角速度傳感器的運(yùn)動激勵。3個(gè)電機(jī)的運(yùn)動由車輛模型計(jì)算出的縱側(cè)向加速度和橫擺角速度值解耦后進(jìn)行綜合控制，最終使3個(gè)電機(jī)的運(yùn)動與車輛的3個(gè)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)等效。

1.2.2電磁閥信號檢測單元

液壓式ESC的液壓調(diào)節(jié)器（HCU）是對控制器控制指令響應(yīng)的執(zhí)行部件總成，由4個(gè)常開電磁閥、4個(gè)常閉電磁閥、2個(gè)吸入電磁閥、2個(gè)限壓電磁閥、雙聯(lián)液壓泵和直流電機(jī)、蓄能器、緩沖腔、單向閥等組成凹。ESC主要通過對泵電機(jī)和12個(gè)液壓電磁閥的控制，實(shí)現(xiàn)對液壓制動系統(tǒng)的主動建壓以及輪缸增壓、保壓、減壓的控制。

本文構(gòu)建的ESC HIL系統(tǒng)不引入真實(shí)的液壓制動系統(tǒng)，采用閥信號檢測單元對液壓控制電磁閥以及電機(jī)控制信號進(jìn)行采集，驅(qū)動液壓制動系統(tǒng)模型中的HCU模塊。液壓制動系統(tǒng)模型包括制動主缸、真空助力器、除泵電機(jī)外的HCU、液壓管路、輪缸等，ESC控制器及電磁閥線圈、泵電機(jī)為真實(shí)部件。

VSD閥芯安裝有閥信號檢測傳感器，通過將真實(shí)HCU電磁閥芯拆分后的ESC控制器及控制閥線圈配合，可以測量電磁閥信號的電流大小，如圖3所示，對于開關(guān)閥識別其開關(guān)狀態(tài)，對于線性閥測量其控制的電流大小。

由于ESC控制器與HCU拆分，也就拆分出了主缸壓力傳感器和泵電機(jī)。對于主缸壓力傳感器可以通過HIL機(jī)柜對其進(jìn)行電氣仿真，同時(shí)也就增加了主缸壓力變化及配置的靈活性，可以對其注入各類故障。對于泵電機(jī)也可以對其注入電氣故障。

1.2.3信號列表設(shè)計(jì)

信號列表主要是根據(jù)ESC接口需求配置的ESC控制器信號及引腳與HIL機(jī)柜的板卡通道及接口的映射關(guān)系，是搭建硬件臺架及配置10模型的依據(jù)，如圖4所示。

1.2.4 IO模型配置

10模型主要將車輛模型計(jì)算或駕駛員操作的物理信號通過數(shù)值計(jì)算或Table表轉(zhuǎn)換成電氣信號值，再根據(jù)ESC與HIL機(jī)柜IO板卡的映射關(guān)系驅(qū)動相應(yīng)硬件通道，同時(shí)把機(jī)柜采集到的ESC電磁閥等執(zhí)行器及控制信號的電氣值轉(zhuǎn)換成物理值反饋給車輛模型。IO模型還對機(jī)柜的總線通道及殘余總線信號進(jìn)行配置。

以主缸壓力傳感器IO模型配置為例，如圖5所示，結(jié)合采集的傳感器供電電壓U_supply，通過數(shù)值計(jì)算把車輛模型輸出的主缸壓力P轉(zhuǎn)換為傳感器兩路信號的電壓值。

1.2.5開環(huán)系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定與測試

開環(huán)系統(tǒng)是在引入車輛模型之前，IO模型與控制器構(gòu)成的無車輛控制及狀態(tài)閉環(huán)的系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定與測試主要是對控制器與HIL機(jī)柜之間的接口進(jìn)行匹配和測試，保證機(jī)柜仿真與控制器識別的傳感器信號一致，機(jī)柜采集與控制器控制的執(zhí)行器信號一致，從而為ESC提供一個(gè)準(zhǔn)確可靠的電氣運(yùn)行環(huán)境。

以左前輪常開閥標(biāo)定為例，首先對霍爾傳感器采集電壓與ESC控制電流之間的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定，處理后的關(guān)系曲線如圖6中實(shí)線所示，把此關(guān)系寫到IO模型；再控制ESC以同樣的電流驅(qū)動電磁閥，IO模型最終識別的電流如圖6中虛線所示。

1.3閉環(huán)系統(tǒng)構(gòu)建

閉環(huán)系統(tǒng)是控制器經(jīng)過IO與車輛模型構(gòu)成的控制一反饋系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)了真實(shí)控制器與虛擬車輛的閉環(huán)，是在開環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建的，為控制器提供了車輛工況運(yùn)行環(huán)境。構(gòu)建ESC閉環(huán)系統(tǒng)首先要對車輛模型進(jìn)行參數(shù)化與調(diào)試，使模型與目標(biāo)車輛在橫向動力學(xué)特性上具有較高的一致性，再把調(diào)試完成的車輛模型與IO模型集成對接，與ESC構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)并進(jìn)行調(diào)試。

1.3.1車輛模型參數(shù)化與調(diào)試

車輛模型采用基于Simulink開發(fā)的ASM商業(yè)數(shù)學(xué)模型，其具有較高的實(shí)時(shí)性，可滿足1 ms定步長仿真周期。參數(shù)化與調(diào)試主要根據(jù)模型需要的整車或系統(tǒng)特性參數(shù)和曲線，對整車或臺架試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理；再把處理完成的數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行配置；然后通過典型試驗(yàn)工況，以相同的輸入把車輛模型仿真的車輛狀態(tài)與實(shí)車試驗(yàn)曲線進(jìn)行對比分析，并對模型參數(shù)進(jìn)行調(diào)整直到車輛模型仿真的特陛與實(shí)車具有較高的一致性。滿足ESC測試需求主要需對模型的整車基本參數(shù)、懸架KC特性、輪胎特性、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)等進(jìn)行配置。

以懸架KC特性中前輪中心x方向位移與轉(zhuǎn)向橫拉桿位移以及車輪垂向跳動的關(guān)系為例，通過對KC試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了符合ASM要求的關(guān)系曲線.如圖7所示。

以100 km/h緊急雙移線工況為例，把實(shí)車試驗(yàn)采集的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角作為車輛模型的轉(zhuǎn)向輸入，并控制車速為100 km/h，調(diào)試完成后的車輛模型仿真的橫擺角速度及側(cè)向加速度與實(shí)車試驗(yàn)對比曲線如圖8所示，其中實(shí)線為實(shí)車試驗(yàn)曲線，虛線為模型仿真曲線。由曲線對比可知，參數(shù)化完成后的車輛模型與實(shí)車具有較高的一致性。

1.3.2實(shí)時(shí)仿真模型集成

配置調(diào)試完成的車輛模型與IO模型集成，形成ESC的閉環(huán)實(shí)時(shí)模型。集成主要對模型之間的接口進(jìn)行配置，把駕駛員操作及車輛模型計(jì)算的車輛狀態(tài)、Soft控制器仿真的控制及狀態(tài)信號傳遞給IO模型：同時(shí)把IO模型采集處理的ESC控制及總線信號傳遞給車輛模型及Soft控制器，使ESC與車輛模型實(shí)時(shí)閉環(huán)。

2測試開發(fā)與實(shí)施

2.1測試內(nèi)容

基于對ESC功能策略及故障診斷與安全策略的研究，結(jié)合構(gòu)建的ESC HIL系統(tǒng)平臺特點(diǎn)，對測試內(nèi)容進(jìn)行研究。ESC功能測試內(nèi)容結(jié)合工況和功能點(diǎn)展開，根據(jù)測試目標(biāo)及深度的不同而調(diào)整，表1是功能測試內(nèi)容的示例簡述。

通過各類模式的故障注入，從故障識別和安全處理措施的角度對ESC故障診斷與安全策略進(jìn)行測試，故障注入的類型如表2所示。

2.2測試開發(fā)

依據(jù)測試目標(biāo)確定的測試內(nèi)容，綜合運(yùn)用黑盒測試技術(shù)和方法對ESC功能和故障診斷測試規(guī)范進(jìn)行開發(fā)。測試規(guī)范是測試實(shí)施的依據(jù)和核心文檔，按照分類分組清晰以及可追溯性的原則進(jìn)行用例組織，每條用例包括測試目標(biāo)、初始條件、測試步驟、結(jié)束條件、評價(jià)變量與指標(biāo)等內(nèi)容，同時(shí)測試規(guī)范要與設(shè)計(jì)規(guī)范等設(shè)計(jì)來源實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)。測試開發(fā)可沿著先矩陣后規(guī)范的思路設(shè)計(jì)。

根據(jù)需求也可把測試規(guī)范通過自動化測試開發(fā)軟件固化成自動化測試序列，用于自動化測試。

2.3測試實(shí)施

基于構(gòu)建的ESC HIL系統(tǒng)平臺，依據(jù)開發(fā)的測試規(guī)范，可以展開對ESC功能和故障診斷策略的測試。

以橫擺穩(wěn)定性控制（AYC）功能測試為例，在70 km/h車速雪地開環(huán)雙移線工況下的測試結(jié)果曲線如圖9所示，圖中曲線分別為車輛橫擺角速度及側(cè)向加速度、4個(gè)輪缸制動壓力、4個(gè)常閉電磁閥（NC_Valve）開關(guān)狀態(tài)、4個(gè)常開電磁閥（NO_Valve）電流、2個(gè)吸入電磁閥（PRC_Valve）開關(guān)狀態(tài)、2個(gè)限壓電磁閥（COV_Valve）電流。由測試曲線可知，ESC通過控制線性閥的電流大小及開關(guān)閥的開關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對4個(gè)車輪制動壓力的調(diào)節(jié)，從而保持了車輛的穩(wěn)定性：同時(shí)構(gòu)建的HIL系統(tǒng)平臺可以很好地測量12個(gè)電磁閥的工作狀態(tài)，從而能夠?qū)﹂y的控制進(jìn)行細(xì)致分析。

以車輪防抱死控制（ABs）功能測試為例，90km/h初始車速低附著（μ=0.2）到高附著（μ=0.8）對接路面制動工況的測試結(jié)果曲線如圖10所示，圖中曲線分別為車輛縱向速度及4個(gè)車輪速度、4個(gè)輪缸制動壓力，其中輪缸制動壓力由液壓系統(tǒng)根據(jù)各個(gè)閥的控制狀態(tài)模擬計(jì)算得到。由測試曲線可知，在均質(zhì)路面及附著狀態(tài)跳變的過程中，ESC通過調(diào)節(jié)各個(gè)輪缸的制動壓力有效防止了車輪抱死：構(gòu)建的HIL閉環(huán)系統(tǒng)平臺可以有效實(shí)現(xiàn)ABS功能測試。

以4個(gè)主動式輪速傳感器電流超出范圍故障診斷測試為例，測試結(jié)果曲線如圖11所示，圖中曲線分別為車輛模型仿真的4個(gè)車輪輪速，以及ESC總線發(fā)出的4個(gè)車輪輪速。由測試曲線可知，在車輛行駛過程中注入4個(gè)輪速傳感器電流超限故障，ESC檢測出故障后把總線輪速值置為錯誤值，同時(shí)通過診斷服務(wù)可讀取相應(yīng)的故障碼：構(gòu)建的HIL系統(tǒng)平臺可對控制器注入故障，實(shí)現(xiàn)對ESC的故障診斷測試。

3結(jié)束語

本文結(jié)合運(yùn)動仿真平臺和閥信號檢測單元構(gòu)建了ESC硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)平臺，其中3D運(yùn)動轉(zhuǎn)臺可以為車輛姿態(tài)傳感器集成式ESC提供3個(gè)自由度的運(yùn)動仿真，突破了無法通過外部電氣信號對其進(jìn)行傳感器仿真的限制：閥信號檢測單元可以對液壓電磁閥控制狀態(tài)進(jìn)行采集，而不再需要引入真實(shí)液壓系統(tǒng)，減少了真實(shí)液壓制動系統(tǒng)無法注入故障以及整車開發(fā)早期制動系統(tǒng)未確定情況的限制。通過開環(huán)系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定與測試，實(shí)現(xiàn)了對ESC傳感器信號的準(zhǔn)確仿真及對執(zhí)行器信號的準(zhǔn)確識別；通過車輛動力學(xué)模型的參數(shù)化與調(diào)校，使動力學(xué)模型與實(shí)車在橫向動力學(xué)上具有較高的一致性。通過對ESC功能與故障診斷安全策略的研究，對ESC功能和故障診斷測試內(nèi)容及測試規(guī)范開發(fā)進(jìn)行了分析討論。功能及故障診斷測試結(jié)果表明，本文構(gòu)建的硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)平臺可以很好地實(shí)現(xiàn)對ESC功能及故障診斷的測試和驗(yàn)證。