楊春偉，崔海峰，沈建東

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司底盤工程部，上海 201201）

前言

汽車智能駕駛背景下，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能由原來單純減輕駕駛員的駕駛疲勞轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)干預(yù)駕駛員轉(zhuǎn)向行為，實(shí)現(xiàn)輔助駕駛或智能駕駛，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖或使汽車按照理想軌跡轉(zhuǎn)向[1]。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已從液壓助力轉(zhuǎn)向HPS向電子助力轉(zhuǎn)向EPS轉(zhuǎn)變，除了提供正常轉(zhuǎn)向助力功能外，還附加去其他駕駛輔助功能，比如APA，LKA和TJA等。由此帶來EPS軟硬件設(shè)計(jì)日益復(fù)雜，潛在缺陷概率也在上升。通過分析近年EPS缺陷召回案例，發(fā)現(xiàn)EPS相關(guān)召回案例次數(shù)增多，并且召回主因也是EPS電子軟硬件導(dǎo)致[2]。因此，無論主機(jī)廠還是供應(yīng)商，針對(duì)EPS產(chǎn)品功能性和安全性進(jìn)行集成開發(fā)，建立有效的軟硬件測(cè)試能力尤為重要。而硬件在環(huán)Hardware in Loop（HIL）正是有效的測(cè)試驗(yàn)證手段[3]。

EPS HIL測(cè)試業(yè)內(nèi)一般分為三種級(jí)別：ECU級(jí)，電機(jī)動(dòng)力單元集成級(jí)和EPS系統(tǒng)級(jí)[4]。主機(jī)廠一般關(guān)注系統(tǒng)級(jí)HIL測(cè)試。把完整真實(shí)EPS物理系統(tǒng)與車輛動(dòng)力學(xué)載荷和電氣環(huán)境進(jìn)行集成，對(duì)EPS系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)電耦合HIL聯(lián)合仿真測(cè)試。本文介紹了一種基于MTS公司轉(zhuǎn)向性能試驗(yàn)臺(tái)和dSPACE實(shí)時(shí)HIL仿真器，嵌入整車Carsim車輛動(dòng)力學(xué)模型，集成開發(fā)EPS機(jī)電耦合HIL聯(lián)合仿真測(cè)試臺(tái)架的方法。并以某項(xiàng)目早期開發(fā)階段，沒有實(shí)物樣車的條件下，對(duì)EPS中心區(qū)（OC）轉(zhuǎn)向性能和雙變線（DLC）工況輪速故障功能安全策略聯(lián)合仿真測(cè)試為案例展開介紹。

1 聯(lián)合仿真臺(tái)架硬件集成

1.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能試驗(yàn)臺(tái)

MTS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能試驗(yàn)臺(tái)由方向盤輸入電機(jī)，轉(zhuǎn)向器左右拉桿負(fù)載作動(dòng)缸，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬點(diǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，液壓泵站，控制柜及上位機(jī)軟件組成。方向盤輸入電機(jī)可以施加角度或扭矩控制，實(shí)現(xiàn)駕駛員方向盤輸入的精準(zhǔn)模擬。集成高精度扭矩和角度傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛員方向盤操作角度和扭矩的采集。轉(zhuǎn)向器左右拉桿作動(dòng)缸可以在轉(zhuǎn)向器左右拉桿端動(dòng)態(tài)施加齒條力或位移載荷。集成力傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)向拉桿力動(dòng)態(tài)載荷采集。在轉(zhuǎn)向器齒條上安裝位移傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)齒條位移的采集。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬點(diǎn)多自由度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同硬點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)物理安裝，支持跨平臺(tái)柔性化測(cè)試?？刂乒駥?shí)現(xiàn)各作動(dòng)器的精準(zhǔn)控制和信號(hào)采集。上位機(jī)定義測(cè)試工況，監(jiān)控臺(tái)架信號(hào)及數(shù)據(jù)后處理，獨(dú)立完成轉(zhuǎn)向系統(tǒng)常規(guī)性能試驗(yàn)。轉(zhuǎn)向性能試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)向性能試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)框圖

1.2 dSPACE實(shí)時(shí)仿真器

實(shí)時(shí)仿真器采用dSPACE全尺寸機(jī)柜，集成有DS1006高性能處理器板卡，搭載了AMD Opteron多核處理器，具備強(qiáng)大的處理能力，適用于有復(fù)雜模型計(jì)算需求的硬件在環(huán)測(cè)試場(chǎng)景。通過PHS總線，DS1006可與dSPACE的其他硬件板卡連接，比如DS4302，為EPS系統(tǒng)提供總線硬件資源。集成高速度大功率程控電源，為EPS提供12 V供電，并能模擬車輛啟動(dòng)電壓波形。測(cè)試人員通過上位機(jī)軟件可以方便地對(duì)程控電源模型，機(jī)柜控制模型和總線通訊模型進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)EPS電氣環(huán)境的模擬仿真。圖2所示為EPS系統(tǒng)與dSPACE 實(shí)時(shí)HIL仿真器連接， 接收總線信號(hào)和供電信號(hào)示意圖。需要指出由于物理轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沒有真實(shí)力學(xué)載荷輸入，圖2所示的連接方式只適用EPS 靜態(tài)空載工況HIL測(cè)試。

圖2 dSPACE 實(shí)時(shí)HIL仿真器連接示意圖

1.3 EPS機(jī)電耦合硬件集成

如上所述，轉(zhuǎn)向性能試驗(yàn)臺(tái)能夠?yàn)镋PS系統(tǒng)提供真實(shí)載荷加載環(huán)境，dSPACE實(shí)時(shí)仿真器能夠?yàn)镋PS系統(tǒng)提供真實(shí)電氣仿真環(huán)境，如何把兩套系統(tǒng)機(jī)電耦合起來，實(shí)現(xiàn)EPS系統(tǒng)HIL聯(lián)合仿真測(cè)試能力，就成為臺(tái)架集成的關(guān)鍵。

在性能試驗(yàn)臺(tái)控制柜和dSPACE仿真器中各增加一塊SCRAMNet高速通訊板，通過高速光纖互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)兩套系統(tǒng)控制命令和載荷信號(hào)高速動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)傳遞，比如方向盤轉(zhuǎn)角，方向盤扭矩，轉(zhuǎn)向器左右拉桿力，齒條位移，車速和發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)等。在兩套系統(tǒng)間增加一個(gè)物理同步時(shí)鐘信號(hào)，確保兩套測(cè)試系統(tǒng)在HIL仿真計(jì)算過程中動(dòng)態(tài)載荷采集和控制信號(hào)計(jì)算以相同時(shí)間步長(zhǎng)同步更新。圖3為轉(zhuǎn)向性能試驗(yàn)臺(tái)與dSPACE實(shí)時(shí)HIL仿真器機(jī)電耦合硬件集成示意圖。

圖3 轉(zhuǎn)向試驗(yàn)臺(tái)與實(shí)時(shí)仿真器機(jī)電耦合集成示意圖

2 聯(lián)合仿真臺(tái)架模型集成

2.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)態(tài)載荷集成

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能試驗(yàn)臺(tái)上位機(jī)軟件可獨(dú)立完成方向盤輸入電機(jī)，轉(zhuǎn)向器左右拉桿負(fù)載作動(dòng)缸控制命令創(chuàng)建，信號(hào)采集設(shè)置，安全監(jiān)控及信號(hào)顯示等功能。在進(jìn)行聯(lián)合仿真測(cè)試時(shí)，性能試驗(yàn)臺(tái)方向盤輸入電機(jī)和轉(zhuǎn)向器左右拉桿負(fù)載作動(dòng)缸實(shí)時(shí)接收來自于dSPACE仿真器中駕駛員模型和車輛動(dòng)力學(xué)模型的方向盤轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向器左右拉桿力信號(hào)，并作為物理EPS系統(tǒng)載荷命令進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載。與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)常規(guī)性能測(cè)試動(dòng)態(tài)載荷來自于上位機(jī)軟件配置所不同的是，聯(lián)合仿真測(cè)試轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)態(tài)載荷來自于駕駛員模型和動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了真實(shí)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與虛擬車輛載荷環(huán)境的集成。同時(shí)，性能試驗(yàn)臺(tái)采集真實(shí)EPS方向盤扭矩和齒條位移信號(hào)作為車輛模型的反饋輸入信號(hào)。圖4所示為轉(zhuǎn)向性能試驗(yàn)臺(tái)上位機(jī)控制界面。

圖4 轉(zhuǎn)向性能試驗(yàn)臺(tái)上位機(jī)控制界面

2.2 Carsim車輛動(dòng)力學(xué)模型集成

Carsim是來自MSC公司專門研究車輛動(dòng)力學(xué)的一款仿真軟件，可以模擬車輛對(duì)駕駛員輸入、路面輸入及空氣動(dòng)力學(xué)輸入的響應(yīng)，對(duì)車輛操縱穩(wěn)定性、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、制動(dòng)性、平順性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并且系統(tǒng)兼容性好，可以在 Windows環(huán)境下運(yùn)行，支持實(shí)時(shí)硬件在環(huán)測(cè)試，配有車輛姿態(tài)動(dòng)畫和曲線實(shí)時(shí)顯示界面。最新版Carsim車輛模型共有33個(gè)自由度，可方便地對(duì)車輛車身、空氣動(dòng)力學(xué)、動(dòng)力系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、輪胎和懸架進(jìn)行建模。Carsim可以生成S- Function，嵌入到Simulink模型中，構(gòu)成dSPACE實(shí)時(shí)HIL仿真集成模型。

通過配置Carsim模型輸入輸出接口，可以實(shí)現(xiàn)車輛動(dòng)力學(xué)模型接收來自于轉(zhuǎn)向性能試驗(yàn)臺(tái)的方向盤扭矩和齒條位移信號(hào)作為輸入信號(hào)，同時(shí)把動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算的方向盤轉(zhuǎn)角，左右拉桿力載荷信號(hào)作為輸出信號(hào)，傳遞給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能試驗(yàn)臺(tái)作為載荷控制信號(hào)，最終完成動(dòng)力學(xué)載荷耦合的閉環(huán)。同時(shí)車輛模型的輪速信號(hào)，車輛質(zhì)心加減速度，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等信號(hào)可以配置到EPS總線環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)虛擬整車總線信號(hào)仿真。圖5為本項(xiàng)目開發(fā)的集成有Carsim車輛動(dòng)力學(xué)模型S-Function的Simulink模型框圖。

圖5 Simulink/Carsim車輛動(dòng)力學(xué)模型集成框圖

2.3 dSPACE HIL聯(lián)合仿真上位機(jī)軟件

對(duì)集成有Carsim S-Function的Simulink模型進(jìn)行編譯，可以生成SDF文件，并通過Controldesk軟件下載到dSPACE實(shí)時(shí)HIL模擬器中進(jìn)行毫秒級(jí)步長(zhǎng)仿真計(jì)算。利用Control -desk軟件可以方便靈活地對(duì)SDF文件中的變量進(jìn)行關(guān)聯(lián)，配置，監(jiān)控和采集。未來方便進(jìn)行聯(lián)合仿真試驗(yàn)的管理，圖6為本項(xiàng)目開發(fā)的EPS機(jī)電耦合HIL臺(tái)架聯(lián)合仿真上位機(jī)管理軟件界面。主要包含程控電源控制，車輛虛擬儀表，轉(zhuǎn)向性能試驗(yàn)臺(tái)信號(hào)及EPS總線報(bào)文監(jiān)控。通過上位機(jī)管理軟件，可以方便地進(jìn)行EPS機(jī)電耦合HIL聯(lián)合仿真測(cè)試。

圖6 EPS機(jī)電耦合HIL聯(lián)合仿真上位機(jī)管理軟件

3 應(yīng)用介紹

3.1 轉(zhuǎn)向中心區(qū)（OC）操穩(wěn)性能聯(lián)合仿真測(cè)試

EPS產(chǎn)品開發(fā)過程中，通常基于實(shí)車和試驗(yàn)場(chǎng)地，對(duì)EPS手感進(jìn)行標(biāo)定調(diào)校來獲得良好的車輛操控性能。由于搭建了EPS機(jī)電耦合HIL聯(lián)合仿真測(cè)試臺(tái)架，使得在項(xiàng)目早期并沒有物理樣車的情況下，在試驗(yàn)室內(nèi)也可以進(jìn)行EPS性能前期調(diào)試，分析整車架構(gòu)和供應(yīng)商產(chǎn)品對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的影響，達(dá)到縮短產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間，減少實(shí)車使用需求和提高開發(fā)效率的目的。圖7為某項(xiàng)目EPS產(chǎn)品HIL測(cè)試圖片。

圖7 EPS HIL測(cè)試

本文根據(jù)GBT 6323－2014 汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法[5]，在聯(lián)合仿真測(cè)試臺(tái)架上創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的測(cè)試規(guī)范?，F(xiàn)以轉(zhuǎn)向盤中心區(qū)操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)（OC）為例進(jìn)行介紹：根據(jù)規(guī)范定義試驗(yàn)車速分別為60 kph，80 kph和100 kph，方向盤輸入頻率為0.2 Hz，車輛側(cè)向加速度峰值達(dá)到2 m/s2左右。圖8和圖9展示了聯(lián)合仿真的部分測(cè)試結(jié)果，獲得了EPS方向盤轉(zhuǎn)角與扭矩曲線，方向盤轉(zhuǎn)角與側(cè)向加速度曲線，方向盤扭矩與車輛橫擺角速度曲線，方向盤扭矩和側(cè)向加速度曲線。測(cè)試結(jié)果表明聯(lián)合仿真試驗(yàn)正如同實(shí)車OC試驗(yàn)一樣，能夠獲得完整的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)客觀測(cè)試數(shù)據(jù)，支持EPS系統(tǒng)操穩(wěn)性能的量化分析，為EPS軟件手感參數(shù)標(biāo)定指出調(diào)試方向。

圖8 方向盤轉(zhuǎn)角與方向盤扭矩/側(cè)向加速度曲線

圖9 方向盤扭矩與橫擺角速度/側(cè)向加速度曲線

3.2 輪速有效位故障模擬雙移線（DLC）工況聯(lián)合仿真測(cè)試

EPS是功能安全最高等級(jí)ASIL D的系統(tǒng)，根據(jù)ISO26262要求，需要通過故障注入測(cè)試來驗(yàn)證系統(tǒng)的安全性[6]。EPS 機(jī)電耦合HIL臺(tái)架，可以靈活實(shí)現(xiàn)總線，供電和傳感器的故障注入測(cè)試。通過EPS模擬故障注入，監(jiān)控車輛模型在故障發(fā)生后的系統(tǒng)響應(yīng)，對(duì)EPS系統(tǒng)的功能安全策略進(jìn)行評(píng)估。本文選取輪速有效位故障模擬雙移線（DLC）工況聯(lián)合仿真測(cè)試進(jìn)行介紹。

EPS通過整車CAN總線信號(hào)接收ESP系統(tǒng)發(fā)出的左前、右前、左后和右后4個(gè)輪速信號(hào)，并提供隨速轉(zhuǎn)向助力。通過判斷4個(gè)輪速信號(hào)出現(xiàn)故障模式和數(shù)量，進(jìn)行安全輪速計(jì)算，確保EPS系統(tǒng)在滿足功能安全要求前提下提供轉(zhuǎn)向助力性能。EPS一旦無法獲取安全輪速，系統(tǒng)應(yīng)立刻進(jìn)入降級(jí)模式，工作在安全模式下，避免危害發(fā)生。輪速信號(hào)通過CAN總線發(fā)送，典型存在信號(hào)無效，信號(hào)卡滯和信號(hào)丟失三種失效模式。本文選取信號(hào)無效（Invalid）模式，如表1所列工況進(jìn)行總線輪速失效故障模擬聯(lián)合仿真測(cè)試。利用Carsim駕駛員模型，執(zhí)行ISO3888-2-2002-BS雙移線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)工況，車速設(shè)定為80KPH。通過測(cè)量車輛模型方向盤轉(zhuǎn)角，橫擺角速度，側(cè)向加速度和車身側(cè)傾角來分析對(duì)比在不同輪速失效工況下車輛的避障能力。

表1 輪速失效模擬工況

通過聯(lián)合仿真測(cè)試，獲得了5種工況下DLC客觀測(cè)試數(shù)據(jù)。圖10左側(cè)方向盤扭矩曲線表明只有在4個(gè)輪速無效工況下，EPS進(jìn)入安全模式，駕駛員需要施加峰值扭矩約5 Nm的轉(zhuǎn)向扭矩滿足DLC工況避障要求。輪速失效數(shù)量為1，2和3情況下，駕駛員模型施加方向扭矩和無輪速失效情況下施加扭矩為相同量級(jí)，峰值扭矩為2～3 Nm，能夠維持DLC工況避障能力。通過聯(lián)合仿真測(cè)試，EPS輪速失效機(jī)制和安全模式下的助力性能得到確認(rèn)，避免了安全機(jī)制設(shè)置過于敏感導(dǎo)致影響客戶駕駛體驗(yàn)，也滿足安全模式下車輛安全可控的要求。圖10右側(cè)方向盤轉(zhuǎn)向曲線說明Carsim駕駛員模型控制一致性較好。圖11左右兩張圖表明車輛模型側(cè)傾角和側(cè)向加速度在5種工況下一致性較好，符合DLC測(cè)試工況避障要求。

圖10 方向盤扭矩/角度DLC測(cè)試曲線

圖11 車輛側(cè)傾角/側(cè)向加速度 DLC測(cè)試曲線

4 結(jié)論

本文基于MTS轉(zhuǎn)向性能試驗(yàn)臺(tái)和dSPACE HIL實(shí)時(shí)仿真器，通過硬件改造實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)硬件互聯(lián)，嵌入Carsim車輛動(dòng)力學(xué)模型并集成到Simulink模型中，編譯下載到dSPACE實(shí)時(shí)模擬器中進(jìn)行執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)了EPS機(jī)電耦合HIL臺(tái)架聯(lián)合仿真測(cè)試臺(tái)架構(gòu)建。通過轉(zhuǎn)向中心區(qū)（OC）操穩(wěn)性能聯(lián)合仿真測(cè)試和輪速有效位故障模擬雙移線（DLC）工況聯(lián)合仿真測(cè)試兩個(gè)用例，對(duì)聯(lián)合仿真臺(tái)架應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了拓展和創(chuàng)新。該套系統(tǒng)的成功投入運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了EPS系統(tǒng)機(jī)電耦合工況下的無車化測(cè)試，減少了實(shí)車測(cè)試時(shí)間，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期和成本，在HIL仿真測(cè)試領(lǐng)域具有較好的推廣價(jià)值。