基于dSPACE的EPS系統(tǒng)ECU硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

呂榮輝，石維佳，張宏超

（1.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300130；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

汽車電子

基于dSPACE的EPS系統(tǒng)ECU硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

呂榮輝1，石維佳1，張宏超2

（1.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300130；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

硬件在環(huán)仿真測(cè)試是ECU研發(fā)過(guò)程中重要一環(huán)，對(duì)其性能調(diào)試起著關(guān)鍵作用。文章重點(diǎn)闡述基于dSPACE的EPS（電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向）系統(tǒng) ECU（電控單元）硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。基于dSPACE硬件在環(huán)仿真器，構(gòu)建了EPS ECU的硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)臺(tái)。通過(guò)整合dSPACE系統(tǒng)內(nèi)部車輛動(dòng)力學(xué)仿真模型與改進(jìn)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型，獲得更為接近實(shí)車的汽車動(dòng)力學(xué)仿真模型?；谒O(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)某開發(fā)的EPS ECU 進(jìn)行離線測(cè)試并分析其性能表現(xiàn)。結(jié)果表明，該ECU能較好地滿足汽車對(duì)轉(zhuǎn)向輕便性、路感及回正性能的要求。

EPS系統(tǒng)；硬件在環(huán)；試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)；模型整合；離線仿真測(cè)試

CLC NO.:U461.9Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-114-04

引言

隨著汽車電子控制技術(shù)的不斷成熟，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（Electric Power Steering, EPS）得到了快速的發(fā)展。憑借自身高效率、低能耗、易調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)[1]，被廣泛地應(yīng)用于各類汽車之中。作為EPS系統(tǒng)重要組成部分、決定助力轉(zhuǎn)向電機(jī)扭矩分配的電子控制單元（Electric Control Unit ,ECU），更是其研究開發(fā)的核心，直接影響著車輛的高速穩(wěn)定性及操作輕便性[2]。在投入大規(guī)模生產(chǎn)之前，ECU必須經(jīng)過(guò)反復(fù)的測(cè)試。硬件在環(huán)（Hardware In the Loop,HIL）仿真系統(tǒng)具備模擬被控對(duì)象及其環(huán)境、短時(shí)間內(nèi)對(duì)控制器進(jìn)行各種模擬工況條件下的自動(dòng)化測(cè)試等特點(diǎn)，應(yīng)用在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的開發(fā)和測(cè)試當(dāng)中可以大大地縮短研發(fā)周期和減約開發(fā)成本。

1、EPS系統(tǒng)

1.1 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

EPS系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)而成，除傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)外，EPS 系統(tǒng)包含轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角傳感器、車速傳感器、電流傳感器、電子控制單元（ECU）、電動(dòng)機(jī)、電磁離合器、減速器、 齒輪齒條等。圖1所示為一種轉(zhuǎn)向軸助力式的EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，它依靠電動(dòng)機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)向軸實(shí)現(xiàn)助力作用。

EPS系統(tǒng)的基本工作原理可以概括為：汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，安裝在轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角傳感器測(cè)量出駕駛員的輸入力矩和轉(zhuǎn)向角，并將該信號(hào)傳送給ECU。同時(shí)，ECU接受來(lái)自車速傳感器的信號(hào)，并結(jié)合所檢測(cè)到的助力電動(dòng)機(jī)的電流反饋信號(hào)，根據(jù)車輛本身特定的助力特性曲進(jìn)行運(yùn)算處理，產(chǎn)生3相的PWM（脈沖寬度調(diào)制） 控制信號(hào)，用以控制電機(jī)中的三相電流大小和方向，繼而控制助力電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩經(jīng)由電磁離合器，通過(guò)減速機(jī)構(gòu)減速增矩后加在轉(zhuǎn)向軸上，得到一個(gè)與汽車行駛工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用力。汽車不轉(zhuǎn)向時(shí)，ECU不向電動(dòng)機(jī)控制器發(fā)出指令，電動(dòng)機(jī)不工作。當(dāng)ECU檢測(cè)到異常信號(hào)時(shí)，立即斷開電磁離合器，退出助力模式，同時(shí)點(diǎn)亮故障指不燈[3]。

圖1 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理圖

1.2 EPS系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向是一種復(fù)雜的非線性系統(tǒng)為了研究方便，將復(fù)雜的非線性的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡(jiǎn)化為4部分，可分為轉(zhuǎn)向盤和上轉(zhuǎn)向柱、下轉(zhuǎn)向柱、齒輪齒條和電動(dòng)機(jī)4部分，分別列出各部分的動(dòng)力學(xué)微分方程[4]。

式中，Js，Bs，Ks，θs為轉(zhuǎn)向盤以及上轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，阻尼系數(shù)，轉(zhuǎn)度和轉(zhuǎn)角；Td為轉(zhuǎn)向盤輸入力矩；Je，Be，Ke，θe分別為下轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，阻尼系數(shù)，扭轉(zhuǎn)剛度和轉(zhuǎn)角；Mr，Br，Kr，Xr分別為齒條質(zhì)量、阻尼系數(shù)、剛度和移動(dòng)量；Jm，Bm，Km，θm分別為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、阻尼 系數(shù)、軸扭轉(zhuǎn)剛度和轉(zhuǎn)角；Rp為小齒輪分度圓半徑，為減速機(jī)構(gòu)減速比；為電磁力矩。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真模型

2、EPS ECU硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

ECU 硬件在環(huán)仿真是V型開發(fā)過(guò)程中重要環(huán)節(jié)。利用在環(huán)仿真試驗(yàn)臺(tái)，可以使ECU在更為接近實(shí)車狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試，從而獲得對(duì)其性能表現(xiàn)更為準(zhǔn)確和直觀的評(píng)價(jià)。

EPS ECU硬件在環(huán)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)分為外部試驗(yàn)設(shè)備搭建及內(nèi)部系統(tǒng)仿真模型設(shè)計(jì)。

2.1 硬件在環(huán)仿真概念[5]

硬件在環(huán)（Hardware-in-the-Loop）仿真測(cè)試系統(tǒng)是以實(shí)時(shí)處理器運(yùn)行仿真模型來(lái)模擬受控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)I/O接口與被測(cè)的ECU連接，對(duì)被測(cè)ECU進(jìn)行全方面的、系統(tǒng)的測(cè)試。圖3所示為硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。其中，用dSPACE仿真器代替實(shí)車，其通過(guò)一系列數(shù)學(xué)模型模擬車輛的動(dòng)力系統(tǒng)，用模擬的傳感器及信號(hào)發(fā)生器來(lái)代替真實(shí)傳感器，模擬的執(zhí)行器代替真實(shí)的執(zhí)行器。HIL系統(tǒng)的處理過(guò)程為：模擬控制器中的傳感器信號(hào)被測(cè)試單元的內(nèi)置控制器所讀?。豢刂破鞯牡膱?zhí)行信號(hào)將更新整車仿真模型中的變量。如此循環(huán)，不斷測(cè)試內(nèi)置控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

圖3 硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 EPS HIL試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)及工作原理

為用于測(cè)試EPS 性能表現(xiàn)，搭建dSPACE HIL 仿真試驗(yàn)臺(tái)。如圖4所示，其包含有dSPACE 仿真器、電腦主機(jī)及所需測(cè)試的EPS ECU。該dSPACE 仿真器通過(guò)BUS 總線與主機(jī)相連，可以將實(shí)時(shí)仿真模型導(dǎo)入仿真設(shè)備中并控制模擬過(guò)程。其內(nèi)部元件包含：用以仿真模型實(shí)時(shí)計(jì)算的DS1006處理器板，提供傳感器執(zhí)行器接口(SAI）及APU的DS2211 I/O板，用于高精度電機(jī)模擬及PWM信號(hào)生成與采集的FPGA基板，可以模擬汽車蓄電池的能源供給單元（PSU），用與I/O板與ECU接口間信號(hào)傳輸?shù)木€束板及用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理的信號(hào)調(diào)理（SC）組件。

主機(jī)中包含dSPACE ASM整車仿真模型，控制桌面（Control Desk）及ECU界面軟件。dSPACE ASM 車輛動(dòng)力學(xué)模型是一種開放型的實(shí)時(shí)仿真simulink模型，用戶可以根據(jù)自身的需要，通過(guò)直觀的用戶界面對(duì)整車模型、操作策略以及行車環(huán)境進(jìn)行調(diào)整。模型包括5個(gè)部分：軟件ECU模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)模塊、傳動(dòng)模塊、車輛動(dòng)力學(xué)模塊、以及行駛環(huán)境模塊。ECU 界面軟件可以用于實(shí)時(shí)讀取ECU 中的信息并可以對(duì)ECU內(nèi)部控制模型進(jìn)行標(biāo)定和修改[6]。設(shè)備中的dSPACE ASM 模型與dSPACE I/O 版通過(guò)RTI塊進(jìn)行連接, 將dSPACE/Simulink 模型自動(dòng)產(chǎn)生的C代碼加載至實(shí)時(shí)硬件中?？刂谱烂媾cdSPACE仿真器通過(guò)總線進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。EPS ECU 與電腦主機(jī)通過(guò)USB線相連，用于ECU界面軟件對(duì)ECU 中控制模型的變量值進(jìn)行測(cè)量和標(biāo)定[7]。

圖4 HIL試驗(yàn)臺(tái)

圖5 HIL仿真器和EPS控制器信號(hào)圖

信號(hào)在HIL 仿真器和EPS 控制器之間的的交流如圖5所示。EPS控制器由 dSPACE HIL仿真器的點(diǎn)燃信號(hào)提供能源。車輛的速度由模型進(jìn)行計(jì)算，并通過(guò)CAN 高地位總線傳遞。轉(zhuǎn)向力矩模擬傳感器偵測(cè)到虛擬的轉(zhuǎn)向桿力矩后，向ECU發(fā)送出兩個(gè)轉(zhuǎn)矩信號(hào)供其進(jìn)行計(jì)算。ECU通過(guò)內(nèi)部控制邏輯處理這些信號(hào)后，發(fā)送出所需要的3相PWM 的控制信號(hào)。與此同時(shí)，通過(guò)模擬電流傳感器輸入的電機(jī)中BC 向電流以及電機(jī)位移模擬傳感器測(cè)得的電機(jī)位置后發(fā)送出的4個(gè)正弦和余弦信號(hào)及2個(gè)指數(shù)信號(hào)，對(duì)電流進(jìn)行反饋控制，使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩可以快速精準(zhǔn)的達(dá)到要求值。

2.3 模型整合

ASM模型通過(guò)綜合考慮輪胎、空氣動(dòng)力學(xué)、懸架以及慣性力和力矩等因素，采用多剛體系統(tǒng)方法來(lái)表示車輛動(dòng)力學(xué)方程，可以較為全面地反映真實(shí)汽車運(yùn)動(dòng)情況[6]。然而為了使仿真結(jié)果更加接近實(shí)際測(cè)試結(jié)果，須對(duì)該模型進(jìn)行必要的調(diào)整。為對(duì)某開發(fā)的EPS ECU進(jìn)行測(cè)試，對(duì)所建立的理論模型中的一些參數(shù)進(jìn)行修正，使該模型能更好的反應(yīng)出真實(shí)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。將該經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試改進(jìn)過(guò)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真模型與ASM模型進(jìn)行整合。整合后的模型既可以利用ASM動(dòng)力學(xué)模型準(zhǔn)確估算作用于轉(zhuǎn)向齒輪上的路面反作用力，又可以通過(guò)改進(jìn)的轉(zhuǎn)向模型計(jì)算出更接近真實(shí)的轉(zhuǎn)向齒條位移和速度等參數(shù)，對(duì)車輛操作性能和EPS ECU性能的評(píng)價(jià)有很大幫助。圖6為整合的動(dòng)力學(xué)模型的模塊組成圖及兩模型間的基本信息。

圖6 整合模型模塊組成圖

在整合模型中，ASM動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算出的路面反作用力輸入至改進(jìn)轉(zhuǎn)向模型，該轉(zhuǎn)向模型將該力轉(zhuǎn)化成力矩形式，結(jié)合駕駛員輸入力矩以及助力電機(jī)提供的轉(zhuǎn)矩計(jì)算出轉(zhuǎn)向齒條的位移及速度，并將此傳回至ASM 動(dòng)力學(xué)模型。其中PID控制器用于控制車輛的速度，使其達(dá)到所要求的車速，從而可以在不同固定速度下對(duì)車輛轉(zhuǎn)向性能將進(jìn)行分析。

3、仿真結(jié)果分析

基于整合的模型，對(duì)該EPS 的性能進(jìn)行測(cè)試。以0.2 Hz的低頻正弦轉(zhuǎn)角信號(hào)輸入下，分別在20km/h車速/150度盤轉(zhuǎn)角、70km/h車速/40度方向盤轉(zhuǎn)角、120km/h車速/20度方向盤轉(zhuǎn)角，對(duì)其各項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)試。所得轉(zhuǎn)向盤力矩、側(cè)向加速度、橫擺角速度及轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角之間關(guān)系交匯圖如圖7、8、9所示。其中各子圖中分別為：轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角—轉(zhuǎn)向盤力矩關(guān)系曲線（左上）、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角—側(cè)向加速度關(guān)系曲線（右上）、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角—橫擺角速度曲線（左下）、側(cè)向加速度—轉(zhuǎn)向盤力矩關(guān)系曲線（右下）。

3.1 EPS 系統(tǒng)轉(zhuǎn)向輕便性及路感分析

對(duì)比三個(gè)速度下的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角—轉(zhuǎn)向盤力矩關(guān)系曲線圖可以看出，在汽車在低速行駛時(shí)，輸入的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向力矩最小，而隨著車速的上升，轉(zhuǎn)向盤力矩隨之變大。說(shuō)明該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)ECU在低速時(shí)，控制助力電機(jī)發(fā)揮出更大的助力作用，提高其低速轉(zhuǎn)向的輕便性，而隨速度升高，使其助力作用大大減少，使駕駛員在高速可以獲得良好的路感。

各圖中的側(cè)向加速度—轉(zhuǎn)向力矩關(guān)系曲線中，低速情況下，轉(zhuǎn)向盤力能始終跟蹤側(cè)向加速度變化，駕駛員有最好的路感[8]；在較高車速行駛時(shí)，一定側(cè)向加速度范圍下，保持著良好路感。而當(dāng)側(cè)向加速度過(guò)大時(shí)，輪胎側(cè)滑，發(fā)生路感缺失現(xiàn)象。

3.2 轉(zhuǎn)向靈敏度與回正性能分析

橫擺角速度增益表征轉(zhuǎn)向靈敏度[9]。各速度下轉(zhuǎn)向角與橫擺角速度關(guān)系曲線中，低速行駛時(shí)橫擺角速度增益隨著轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角變大而變大，提高了低速轉(zhuǎn)彎的輕便性；而較高車速下靈敏度幾乎保持不變，有利于汽車行駛穩(wěn)定性。

圖7 20km/h車速/20度方向盤轉(zhuǎn)角時(shí)性能曲線

圖8 70km/h車速/40度方向盤轉(zhuǎn)角性能曲線

圖9 120km/h車速/20度方向盤轉(zhuǎn)角時(shí)性能曲線

0 Nm時(shí)側(cè)向加速度表征轉(zhuǎn)向回正性能[10]。在低速時(shí)，0 Nm力矩對(duì)應(yīng)的側(cè)向加速度很小，有較好的回正性能，而在高速時(shí)，0Nm對(duì)應(yīng)下的側(cè)向加速較大，高速回正性能較差，需進(jìn)一步改進(jìn)。

4、總結(jié)

概述電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和原理,建立了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真模型；

搭建EPS ECU 硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)其結(jié)構(gòu)組成和內(nèi)部工作過(guò)程進(jìn)行闡述；

整合dSPACE 內(nèi)部動(dòng)力學(xué)模型與改進(jìn)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型，獲得更加接近實(shí)車的車輛動(dòng)力學(xué)模型；

在整合模型下對(duì)EPS ECU 進(jìn)行離線仿真測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明，該ECU具備較良好的性能，可以使汽車有較好的轉(zhuǎn)向輕便性、路感及回正性能。

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Design and Application of HIL Simulaiton Based on dSPACE Syestem for EPS ECU Testing

Lv Ronghui1, Shi Weijia1, Zhang Hongchao2
（1.School of Mechanical Engineering，Hebei University of Technology, Tianjin 300130; 2.China Automotive Technology & Research Center, Tianjin 300300）

As the key component of Electric Power Steering (EPS) system, the Electronic Control Unit (ECU ) plays an decisive role in the steering performance of the vehicle. Hardware-in-the-loop(HIL) simulation can serve to help the development and test of ECU and reduce its cost . This paper focuses on the development of (HIL) system for EPS ECU based on dSPACE simulaton system. The HIL simulation test platform of EPS ECU was constructed by employing dSPACE HIL simulator. The vehicle dynamics model of dSPACE ASM were integrated with a certain improved steering system model, to make the simulation more conforming to the real vehicle . Under the integrated model, a EPS ECU was tested off-line and its performance was analyzed. The results showed that the performance of the EPS system under the control of the ECU to met the requirements of the vehicle for steering portability, road feeling and return performance.

EPS system; hardware in the loop; test platform design; model integration; off-line validation

U461.9

A

1671-7988(2017)02-114-04

呂榮輝，在讀碩士研究生，男，河北工業(yè)大學(xué)車輛工程專業(yè)。

石維佳：男，河北工業(yè)大學(xué)車輛工程系教授，博士，汽車電子控制技術(shù)方向。張宏超：高級(jí)工程師，就職于中國(guó)汽車技術(shù)研究中心（天津）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.039