基于系統級的電動助力轉向控制測試評價研究

李占旗，劉全周，陳慧鵬

（中國汽車技術研究中心，天津 300300）

基于系統級的電動助力轉向控制測試評價研究

李占旗，劉全周，陳慧鵬

（中國汽車技術研究中心，天津 300300）

對電動助力轉向（EPS）硬件在環（HIL）測試的3種方案進行了對比分析，基于HIL仿真系統和轉向試驗臺，構建了EPS機械系統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容，通過車輛動態轉向工況的仿真以及各類故障的注入，對EPS系統控制功能和故障模式下診斷安全策略進行了測試和評價。EPS系統級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的邊界極限及故障工況。

電動助力轉向；測試評價；硬件在環；系統級

電動助力轉向（EPS）系統通過控制電機直接提供轉向助力，可以很好地協調車輛低速行駛時的轉向輕便性和高速行駛時路感之間的矛盾，并且具有響應快、節約燃料、環保等優點，在乘用車已得到廣泛應用［1］。

硬件在環（HIL）仿真測試是汽車電控系統正向開發過程中把握產品品質的重要環節，它通過建立整車及道路環境模型，并對傳感器信號進行仿真執行器信號進行采集，同時建立整車總線通信網絡，能夠為電控系統構建一個虛擬的整車電氣和工況運行環境。HIL測試在裝車試驗之前便可以對電控系統進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系統總成，構建了EPS機械級硬件在環測試系統平臺，通過對功能和故障診斷策略進行研究，開發了機械級EPS的測試評價規范，實現了對EPS系統有效的驗證和測試。

1 EPS硬件在環測試的幾種方案

電動助力轉向系統主要由電控單元、轉向助力電機及減速機構、電磁離合器、轉向盤轉矩傳感器、轉向盤轉角傳感器、車速傳感器等組成［3-4］。

針對EPS進行硬件在環仿真測試，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、轉向機構及整車系統采用模型進行仿真。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、轉向機構及整車系統采用模型進行仿真。機械級測試，被測對象為控制器和助力電機整體，轉向機構及整車系統采用模型進行仿真，由于助力電機與減速機構多為整體結構，機械級測試的實物大多包括轉向助力總成。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，但測試結果與實際系統更加接近。

圖1 EPS硬件在環測試的幾種方案

信號級測試以控制策略測試為主要目標，機柜對電機控制信號進行采集，電機模型再根據采集的控制信號進行動作響應。EPS控制器一般集成有控制單元和功率驅動單元，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行連接，該類測試主要由控制器供應商進行。

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

機械級測試以系統特性作為主要測試目標，可以對系統進行動態特性測試，由于控制器和轉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EPS開發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，對EPS系統的測試評價進行研究。

2 機械級測試系統平臺構建

2.1 測試系統總體架構

針對EPS機械級測試，構建的硬件在環測試系統總體架構如圖2所示，主要構成如下。

1）硬件仿真平臺 包括HIL機柜、被測EPS總成與轉向系統試驗臺組成的測試臺架。

2）軟件控制系統 包括測試管理平臺、自動化測試平臺。

3）實時仿真模型系統 包括整車系統模型、整車模型參數化和工況設置平臺、IO模型。

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

2.2 硬件仿真平臺設計搭建

硬件仿真平臺進行EPS控制器供電、傳感器信號仿真、轉向輸入與負載控制、EPS控制狀態采集，并通過殘余節點仿真建立整車虛擬CAN網絡，為EPS總成建立整車電氣及機械運行環境。

HIL機柜為德國dSPACE提供的硬件在環仿真測試機柜，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機械級硬件在環測試系統總體架構

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

被測EPS總成包括EPS控制器、助力電機和轉向管柱，通過設計定制的夾具與轉向系統試驗臺進行機械連接。

HIL機柜與測試臺架通過IO通道、CAN總線等進行配置和映射連接，形成硬件仿真平臺。

基于搭建的平臺，通過對臺架轉向和負載電機驅動器參數以及電機控制模型中電機閉環控制參數進行配置調整，實現對EPS測試臺架的調試。調試主要包括轉矩傳感器零位校準、轉向電機角度模式和轉矩模式調試、負載電機轉矩模式調試等。

臺架調試完成后進行開環系統參數標定與測試，主要對HIL機柜與EPS各IO通道電氣信號及CAN信號是否正常進行測試，并對機柜與EPS物理信號的一致性進行標定。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 軟件控制系統平臺創建

軟件控制系統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測試管理軟件進行設計創建，通過創建的圖形化界面對整個測試過程進行控制和管理，包括硬件管理、虛擬儀表顯示、數據監控、變量及參數設置等。圖4是臺架電機控制與監控界面。

圖4 測試管理界面示例（臺架電機控制與監控）

自動化測試平臺基于AutomationDesk自動化測試軟件開發，通過圖形化的操作進行自動化測試序列和腳本的開發，實現對測試流程的設計、編寫和管理，通過與測試管理平臺的鏈接，實現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果。

2.4 實時仿真模型

圖5 自動化測試序列和測試結果示例

IO模型基于Matlab/Simulink開發，實現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信號的采集。

整車系統模型主要包括Soft ECU、發動機、傳動系、車輛動力學、道路環境以及駕駛員模型。模型基于Matlab/Simulink環境建立，根據車輛相關特性數據，可以通過模型參數化軟件ModelDesk對車輛模型進行參數化，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確響應控制器的控制動作，并把車輛的運動狀態提供給控制器。

通過把IO模型和整車系統模型集成匹配，形成系統實時仿真模型。

3 測試開發與實施3.1 測試內容

基于構建的系統測試平臺，通過仿真工況設計和各類故障模式的模擬，可以實現對EPS功能和故障診斷的測試。

功能測試主要實現對EPS功能策略的測試和驗證，內容見表1。

表1 EPS功能測試內容

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

依據測試內容和設計規范，開發功能和故障診斷測試規范。測試規范包括整個測試內容的系統功能劃分、測試項和測試目的概述、測試初始條件、測試步驟、結束狀態、期望結果，并具有可追溯性，便于測試管理。

3.3 測試實施

基于構建的系統測試平臺和開發的測試規范，實現對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正弦轉向時，EPS助力電流、轉向力矩、負載力矩、車輛橫擺角速度和側向加速度曲線。

圖6 車速40 km/h正弦轉向助力及車輛狀態曲線

圖7是系統供電電壓從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，當系統供電電壓由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（轉向力矩和負載力矩不變）；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，基于構建的系統測試平臺和開發的測試規范，可以對EPS系統進行功能和故障診斷的測試和評價。

4 結論

對EPS硬件在環測試的幾種方案進行了對比分析。從機械系統級測試方案出發，通過構建機械級測試系統軟硬件和模型平臺，并通過對EPS功能和故障診斷測試內容的分析以及測試規范的開發，實現了對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。測試結果表明，構建的EPS機械級測試系統平臺可以有效地對EPS的功能策略和故障診斷策略進行驗證和測試。

［1］ 陳奎元，馬小平，季學武.電動助力轉向系統控制技術的研究［J］.江蘇大學學報（自然科學版），2004（1）:21-24.

［2］ 劉全周，李占旗，張蕾，等. 基于硬件在環技術的DCT控制器測試評價技術研究［J］.新型工業化，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［J］.農業機械學報，2009（2）:18-21.

［4］ 呂威. 電動助力轉向系統穩定性和電流控制算法研究［D］.長春：吉林大學，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硬件在環仿真測試。