結合運動仿真與閥信號檢測的ESC HIL測試研究

李占旗 高繼東 劉全周

摘要：為內置集成車輛姿態(tài)傳感器的ESC能夠進行完整的功能和故障安全策略測試，提出在硬件在環(huán)（HIL）仿真測試技術中融合運動仿真及電磁閥信號檢測方法。三維運動轉臺通過模擬車輛三軸運動實現對車輛姿態(tài)傳感器的運動激勵；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度進行感應，再通過參數標定實現對閥控制電流的準確采集，繼而驅動液壓調節(jié)器模型；基于懸架KC及輪胎動態(tài)試驗等數據對整車系統(tǒng)模型進行參數化與調校，使之與實車特性具有較高的一致性；對功能測試內容及各類故障模式進行分析。構建的ESC HIL仿真測試系統(tǒng)平臺能夠為集成式ESC提供完整的虛擬整車運行環(huán)境.開發(fā)的測試評價規(guī)范可以作為對ESC控制進行評價的有效依據。

關鍵詞：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向動力學，側向穩(wěn)定性的喪失將使汽車失去轉向能力或引起劇烈回轉。電子穩(wěn)定性控制（ESC）系統(tǒng)以轉向盤轉角、車輛橫擺角速度及側向加速度等作為輸入，通過控制差動制動和調節(jié)發(fā)動機轉矩有效保證汽車的側向穩(wěn)定性和轉向操作性。ESC在保障汽車行駛側向穩(wěn)定性方面起著至關重要的作用翻。

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進行完整高效的測試和驗證，硬件在環(huán)（HIL）仿真測試技術具有明顯的實現優(yōu)勢。HIL仿真測試通過為電控系統(tǒng)構建虛擬的整車電氣和工況運行環(huán)境，能夠對車輛各種復雜、極限、危險駕駛工況進行仿真，同時能夠為電控系統(tǒng)進行各類故障模式的模擬，從而可以對電控系統(tǒng)進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)仿真測試技術在國外主要的汽車公司已經獲得了廣泛認可和應用，國內汽車企業(yè)在逐步規(guī)范電控系統(tǒng)開發(fā)流程的同時對其認識也在逐漸深入。針對ESC的硬件在環(huán)仿真測試技術研究，在國外汽車企業(yè)和科研單位都比較廣泛，在國內較少且主要集中在高校。總體來說，國內外對于ESC的HIL仿真測試系統(tǒng)平臺多帶有真實的液壓或氣動管路，需要與液壓或氣動制動系統(tǒng)臺架結合，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；同時對車輛橫擺角速度、側向加速度及縱向加速度傳感器（本文統(tǒng)稱這3個傳感器為車輛姿態(tài)傳感器）信號采用總線的方式進行仿真。

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)相關部分注入故障。針對這種限制，本文對液壓制動系統(tǒng)進行建模，對ESC液壓控制電磁閥進行電磁信號的檢測采集，通過采集到的電磁閥信號驅動液壓制動系統(tǒng)模型的方式實現對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也可以靈活改變制動系統(tǒng)參數，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控制器內部，針對這種集成式ESC，不能通過總線對其信號進行仿真，如果不改變控制器原有軟硬件結構，無法實現硬件在環(huán)測試。針對這種限制，本文采用3D運動轉臺通過運動仿真的方式實現對車輛姿態(tài)傳感器的運動激勵，從而滿足集成式ESC的硬件在環(huán)測試需求。

1 ESC HIL系統(tǒng)平臺構建

1.1總體架構

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

硬件仿真平臺中，HIL機柜睬用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轉臺進行控制與狀態(tài)檢測；ESC控制器（ECU）及閥信號檢測單元（VSD）安置在3D轉臺中。控制與顯示軟件運行于上位機控制平臺，其中測試管理平臺主要進行硬件管理、虛擬儀表顯示、數據監(jiān)控、變量及參數設置、故障注入及診斷等：3D運動可視化平臺主要對車輛運行狀態(tài)進行動畫顯示。實時仿真模型由車輛模型和10模型組成，模型參數化和工況設置平臺對車輛模型進行參數化并對車輛仿真工況進行設置，實時仿真模型在上位機控制平臺進行開發(fā)和配置，并下載實時運行于HIL機柜。

1.2硬件仿真平臺設計搭建

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行環(huán)境和總線通信網絡。對于集成在ESC控制器內部的車輛姿態(tài)傳感器，還要通過3D運動轉臺為其提供運動仿真。

1.2.1 3D運動轉臺

3D運動轉臺通過3個伺服電機的驅動帶動其轉體繞3個軸進行旋轉，ESC控制器通過機械連接安置在轉體上跟隨轉體旋轉，從而為車輛姿態(tài)傳感器提供3個自由度的激勵運動。

ESC縱向和側向加速度傳感器為微機械傳感器，基于其工作原理，可以通過傳感器的傾斜度實現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，為轉體的傾斜角度。

3D運動轉臺的其中兩個電機采用角度控制模式，可以通過控制轉臺傾斜角度的變化實現對縱向和側向加速度傳感器的運動激勵：另外一個電機采用速度控制模式，可以通過控制旋轉角速度實現對橫擺角速度傳感器的運動激勵。3個電機的運動由車輛模型計算出的縱側向加速度和橫擺角速度值解耦后進行綜合控制，最終使3個電機的運動與車輛的3個運動實現等效。

1.2.2電磁閥信號檢測單元

液壓式ESC的液壓調節(jié)器（HCU）是對控制器控制指令響應的執(zhí)行部件總成，由4個常開電磁閥、4個常閉電磁閥、2個吸入電磁閥、2個限壓電磁閥、雙聯液壓泵和直流電機、蓄能器、緩沖腔、單向閥等組成凹。ESC主要通過對泵電機和12個液壓電磁閥的控制，實現對液壓制動系統(tǒng)的主動建壓以及輪缸增壓、保壓、減壓的控制。

本文構建的ESC HIL系統(tǒng)不引入真實的液壓制動系統(tǒng)，采用閥信號檢測單元對液壓控制電磁閥以及電機控制信號進行采集，驅動液壓制動系統(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、除泵電機外的HCU、液壓管路、輪缸等，ESC控制器及電磁閥線圈、泵電機為真實部件。

VSD閥芯安裝有閥信號檢測傳感器，通過將真實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，對于開關閥識別其開關狀態(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。對于主缸壓力傳感器可以通過HIL機柜對其進行電氣仿真，同時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。對于泵電機也可以對其注入電氣故障。

1.2.3信號列表設計

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

1.2.4 IO模型配置

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

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

1.2.5開環(huán)系統(tǒng)參數標定與測試

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)參數標定與測試主要是對控制器與HIL機柜之間的接口進行匹配和測試，保證機柜仿真與控制器識別的傳感器信號一致，機柜采集與控制器控制的執(zhí)行器信號一致，從而為ESC提供一個準確可靠的電氣運行環(huán)境。

以左前輪常開閥標定為例，首先對霍爾傳感器采集電壓與ESC控制電流之間的關系進行標定，處理后的關系曲線如圖6中實線所示，把此關系寫到IO模型；再控制ESC以同樣的電流驅動電磁閥，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)構建

閉環(huán)系統(tǒng)是控制器經過IO與車輛模型構成的控制一反饋系統(tǒng)，真正實現了真實控制器與虛擬車輛的閉環(huán)，是在開環(huán)系統(tǒng)的基礎上構建的，為控制器提供了車輛工況運行環(huán)境。構建ESC閉環(huán)系統(tǒng)首先要對車輛模型進行參數化與調試，使模型與目標車輛在橫向動力學特性上具有較高的一致性，再把調試完成的車輛模型與IO模型集成對接，與ESC構成閉環(huán)系統(tǒng)并進行調試。

1.3.1車輛模型參數化與調試

車輛模型采用基于Simulink開發(fā)的ASM商業(yè)數學模型，其具有較高的實時性，可滿足1 ms定步長仿真周期。參數化與調試主要根據模型需要的整車或系統(tǒng)特性參數和曲線，對整車或臺架試驗數據進行分析和處理；再把處理完成的數據對模型進行配置；然后通過典型試驗工況，以相同的輸入把車輛模型仿真的車輛狀態(tài)與實車試驗曲線進行對比分析，并對模型參數進行調整直到車輛模型仿真的特陛與實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、懸架KC特性、輪胎特性、轉向系統(tǒng)參數等進行配置。

以懸架KC特性中前輪中心x方向位移與轉向橫拉桿位移以及車輪垂向跳動的關系為例，通過對KC試驗數據進行處理，得到了符合ASM要求的關系曲線.如圖7所示。

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

1.3.2實時仿真模型集成

配置調試完成的車輛模型與IO模型集成，形成ESC的閉環(huán)實時模型。集成主要對模型之間的接口進行配置，把駕駛員操作及車輛模型計算的車輛狀態(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與車輛模型實時閉環(huán)。

2測試開發(fā)與實施

2.1測試內容

基于對ESC功能策略及故障診斷與安全策略的研究，結合構建的ESC HIL系統(tǒng)平臺特點，對測試內容進行研究。ESC功能測試內容結合工況和功能點展開，根據測試目標及深度的不同而調整，表1是功能測試內容的示例簡述。

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行測試，故障注入的類型如表2所示。

2.2測試開發(fā)

依據測試目標確定的測試內容，綜合運用黑盒測試技術和方法對ESC功能和故障診斷測試規(guī)范進行開發(fā)。測試規(guī)范是測試實施的依據和核心文檔，按照分類分組清晰以及可追溯性的原則進行用例組織，每條用例包括測試目標、初始條件、測試步驟、結束條件、評價變量與指標等內容，同時測試規(guī)范要與設計規(guī)范等設計來源實現關聯。測試開發(fā)可沿著先矩陣后規(guī)范的思路設計。

根據需求也可把測試規(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測試實施

基于構建的ESC HIL系統(tǒng)平臺，依據開發(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果曲線如圖9所示，圖中曲線分別為車輛橫擺角速度及側向加速度、4個輪缸制動壓力、4個常閉電磁閥（NC_Valve）開關狀態(tài)、4個常開電磁閥（NO_Valve）電流、2個吸入電磁閥（PRC_Valve）開關狀態(tài)、2個限壓電磁閥（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閥的開關狀態(tài)，實現對4個車輪制動壓力的調節(jié)，從而保持了車輛的穩(wěn)定性：同時構建的HIL系統(tǒng)平臺可以很好地測量12個電磁閥的工作狀態(tài)，從而能夠對閥的控制進行細致分析。

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果曲線如圖10所示，圖中曲線分別為車輛縱向速度及4個車輪速度、4個輪缸制動壓力，其中輪缸制動壓力由液壓系統(tǒng)根據各個閥的控制狀態(tài)模擬計算得到。由測試曲線可知，在均質路面及附著狀態(tài)跳變的過程中，ESC通過調節(jié)各個輪缸的制動壓力有效防止了車輪抱死：構建的HIL閉環(huán)系統(tǒng)平臺可以有效實現ABS功能測試。

以4個主動式輪速傳感器電流超出范圍故障診斷測試為例，測試結果曲線如圖11所示，圖中曲線分別為車輛模型仿真的4個車輪輪速，以及ESC總線發(fā)出的4個車輪輪速。由測試曲線可知，在車輛行駛過程中注入4個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，同時通過診斷服務可讀取相應的故障碼：構建的HIL系統(tǒng)平臺可對控制器注入故障，實現對ESC的故障診斷測試。

3結束語

本文結合運動仿真平臺和閥信號檢測單元構建了ESC硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)平臺，其中3D運動轉臺可以為車輛姿態(tài)傳感器集成式ESC提供3個自由度的運動仿真，突破了無法通過外部電氣信號對其進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)進行采集，而不再需要引入真實液壓系統(tǒng)，減少了真實液壓制動系統(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)參數標定與測試，實現了對ESC傳感器信號的準確仿真及對執(zhí)行器信號的準確識別；通過車輛動力學模型的參數化與調校，使動力學模型與實車在橫向動力學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容及測試規(guī)范開發(fā)進行了分析討論。功能及故障診斷測試結果表明，本文構建的硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)平臺可以很好地實現對ESC功能及故障診斷的測試和驗證。