硬件在環臺架制動性能精度影響研究

吳 君，楊洪福，張 斌

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海201315）

0 引言

汽車研發尤其是更快的車輛開發及智能駕駛技術的運用，都可以利用硬件在環 （Hardware In Loop，HIL）臺架的便捷及快速迭代特性。制動性能是車輛底盤核心功能之一，以往開發時間較長、需要進行不斷的調校和功能驗證。制動性能開發包括常規制動及需要制動控制系統模塊進行介入的ABS、ESC、TCS等功能開發。以ABS性能開發為例，人員需要在不同車速、不同路面如瀝青路面、冰雪路面、對開路面 （車輛左右輪位于不同特征路面上）上進行最大減速度制動測試，并對制動性能進行評估。基于HIL臺架的制動控制性能開發具有不限場地、不限使用時間窗口的特征，利用HIL臺架可以解決上述開發痛點，不僅可以優化車輛試驗需求，而且極大改善底盤制動控制系統開發體驗，系統開發更加高效。

使用HIL臺架進行制動控制性能開發關鍵點在于需要確保在同樣的制動操作工況下，HIL測試結果與整車測試結果具有一致性，確保臺架測試結果可以用來進行整車性能評估。本文作者提出一種模型解耦分析方法，通過將制動過程進行模型解耦，分析實車與臺架數據并對制動卡鉗、輪胎等模型參數進行研究，從而確定影響制動性能精度關鍵因子并進行優化，減小實車與臺架測試誤差。

1 制動系統HIL臺架組成

制動系統HIL測試臺架組成如圖1所示，由線性電機、踏板、真空助力器、制動管、制動控制模塊及卡鉗組成。此外，臺架還通過輪速模擬器以發送脈沖形式向制動控制模塊提供輪速信息。臺架上制動系統均為實物零件，卡鉗壓力作為輸入傳遞到車輛模型，模型輸出的輪速信息經過輪速模擬器轉化為脈沖后輸出到制動控制模塊，從而組成閉環HIL臺架。

圖1 制動控制系統HIL示意

2 制動性能優化目標

制動分成常規制動和制動控制系統介入后的ABS制動兩種。前者制動力未達到輪胎與地面附著力極限，施加的制動壓力轉換成地面制動力，使車輛減速；后者由于制動壓力產生的制動力使車輪發生了抱死，制動控制模塊對壓力進行調節使輪胎在不抱死前提下讓汽車從地面獲得盡量多的制動力以減小制動距離。

ABS制動測試主要包括高附路面 （瀝青路面）、低附路面（如冰面）和對開路面 （車輛左側與右側車輪位于不同路面）最大減速度制動測試。

根據控制目標，制動減速度、制動距離是首要觀察目標。此外，ABS工作時臺架上車輪響應趨勢是否與實車一致也是目標之一。理想的趨勢是經過ABS控制算法不斷的壓力調壓后，車輪輪速與車輛的車速曲線不斷貼近。通過HIL臺架與實車制動效率對比分析可以表征臺架測試工況下ABS的控制介入邏輯與實車測試偏離程度。故本文作者以ABS制動減速度、制動距離及制動時響應趨勢為優化目標。

結合HIL臺架的組成及車輛模型輸入為卡鉗壓力、輸出為輪速，因此根據制動過程將分析分成踏板力-真空助力器形成制動主缸壓力、卡鉗壓力至制動扭矩、制動扭矩至輪胎制動力三部分對實車與HIL臺架測試進行分析，實現各個物理模型之間一定的解耦。

2.1 制動踏板力與主缸壓力建壓過程優化

針對踏板力至真空助力器部分。由于該部分HIL臺架均為實物硬件，力與主缸壓力輸出值依賴于零件本身，但是由于HIL臺架部分并無類似整車提供真空部分，會導致主缸壓力建壓速度慢、影響制動控制模塊進行壓力控制［1］，因此該部分的優化目標是在輸入一定踏板力后主缸輸出的制動壓力建壓需要響應迅速。通過試驗，額外真空補助裝置使主缸建壓過程達到15 MPa／s，滿足制動測試需求。

2.2 制動卡鉗模型優化

針對制動卡鉗壓力與制動扭矩部分。一般制動卡鉗壓力與扭矩具有線性關系，該線性系數稱為制動效能系數。常規制動可以利用該系數計算出車輛的制動力，從而計算出制動減速度。但是，當ABS制動時，由于制動卡鉗壓力在受到ABS模塊控制進行增壓、泄壓與保壓過程切換，會導致卡鉗制動效能系數存在遲滯，造成卡鉗壓力與制動扭矩存在非線性部分，如圖2所示。為了更好地反映ABS介入時車輪制動扭矩，通過使用狀態機實現帶延遲的模型制動效能系數，如圖3所示，輸入為卡鉗壓力，輸出為制動扭矩，擬合了增壓、減壓階段制動效能參數，狀態機根據作用在卡鉗端壓力處于增壓或減壓計算制動扭矩。

圖2 ABS制動時制動卡鉗壓力與扭矩曲線

圖3 制動卡鉗狀態機優化模型

2.3 輪胎模型優化

針對制動扭矩與輪胎制動力部分。根據仿真測試用途輪胎模型有多種類型，本文作者采用了Pacejka輪胎模型［2］。這是一種基于輪胎試驗測試數據擬合的輪胎模型，用于表達車輪在制動時的力學特征，能夠滿足在一定側偏角下的測試精度。由于ABS控制邏輯與輪胎滑移率相關，需要輪胎模型針對車輪縱向運動進行重點建模。圖4是某車型17寸輪胎車輪滑移率與Fx／Fz（車輛縱向力與垂直力之比）曲線，反映了在不同滑移率下車輪提供的縱向制動力。

圖4 車輪輪胎滑移率與制動力曲線

2.4 輪速輸出模型優化

針對輪速模型部分，與上文提及的ABS的控制邏輯與滑移率有關。制動控制模塊根據接收到的車輪輪速信號計算滑移率等，并據此進行壓力調節控制。圖5為模型優化前直接使用車輛模型輸出輪速曲線，圖中在低速段部分存在輪速大于車速等異常情況，表示在制動時車輪的滑移率為負值。

圖5 輪速異常曲線

為了避免該異常情況，使用車輛車速與輪胎滑移率信號作為輸出。通過公式 （1）計算出不同車輪的輪速值，能夠避免車輛模型內部運算過程導致制動過程中輪速高于車速的異常現象。

式中：vwheel為車輪輪速；λ為車輪滑移率；vveh為車輛車速。

2.5 模型優化后制動性能指標

在對制動過程進行分段式數據分析及模型優化后，以車輛在高附瀝青路面進行100 km／h ABS測試工況為例，良好的HIL臺架模型制動響應趨勢應當是車輛制動過程中，車輪輪速曲線不斷貼近車輛車速曲線。圖6所示為制動過程中實車與模型優化后輪速曲線，達到了上述的預期。

圖6 ABS工況下模型與車輛輪速曲線

此外，為了客觀衡量實車與臺架測試數據偏離度，通過引入均方差來表達實車與臺架測試減速度及制動距離數據差異（3）， 如式 （2） 所示

式中：xveh為整車測試結果；xHIL，i為第i次HIL測試結果。

在進行多組同樣制動工況測試后，測試車輛與模型優化后臺架減速度、制動距離均值及及標準差數據如表1所示。

表1 實車與臺架制動性能指標數據對比

基于模型優化后實車與臺架數據誤差均小于5%，滿足預期，在該模型基礎上進一步執行低附及對開路面制動測試。圖7所示為不同路面下減速度曲線變化趨勢，其中對開路面由于車輛在制動后會出現跑偏現象，故只選取車輛跑偏前的一段數據進行觀察分析。從數據變化趨勢看，模型在不同路面下減速度表現也有較好一致性。

圖7 不同路面下臺架與車輛ABS制動減速度曲線

3 小結

經過模型精度分析及優化，ABS性能在減速度、制動距離達到了預期目標，車輪與HIL數據在不同路面上的減速度曲線吻合，經過優化后的模型可以用于臺架級性能評估及分析，支持性能開發。通過模型的分解及優化對標，為更多的實車與臺架性能對標及模型優化提供了一個有效的方法。