EPS機電耦合HIL臺架聯合仿真測試方法

楊春偉，崔海峰，沈建東

（泛亞汽車技術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，汽車轉向系統的功能由原來單純減輕駕駛員的駕駛疲勞轉變為主動干預駕駛員轉向行為，實現輔助駕駛或智能駕駛，準確實現駕駛員的轉向意圖或使汽車按照理想軌跡轉向[1]。汽車轉向系統已從液壓助力轉向HPS向電子助力轉向EPS轉變，除了提供正常轉向助力功能外，還附加去其他駕駛輔助功能，比如APA，LKA和TJA等。由此帶來EPS軟硬件設計日益復雜，潛在缺陷概率也在上升。通過分析近年EPS缺陷召回案例，發現EPS相關召回案例次數增多，并且召回主因也是EPS電子軟硬件導致[2]。因此，無論主機廠還是供應商，針對EPS產品功能性和安全性進行集成開發，建立有效的軟硬件測試能力尤為重要。而硬件在環Hardware in Loop（HIL）正是有效的測試驗證手段[3]。

EPS HIL測試業內一般分為三種級別：ECU級，電機動力單元集成級和EPS系統級[4]。主機廠一般關注系統級HIL測試。把完整真實EPS物理系統與車輛動力學載荷和電氣環境進行集成，對EPS系統進行機電耦合HIL聯合仿真測試。本文介紹了一種基于MTS公司轉向性能試驗臺和dSPACE實時HIL仿真器，嵌入整車Carsim車輛動力學模型，集成開發EPS機電耦合HIL聯合仿真測試臺架的方法。并以某項目早期開發階段，沒有實物樣車的條件下，對EPS中心區（OC）轉向性能和雙變線（DLC）工況輪速故障功能安全策略聯合仿真測試為案例展開介紹。

1 聯合仿真臺架硬件集成

1.1 轉向系統性能試驗臺

MTS轉向系統性能試驗臺由方向盤輸入電機，轉向器左右拉桿負載作動缸，轉向系統硬點調節機構，液壓泵站，控制柜及上位機軟件組成。方向盤輸入電機可以施加角度或扭矩控制，實現駕駛員方向盤輸入的精準模擬。集成高精度扭矩和角度傳感器，實現對駕駛員方向盤操作角度和扭矩的采集。轉向器左右拉桿作動缸可以在轉向器左右拉桿端動態施加齒條力或位移載荷。集成力傳感器，實現對轉向拉桿力動態載荷采集。在轉向器齒條上安裝位移傳感器，實現對齒條位移的采集。轉向系統硬點多自由度調節機構，實現不同硬點坐標轉向系統物理安裝，支持跨平臺柔性化測試。控制柜實現各作動器的精準控制和信號采集。上位機定義測試工況，監控臺架信號及數據后處理，獨立完成轉向系統常規性能試驗。轉向性能試驗臺系統框圖如圖1所示。

圖1 轉向性能試驗臺系統框圖

1.2 dSPACE實時仿真器

實時仿真器采用dSPACE全尺寸機柜，集成有DS1006高性能處理器板卡，搭載了AMD Opteron多核處理器，具備強大的處理能力，適用于有復雜模型計算需求的硬件在環測試場景。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，并能模擬車輛啟動電壓波形。測試人員通過上位機軟件可以方便地對程控電源模型，機柜控制模型和總線通訊模型進行控制，實現EPS電氣環境的模擬仿真。圖2所示為EPS系統與dSPACE 實時HIL仿真器連接， 接收總線信號和供電信號示意圖。需要指出由于物理轉向系統沒有真實力學載荷輸入，圖2所示的連接方式只適用EPS 靜態空載工況HIL測試。

圖2 dSPACE 實時HIL仿真器連接示意圖

1.3 EPS機電耦合硬件集成

如上所述，轉向性能試驗臺能夠為EPS系統提供真實載荷加載環境，dSPACE實時仿真器能夠為EPS系統提供真實電氣仿真環境，如何把兩套系統機電耦合起來，實現EPS系統HIL聯合仿真測試能力，就成為臺架集成的關鍵。

在性能試驗臺控制柜和dSPACE仿真器中各增加一塊SCRAMNet高速通訊板，通過高速光纖互聯，實現兩套系統控制命令和載荷信號高速動態實時傳遞，比如方向盤轉角，方向盤扭矩，轉向器左右拉桿力，齒條位移，車速和發動機信號等。在兩套系統間增加一個物理同步時鐘信號，確保兩套測試系統在HIL仿真計算過程中動態載荷采集和控制信號計算以相同時間步長同步更新。圖3為轉向性能試驗臺與dSPACE實時HIL仿真器機電耦合硬件集成示意圖。

圖3 轉向試驗臺與實時仿真器機電耦合集成示意圖

2 聯合仿真臺架模型集成

2.1 轉向系統性能試驗臺動態載荷集成

轉向系統性能試驗臺上位機軟件可獨立完成方向盤輸入電機，轉向器左右拉桿負載作動缸控制命令創建，信號采集設置，安全監控及信號顯示等功能。在進行聯合仿真測試時，性能試驗臺方向盤輸入電機和轉向器左右拉桿負載作動缸實時接收來自于dSPACE仿真器中駕駛員模型和車輛動力學模型的方向盤轉角和轉向器左右拉桿力信號，并作為物理EPS系統載荷命令進行動態加載。與轉向系統常規性能測試動態載荷來自于上位機軟件配置所不同的是，聯合仿真測試轉向系統動態載荷來自于駕駛員模型和動力學模型計算，實現了真實轉向系統與虛擬車輛載荷環境的集成。同時，性能試驗臺采集真實EPS方向盤扭矩和齒條位移信號作為車輛模型的反饋輸入信號。圖4所示為轉向性能試驗臺上位機控制界面。

圖4 轉向性能試驗臺上位機控制界面

2.2 Carsim車輛動力學模型集成

Carsim是來自MSC公司專門研究車輛動力學的一款仿真軟件，可以模擬車輛對駕駛員輸入、路面輸入及空氣動力學輸入的響應，對車輛操縱穩定性、動力性、經濟性、制動性、平順性進行評價，并且系統兼容性好，可以在 Windows環境下運行，支持實時硬件在環測試，配有車輛姿態動畫和曲線實時顯示界面。最新版Carsim車輛模型共有33個自由度，可方便地對車輛車身、空氣動力學、動力系統、制動系統、轉向系統、輪胎和懸架進行建模。Carsim可以生成S- Function，嵌入到Simulink模型中，構成dSPACE實時HIL仿真集成模型。

通過配置Carsim模型輸入輸出接口，可以實現車輛動力學模型接收來自于轉向性能試驗臺的方向盤扭矩和齒條位移信號作為輸入信號，同時把動力學模型計算的方向盤轉角，左右拉桿力載荷信號作為輸出信號，傳遞給轉向系統性能試驗臺作為載荷控制信號，最終完成動力學載荷耦合的閉環。同時車輛模型的輪速信號，車輛質心加減速度，發動機轉速等信號可以配置到EPS總線環境中，實現虛擬整車總線信號仿真。圖5為本項目開發的集成有Carsim車輛動力學模型S-Function的Simulink模型框圖。

圖5 Simulink/Carsim車輛動力學模型集成框圖

2.3 dSPACE HIL聯合仿真上位機軟件

對集成有Carsim S-Function的Simulink模型進行編譯，可以生成SDF文件，并通過Controldesk軟件下載到dSPACE實時HIL模擬器中進行毫秒級步長仿真計算。利用Control -desk軟件可以方便靈活地對SDF文件中的變量進行關聯，配置，監控和采集。未來方便進行聯合仿真試驗的管理，圖6為本項目開發的EPS機電耦合HIL臺架聯合仿真上位機管理軟件界面。主要包含程控電源控制，車輛虛擬儀表，轉向性能試驗臺信號及EPS總線報文監控。通過上位機管理軟件，可以方便地進行EPS機電耦合HIL聯合仿真測試。

圖6 EPS機電耦合HIL聯合仿真上位機管理軟件

3 應用介紹

3.1 轉向中心區（OC）操穩性能聯合仿真測試

EPS產品開發過程中，通常基于實車和試驗場地，對EPS手感進行標定調校來獲得良好的車輛操控性能。由于搭建了EPS機電耦合HIL聯合仿真測試臺架，使得在項目早期并沒有物理樣車的情況下，在試驗室內也可以進行EPS性能前期調試，分析整車架構和供應商產品對轉向系統性能的影響，達到縮短產品開發時間，減少實車使用需求和提高開發效率的目的。圖7為某項目EPS產品HIL測試圖片。

圖7 EPS HIL測試

本文根據GBT 6323－2014 汽車操縱穩定性試驗方法[5]，在聯合仿真測試臺架上創建對應的測試規范。現以轉向盤中心區操縱穩定性試驗（OC）為例進行介紹：根據規范定義試驗車速分別為60 kph，80 kph和100 kph，方向盤輸入頻率為0.2 Hz，車輛側向加速度峰值達到2 m/s2左右。圖8和圖9展示了聯合仿真的部分測試結果，獲得了EPS方向盤轉角與扭矩曲線，方向盤轉角與側向加速度曲線，方向盤扭矩與車輛橫擺角速度曲線，方向盤扭矩和側向加速度曲線。測試結果表明聯合仿真試驗正如同實車OC試驗一樣，能夠獲得完整的轉向系統客觀測試數據，支持EPS系統操穩性能的量化分析，為EPS軟件手感參數標定指出調試方向。

圖8 方向盤轉角與方向盤扭矩/側向加速度曲線

圖9 方向盤扭矩與橫擺角速度/側向加速度曲線

3.2 輪速有效位故障模擬雙移線（DLC）工況聯合仿真測試

EPS是功能安全最高等級ASIL D的系統，根據ISO26262要求，需要通過故障注入測試來驗證系統的安全性[6]。EPS 機電耦合HIL臺架，可以靈活實現總線，供電和傳感器的故障注入測試。通過EPS模擬故障注入，監控車輛模型在故障發生后的系統響應，對EPS系統的功能安全策略進行評估。本文選取輪速有效位故障模擬雙移線（DLC）工況聯合仿真測試進行介紹。

EPS通過整車CAN總線信號接收ESP系統發出的左前、右前、左后和右后4個輪速信號，并提供隨速轉向助力。通過判斷4個輪速信號出現故障模式和數量，進行安全輪速計算，確保EPS系統在滿足功能安全要求前提下提供轉向助力性能。EPS一旦無法獲取安全輪速，系統應立刻進入降級模式，工作在安全模式下，避免危害發生。輪速信號通過CAN總線發送，典型存在信號無效，信號卡滯和信號丟失三種失效模式。本文選取信號無效（Invalid）模式，如表1所列工況進行總線輪速失效故障模擬聯合仿真測試。利用Carsim駕駛員模型，執行ISO3888-2-2002-BS雙移線國際標準工況，車速設定為80KPH。通過測量車輛模型方向盤轉角，橫擺角速度，側向加速度和車身側傾角來分析對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

通過聯合仿真測試，獲得了5種工況下DLC客觀測試數據。圖10左側方向盤扭矩曲線表明只有在4個輪速無效工況下，EPS進入安全模式，駕駛員需要施加峰值扭矩約5 Nm的轉向扭矩滿足DLC工況避障要求。輪速失效數量為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，峰值扭矩為2～3 Nm，能夠維持DLC工況避障能力。通過聯合仿真測試，EPS輪速失效機制和安全模式下的助力性能得到確認，避免了安全機制設置過于敏感導致影響客戶駕駛體驗，也滿足安全模式下車輛安全可控的要求。圖10右側方向盤轉向曲線說明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傾角和側向加速度在5種工況下一致性較好，符合DLC測試工況避障要求。

圖10 方向盤扭矩/角度DLC測試曲線

圖11 車輛側傾角/側向加速度 DLC測試曲線

4 結論

本文基于MTS轉向性能試驗臺和dSPACE HIL實時仿真器，通過硬件改造實現兩臺測試系統硬件互聯，嵌入Carsim車輛動力學模型并集成到Simulink模型中，編譯下載到dSPACE實時模擬器中進行執行，實現了EPS機電耦合HIL臺架聯合仿真測試臺架構建。通過轉向中心區（OC）操穩性能聯合仿真測試和輪速有效位故障模擬雙移線（DLC）工況聯合仿真測試兩個用例，對聯合仿真臺架應用領域進行了拓展和創新。該套系統的成功投入運用，實現了EPS系統機電耦合工況下的無車化測試，減少了實車測試時間，縮短了產品開發周期和成本，在HIL仿真測試領域具有較好的推廣價值。