基于硬件在環的EPS系統故障診斷及自動化測試

2021-09-10 05:25:34蒯家琛熊珊珊史雪純崔書浩唐程光KuaiJiachenWangWeiWenMinXiongShanshanShiXuechunCuiShuhaoTangChengguang

北京汽車 2021年4期

蒯家琛，王瑋，溫敏，熊珊珊，史雪純，崔書浩，唐程光Kuai Jiachen，Wang Wei，Wen Min，Xiong Shanshan，Shi Xuechun，Cui Shuhao，Tang Chengguang

蒯家琛，王瑋，溫敏，熊珊珊，史雪純，崔書浩，唐程光
Kuai Jiachen，Wang Wei，Wen Min，Xiong Shanshan，Shi Xuechun，Cui Shuhao，Tang Chengguang

（安徽江淮汽車集團股份公司技術中心，安徽合肥 230601）

為了驗證基于HIL（Hardware-In-the-Loop，硬件在環）的EPS（Electric Power Steering，電動助力轉向）系統功能故障和電氣故障測試的準確性，以及自動化測試的可靠性，首先根據EPS動力學模型及HIL測試系統結構，建立EPS系統仿真模型及搭建HIL測試臺架，再以EPS系統高電壓功能故障和扭矩傳感器短地故障為例，進行故障診斷及自動化測試。結果表明：基于硬件在環的EPS系統故障診斷測試，可以替代實車進行測試驗證，使用自動化測試可提高復測性及工作效率，為EPS系統診斷測試方法提供參考。

硬件在環；EPS系統；故障診斷；自動化測試

0 引言

隨著汽車電子控制技術的不斷成熟，EPS（Electric Power Steering，電動助力轉向）系統快速發展。同時EPS系統控制整車安全轉向的要求越來越高，EPS軟件也越來越復雜[1]；因此需對EPS控制系統進行大量診斷測試，以確保其安全性和可靠性。在實車條件下受一系列外部條件限制（如超高車速、超低環境溫度等），大量動態試驗周期長且覆蓋度低，無法滿足EPS開發需求。HIL（Hardware-In-the-Loop，硬件在環）仿真系統可以模擬被控對象及其環境，對控制器進行各種模擬工況條件下的功能、診斷等測試。

隨著EPS電動化和智能化發展，相應新技術、新功能的開發和應用測試需求越來越普遍[2]。基于HIL系統的測試方法可便捷地實現功能和故障診斷自動化測試。創建及積累自動化HIL測試案例，可以一鍵進行零部件及子系統新技術測試，提高控制器開發和集成效率，縮短開發周期。基于HIL仿真測試系統，針對某車型的EPS系統進行診斷測試，通過自動化測試腳本實現自動化測試。

1 HIL仿真系統

采用基于dSpace的實時仿真系統和電機助力轉向測試臺，建立EPS硬件在環仿真測試環境，并使用ASM（Automotive Simulation Models，車輛仿真模型）車輛動力學和高級轉向模型仿真轉向行為，實現對轉向系統功能測試、故障診斷測試等。

測試采用完整的電動助力轉向系統總成，利用硬件在環系統的ASM模型，使EPS控制器在一個虛擬仿真測試環境下運行，實現EPS功能故障注入及診斷測試驗證。

1.1 動力學模型

EPS系統由轉向盤、轉向執行總成和EPS控制器3個主要部分組成。EPS控制器通過采集發動機狀態、車速等相關信號進行控制邏輯判斷，并結合安裝在轉向管柱上的扭矩和轉角傳感器采集回的信號，判斷駕駛員操縱意圖，從而控制電機進行助力控制。EPS系統結構如圖1所示。

圖1 EPS系統結構示意

EPS轉向系統動力學模型如圖2所示。

注：DD為駕駛員端阻尼系數，jD為駕駛員輸入的角位移，KD為駕駛員端彈性系數，jS為轉向盤角位移，JS為轉向盤及上轉向柱的轉動慣量，TS為轉向盤力矩，TFS為轉向盤的摩擦損失力矩，DS為轉向柱阻尼系數，KS為轉向柱彈性系數，Tsc為扭矩傳感器測量力矩，iE為減速機構減速比，DE為EPS系統阻尼系數，JE為助力電機的轉動慣量，jE為助力電機角位移，KE為EPS系統彈性系數，JR為下轉向柱及轉向桿的轉動慣量，jR為下轉向柱角位移，iS為轉向比，是齒輪齒條機構角位移的函數，DR為下轉向柱阻尼系數，FFR為轉向桿的摩擦力，FTFL為車輛參考系中左前輪摩擦力，FTFR為車輛參考系中右前輪摩擦力。

由圖2得出轉向系統動力學模型為

1.2 硬件平臺

EPS的HIL測試系統硬件平臺[3]主要由上位機、HIL仿真機柜（SCALEXIO平臺）和測試試驗臺（包括電動助力轉向系統總成）組成，如圖3所示。

HIL機柜仿真輸出EPS控制器接收的各種輸入信號和試驗臺的控制信號，接收EPS控制器發出的輸出控制信號及試驗臺的反饋信號，并與EPS控制器進行網絡通信，從而實現HIL機柜、EPS控制器和試驗臺之間的電氣連接及通信。

本篇研究將從四部分展開：第一部分綜述理工科院系學生黨支部工作創新的研究現狀；第二部分分析理工科院系學生黨支部的特殊性及存在的問題；第三部分論述新形勢下理工科院系學生黨支部工作創新的重要意義；第四部分探究新形勢下理工科院系學生黨支部工作創新的著力點。

圖3 HIL測試系統硬件平臺

1.3 軟件平臺

EPS的HIL測試系統軟件平臺主要由整車仿真Simulink模型和上位機相關軟件組成。

整車仿真Simulink模型主要包括車輛動力學模型（傳動系統模型、道路環境模型等）和I/O接口模型。I/O接口模型主要分為供電模型、轉向角模型、轉向扭矩模型和CAN通信模型。EPS系統I/O接口模型如圖4所示。

圖4 EPS系統I/O接口模型

上位機軟件主要是dSPACE提供的商業軟件，包括ConfigurationDesk硬件平臺配置軟件、ControlDesk 測試管理軟件、AutomationDesk 自動化測試軟件、ModelDesk模型參數化軟件和Motion Desk 3D顯示軟件。EPS系統ControlDesk測試管理界面如圖5所示。

圖5 測試管理界面

2 故障診斷測試

利用HIL機柜的FIU（Failure Inject Unit，故障注入單元）功能，根據故障診斷策略調節EPS控制器的輸入輸出信號，從而進行故障診斷模擬，實現故障診斷測試[4]。EPS系統故障診斷測試主要分為功能故障測試和電氣故障測試，功能故障測試針對ECU內部功能策略出現的故障，電氣故障測試針對ECU外部的電氣接口產生的故障；同時測試EPS控制器在故障模式下的故障碼策略驗證，測試EPS系統穩定性。

ControlDesk軟件可對故障診斷試驗過程進行實時管理，包括HIL機柜的板卡通道配置、用戶虛擬儀表建立、模型相關變量的標定及采集、整車參數可視化以及實現測試管理等。

2.1 功能故障測試

EPS系統功能故障測試，以系統高電壓對EPS功能影響的故障注入為測試用例。當EPS系統電壓為10～16 V時，EPS提供正常助力；當EPS系統電壓超過16 V時，EPS助力首先根據助力電壓關系曲線（圖6所示）計算出相對百分比助力衰減，隨著系統電壓持續上升到18 V，EPS助力持續衰減至0，助力完全消失，同時EPS控制器報系統電壓過高故障。系統高電壓故障助力特性測試結果如圖7所示。