基于硬件在环的EPS系统故障诊断及自动化测试

2021-09-10蒯家琛熊珊珊史雪纯崔书浩唐程光KuaiJiachenWangWeiWenMinXiongShanshanShiXuechunCuiShuhaoTangChengguang

北京汽车 2021年4期

蒯家琛，王玮，温敏，熊珊珊，史雪纯，崔书浩，唐程光Kuai Jiachen，Wang Wei，Wen Min，Xiong Shanshan，Shi Xuechun，Cui Shuhao，Tang Chengguang

蒯家琛，王玮，温敏，熊珊珊，史雪纯，崔书浩，唐程光
Kuai Jiachen，Wang Wei，Wen Min，Xiong Shanshan，Shi Xuechun，Cui Shuhao，Tang Chengguang

（安徽江淮汽车集团股份公司技术中心，安徽合肥 230601）

为了验证基于HIL（Hardware-In-the-Loop，硬件在环）的EPS（Electric Power Steering，电动助力转向）系统功能故障和电气故障测试的准确性，以及自动化测试的可靠性，首先根据EPS动力学模型及HIL测试系统结构，建立EPS系统仿真模型及搭建HIL测试台架，再以EPS系统高电压功能故障和扭矩传感器短地故障为例，进行故障诊断及自动化测试。结果表明：基于硬件在环的EPS系统故障诊断测试，可以替代实车进行测试验证，使用自动化测试可提高复测性及工作效率，为EPS系统诊断测试方法提供参考。

硬件在环；EPS系统；故障诊断；自动化测试

0 引言

随着汽车电子控制技术的不断成熟，EPS（Electric Power Steering，电动助力转向）系统快速发展。同时EPS系统控制整车安全转向的要求越来越高，EPS软件也越来越复杂[1]；因此需对EPS控制系统进行大量诊断测试，以确保其安全性和可靠性。在实车条件下受一系列外部条件限制（如超高车速、超低环境温度等），大量动态试验周期长且覆盖度低，无法满足EPS开发需求。HIL（Hardware-In-the-Loop，硬件在环）仿真系统可以模拟被控对象及其环境，对控制器进行各种模拟工况条件下的功能、诊断等测试。

随着EPS电动化和智能化发展，相应新技术、新功能的开发和应用测试需求越来越普遍[2]。基于HIL系统的测试方法可便捷地实现功能和故障诊断自动化测试。创建及积累自动化HIL测试案例，可以一键进行零部件及子系统新技术测试，提高控制器开发和集成效率，缩短开发周期。基于HIL仿真测试系统，针对某车型的EPS系统进行诊断测试，通过自动化测试脚本实现自动化测试。

1 HIL仿真系统

采用基于dSpace的实时仿真系统和电机助力转向测试台，建立EPS硬件在环仿真测试环境，并使用ASM（Automotive Simulation Models，车辆仿真模型）车辆动力学和高级转向模型仿真转向行为，实现对转向系统功能测试、故障诊断测试等。

测试采用完整的电动助力转向系统总成，利用硬件在环系统的ASM模型，使EPS控制器在一个虚拟仿真测试环境下运行，实现EPS功能故障注入及诊断测试验证。

1.1 动力学模型

EPS系统由转向盘、转向执行总成和EPS控制器3个主要部分组成。EPS控制器通过采集发动机状态、车速等相关信号进行控制逻辑判断，并结合安装在转向管柱上的扭矩和转角传感器采集回的信号，判断驾驶员操纵意图，从而控制电机进行助力控制。EPS系统结构如图1所示。

图1 EPS系统结构示意

EPS转向系统动力学模型如图2所示。

注：DD为驾驶员端阻尼系数，jD为驾驶员输入的角位移，KD为驾驶员端弹性系数，jS为转向盘角位移，JS为转向盘及上转向柱的转动惯量，TS为转向盘力矩，TFS为转向盘的摩擦损失力矩，DS为转向柱阻尼系数，KS为转向柱弹性系数，Tsc为扭矩传感器测量力矩，iE为减速机构减速比，DE为EPS系统阻尼系数，JE为助力电机的转动惯量，jE为助力电机角位移，KE为EPS系统弹性系数，JR为下转向柱及转向杆的转动惯量，jR为下转向柱角位移，iS为转向比，是齿轮齿条机构角位移的函数，DR为下转向柱阻尼系数，FFR为转向杆的摩擦力，FTFL为车辆参考系中左前轮摩擦力，FTFR为车辆参考系中右前轮摩擦力。

由图2得出转向系统动力学模型为

1.2 硬件平台

EPS的HIL测试系统硬件平台[3]主要由上位机、HIL仿真机柜（SCALEXIO平台）和测试试验台（包括电动助力转向系统总成）组成，如图3所示。

HIL机柜仿真输出EPS控制器接收的各种输入信号和试验台的控制信号，接收EPS控制器发出的输出控制信号及试验台的反馈信号，并与EPS控制器进行网络通信，从而实现HIL机柜、EPS控制器和试验台之间的电气连接及通信。

本篇研究将从四部分展开：第一部分综述理工科院系学生党支部工作创新的研究现状；第二部分分析理工科院系学生党支部的特殊性及存在的问题；第三部分论述新形势下理工科院系学生党支部工作创新的重要意义；第四部分探究新形势下理工科院系学生党支部工作创新的着力点。

图3 HIL测试系统硬件平台

1.3 软件平台

EPS的HIL测试系统软件平台主要由整车仿真Simulink模型和上位机相关软件组成。

整车仿真Simulink模型主要包括车辆动力学模型（传动系统模型、道路环境模型等）和I/O接口模型。I/O接口模型主要分为供电模型、转向角模型、转向扭矩模型和CAN通信模型。EPS系统I/O接口模型如图4所示。

图4 EPS系统I/O接口模型

上位机软件主要是dSPACE提供的商业软件，包括ConfigurationDesk硬件平台配置软件、ControlDesk 测试管理软件、AutomationDesk 自动化测试软件、ModelDesk模型参数化软件和Motion Desk 3D显示软件。EPS系统ControlDesk测试管理界面如图5所示。

图5 测试管理界面

2 故障诊断测试

利用HIL机柜的FIU（Failure Inject Unit，故障注入单元）功能，根据故障诊断策略调节EPS控制器的输入输出信号，从而进行故障诊断模拟，实现故障诊断测试[4]。EPS系统故障诊断测试主要分为功能故障测试和电气故障测试，功能故障测试针对ECU内部功能策略出现的故障，电气故障测试针对ECU外部的电气接口产生的故障；同时测试EPS控制器在故障模式下的故障码策略验证，测试EPS系统稳定性。

ControlDesk软件可对故障诊断试验过程进行实时管理，包括HIL机柜的板卡通道配置、用户虚拟仪表建立、模型相关变量的标定及采集、整车参数可视化以及实现测试管理等。

2.1 功能故障测试

EPS系统功能故障测试，以系统高电压对EPS功能影响的故障注入为测试用例。当EPS系统电压为10～16 V时，EPS提供正常助力；当EPS系统电压超过16 V时，EPS助力首先根据助力电压关系曲线（图6所示）计算出相对百分比助力衰减，随着系统电压持续上升到18 V，EPS助力持续衰减至0，助力完全消失，同时EPS控制器报系统电压过高故障。系统高电压故障助力特性测试结果如图7所示。