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

基于硬件在環(huán)的EPS系統(tǒng)故障診斷及自動(dòng)化測試

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(tuán)股份公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

為了驗(yàn)證基于HIL（Hardware-In-the-Loop，硬件在環(huán)）的EPS（Electric Power Steering，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向）系統(tǒng)功能故障和電氣故障測試的準(zhǔn)確性，以及自動(dòng)化測試的可靠性，首先根據(jù)EPS動(dòng)力學(xué)模型及HIL測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立EPS系統(tǒng)仿真模型及搭建HIL測試臺(tái)架，再以EPS系統(tǒng)高電壓功能故障和扭矩傳感器短地故障為例，進(jìn)行故障診斷及自動(dòng)化測試。結(jié)果表明：基于硬件在環(huán)的EPS系統(tǒng)故障診斷測試，可以替代實(shí)車進(jìn)行測試驗(yàn)證，使用自動(dòng)化測試可提高復(fù)測性及工作效率，為EPS系統(tǒng)診斷測試方法提供參考。

硬件在環(huán)；EPS系統(tǒng)；故障診斷；自動(dòng)化測試

0 引 言

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

隨著EPS電動(dòng)化和智能化發(fā)展，相應(yīng)新技術(shù)、新功能的開發(fā)和應(yīng)用測試需求越來越普遍[2]?；贖IL系統(tǒng)的測試方法可便捷地實(shí)現(xiàn)功能和故障診斷自動(dòng)化測試。創(chuàng)建及積累自動(dòng)化HIL測試案例，可以一鍵進(jìn)行零部件及子系統(tǒng)新技術(shù)測試，提高控制器開發(fā)和集成效率，縮短開發(fā)周期?；贖IL仿真測試系統(tǒng)，針對某車型的EPS系統(tǒng)進(jìn)行診斷測試，通過自動(dòng)化測試腳本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測試。

1 HIL仿真系統(tǒng)

采用基于dSpace的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)和電機(jī)助力轉(zhuǎn)向測試臺(tái)，建立EPS硬件在環(huán)仿真測試環(huán)境，并使用ASM（Automotive Simulation Models，車輛仿真模型）車輛動(dòng)力學(xué)和高級(jí)轉(zhuǎn)向模型仿真轉(zhuǎn)向行為，實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)功能測試、故障診斷測試等。

測試采用完整的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總成，利用硬件在環(huán)系統(tǒng)的ASM模型，使EPS控制器在一個(gè)虛擬仿真測試環(huán)境下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)EPS功能故障注入及診斷測試驗(yàn)證。

1.1 動(dòng)力學(xué)模型

EPS系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成和EPS控制器3個(gè)主要部分組成。EPS控制器通過采集發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)、車速等相關(guān)信號(hào)進(jìn)行控制邏輯判斷，并結(jié)合安裝在轉(zhuǎn)向管柱上的扭矩和轉(zhuǎn)角傳感器采集回的信號(hào)，判斷駕駛員操縱意圖，從而控制電機(jī)進(jìn)行助力控制。EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型如圖2所示。

注：DD為駕駛員端阻尼系數(shù)，jD為駕駛員輸入的角位移，KD為駕駛員端彈性系數(shù)，jS為轉(zhuǎn)向盤角位移，JS為轉(zhuǎn)向盤及上轉(zhuǎn)向柱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，TS為轉(zhuǎn)向盤力矩，TFS為轉(zhuǎn)向盤的摩擦損失力矩，DS為轉(zhuǎn)向柱阻尼系數(shù)，KS為轉(zhuǎn)向柱彈性系數(shù)，Tsc為扭矩傳感器測量力矩，iE為減速機(jī)構(gòu)減速比，DE為EPS系統(tǒng)阻尼系數(shù)，JE為助力電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，jE為助力電機(jī)角位移，KE為EPS系統(tǒng)彈性系數(shù)，JR為下轉(zhuǎn)向柱及轉(zhuǎn)向桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，jR為下轉(zhuǎn)向柱角位移，iS為轉(zhuǎn)向比，是齒輪齒條機(jī)構(gòu)角位移的函數(shù)，DR為下轉(zhuǎn)向柱阻尼系數(shù)，F(xiàn)FR為轉(zhuǎn)向桿的摩擦力，F(xiàn)TFL為車輛參考系中左前輪摩擦力，F(xiàn)TFR為車輛參考系中右前輪摩擦力。

由圖2得出轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型為

1.2 硬件平臺(tái)

EPS的HIL測試系統(tǒng)硬件平臺(tái)[3]主要由上位機(jī)、HIL仿真機(jī)柜（SCALEXIO平臺(tái)）和測試試驗(yàn)臺(tái)（包括電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總成）組成，如圖3所示。

HIL機(jī)柜仿真輸出EPS控制器接收的各種輸入信號(hào)和試驗(yàn)臺(tái)的控制信號(hào)，接收EPS控制器發(fā)出的輸出控制信號(hào)及試驗(yàn)臺(tái)的反饋信號(hào)，并與EPS控制器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，從而實(shí)現(xiàn)HIL機(jī)柜、EPS控制器和試驗(yàn)臺(tái)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(xué)生黨支部工作創(chuàng)新的研究現(xiàn)狀；第二部分分析理工科院系學(xué)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(xué)生黨支部工作創(chuàng)新的重要意義；第四部分探究新形勢下理工科院系學(xué)生黨支部工作創(chuàng)新的著力點(diǎn)。

圖3 HIL測試系統(tǒng)硬件平臺(tái)

1.3 軟件平臺(tái)

EPS的HIL測試系統(tǒng)軟件平臺(tái)主要由整車仿真Simulink模型和上位機(jī)相關(guān)軟件組成。

整車仿真Simulink模型主要包括車輛動(dòng)力學(xué)模型（傳動(dòng)系統(tǒng)模型、道路環(huán)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(zhuǎn)向角模型、轉(zhuǎn)向扭矩模型和CAN通信模型。EPS系統(tǒng)I/O接口模型如圖4所示。

圖4 EPS系統(tǒng)I/O接口模型

上位機(jī)軟件主要是dSPACE提供的商業(yè)軟件，包括ConfigurationDesk硬件平臺(tái)配置軟件、ControlDesk 測試管理軟件、AutomationDesk 自動(dòng)化測試軟件、ModelDesk模型參數(shù)化軟件和Motion Desk 3D顯示軟件。EPS系統(tǒng)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(jī)柜的FIU（Failure Inject Unit，故障注入單元）功能，根據(jù)故障診斷策略調(diào)節(jié)EPS控制器的輸入輸出信號(hào)，從而進(jìn)行故障診斷模擬，實(shí)現(xiàn)故障診斷測試[4]。EPS系統(tǒng)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(nèi)部功能策略出現(xiàn)的故障，電氣故障測試針對ECU外部的電氣接口產(chǎn)生的故障；同時(shí)測試EPS控制器在故障模式下的故障碼策略驗(yàn)證，測試EPS系統(tǒng)穩(wěn)定性。

ControlDesk軟件可對故障診斷試驗(yàn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)管理，包括HIL機(jī)柜的板卡通道配置、用戶虛擬儀表建立、模型相關(guān)變量的標(biāo)定及采集、整車參數(shù)可視化以及實(shí)現(xiàn)測試管理等。

2.1 功能故障測試

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

圖6 助力電壓關(guān)系曲線

圖7 系統(tǒng)高電壓助力特性

2.2 電氣故障測試

圖8 扭矩傳感器短地助力特性

3 自動(dòng)化測試

通過ControlDesk軟件進(jìn)行測試管理，基本滿足手動(dòng)測試要求。但在EPS控制器開發(fā)過程中，需對控制器進(jìn)行反復(fù)測試驗(yàn)證，手動(dòng)測試工作量大，無法保證測試過程一致性。結(jié)合AutomationDesk軟件進(jìn)行自動(dòng)化測試，可簡化測試方式，保證測試過程一致性，并生成可視化測試報(bào)告，便于后期測試問題追溯。

自動(dòng)化測試將每一步手動(dòng)操作按測試序列自動(dòng)連貫起來，由軟件自動(dòng)化測試操作，并自動(dòng)記錄測試結(jié)果及測試過程數(shù)據(jù)。自動(dòng)化測試流程如圖9所示。

圖9 自動(dòng)化測試流程

3.1 功能故障自動(dòng)化測試

系統(tǒng)高電壓對EPS助力特性的影響進(jìn)行自動(dòng)化測試，自動(dòng)化測試序列及測試結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 系統(tǒng)高電壓自動(dòng)化測試序列

圖11 系統(tǒng)高電壓自動(dòng)化測試結(jié)果

3.2 電氣故障自動(dòng)化測試

扭矩傳感器電氣故障（對地短路）對EPS助力特性影響進(jìn)行自動(dòng)化測試，自動(dòng)化測試序列及測試結(jié)果如圖12、圖13所示。

圖12 扭矩傳感器電氣故障自動(dòng)化測試序列

圖13 扭矩傳感器短地自動(dòng)化測試結(jié)果

4 總 結(jié)

概述EPS系統(tǒng) HIL測試平臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)和原理，根據(jù)實(shí)際情況選取不同轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真模型，搭建相應(yīng)的EPS硬件在環(huán)仿真平臺(tái)。針對基于硬件在環(huán)的EPS系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷測試，得出以下結(jié)論：

（1）建立的EPS系統(tǒng)HIL測試平臺(tái)可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)車測試，可以靈活控制診斷測試工況，便于實(shí)現(xiàn)EPS系統(tǒng)功能故障及電氣故障診斷測試；

（2）EPS控制器需經(jīng)重復(fù)故障注入測試時(shí)，自動(dòng)化測試相對于人工測試優(yōu)勢明顯，測試環(huán)境無需重新搭建，重復(fù)性測試效率明顯提升，并且自動(dòng)化測試具有較高的一致性及故障注入的安全性；

（3）HIL測試系統(tǒng)可與其他電控系統(tǒng)硬件臺(tái)架進(jìn)行聯(lián)調(diào)測試，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)復(fù)合硬件在環(huán)自動(dòng)化測試，為未來整車電控系統(tǒng)集成控制、開發(fā)創(chuàng)造更多條件。

[1]呂榮輝，石維佳，張宏超.基于dSpace的EPS系統(tǒng)ECU硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].汽車實(shí)用技，2017（2）：114-117.

[3]胡堅(jiān).基于硬件在環(huán)仿真的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向試驗(yàn)臺(tái)的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[2]張蕾.HIL測試技術(shù)在基于dSPACE的車身電控系統(tǒng)的應(yīng)用研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2015.

[4]穆天宇,劉強(qiáng),李順智.基于dSPACE的故障注入系統(tǒng)在汽車電子集成測試中的應(yīng)用[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2016（3）：152-155.

2021-04-25

U463.6.07

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2021.04.011

1002-4581（2021）04-0044-04