李占旗，刘全周，陈慧鹏

（中国汽车技术研究中心，天津 300300）

基于系统级的电动助力转向控制测试评价研究

李占旗，刘全周，陈慧鹏

（中国汽车技术研究中心，天津 300300）

对电动助力转向（EPS）硬件在环（HIL）测试的3种方案进行了对比分析，基于HIL仿真系统和转向试验台，构建了EPS机械系统级的虚拟整车测试平台。研究分析EPS功能和故障诊断测试内容，通过车辆动态转向工况的仿真以及各类故障的注入，对EPS系统控制功能和故障模式下诊断安全策略进行了测试和评价。EPS系统级HIL测试可以在整车试装前使测试更加接近实车，又能覆盖实车难以实现的边界极限及故障工况。

电动助力转向；测试评价；硬件在环；系统级

电动助力转向（EPS）系统通过控制电机直接提供转向助力，可以很好地协调车辆低速行驶时的转向轻便性和高速行驶时路感之间的矛盾，并且具有响应快、节约燃料、环保等优点，在乘用车已得到广泛应用［1］。

硬件在环（HIL）仿真测试是汽车电控系统正向开发过程中把握产品品质的重要环节，它通过建立整车及道路环境模型，并对传感器信号进行仿真执行器信号进行采集，同时建立整车总线通信网络，能够为电控系统构建一个虚拟的整车电气和工况运行环境。HIL测试在装车试验之前便可以对电控系统进行完整的功能策略测试以及各类故障模式下的诊断安全策略测试［2］。

本文基于一款管柱式EPS系统总成，构建了EPS机械级硬件在环测试系统平台，通过对功能和故障诊断策略进行研究，开发了机械级EPS的测试评价规范，实现了对EPS系统有效的验证和测试。

1 EPS硬件在环测试的几种方案

电动助力转向系统主要由电控单元、转向助力电机及减速机构、电磁离合器、转向盘转矩传感器、转向盘转角传感器、车速传感器等组成［3-4］。

针对EPS进行硬件在环仿真测试，可以采用信号级、功率级、机械级的几种测试方案，如图1所示。信号级测试，被测对象为控制器的控制单元部分，功率单元、助力电机、转向机构及整车系统采用模型进行仿真。功率级测试，被测对象为控制器整体，包括控制单元和功率单元，助力电机、转向机构及整车系统采用模型进行仿真。机械级测试，被测对象为控制器和助力电机整体，转向机构及整车系统采用模型进行仿真，由于助力电机与减速机构多为整体结构，机械级测试的实物大多包括转向助力总成。对于3种级别的测试方案，随着被测对象的范围扩大，测试自由度逐渐降低，但测试结果与实际系统更加接近。

图1 EPS硬件在环测试的几种方案

信号级测试以控制策略测试为主要目标，机柜对电机控制信号进行采集，电机模型再根据采集的控制信号进行动作响应。EPS控制器一般集成有控制单元和功率驱动单元，因此采用信号级测试时需要打开控制器，把控制信号引到外部与仿真机柜进行连接，该类测试主要由控制器供应商进行。

功率级测试把功率驱动和控制策略一同作为测试目标，控制器是作为一个整体进行测试的，该类测试适用于供应商和整车厂。

机械级测试以系统特性作为主要测试目标，可以对系统进行动态特性测试，由于控制器和转向助力总成均为实物，测试的特性与实际更加接近，该类测试适用于整车厂。

根据EPS开发阶段及测试重点的不同，可以选择不同级别的测试方案。本文主要从EPS机械级测试出发，对EPS系统的测试评价进行研究。

2 机械级测试系统平台构建

2.1 测试系统总体架构

针对EPS机械级测试，构建的硬件在环测试系统总体架构如图2所示，主要构成如下。

1）硬件仿真平台 包括HIL机柜、被测EPS总成与转向系统试验台组成的测试台架。

2）软件控制系统 包括测试管理平台、自动化测试平台。

3）实时仿真模型系统 包括整车系统模型、整车模型参数化和工况设置平台、IO模型。

4）上位机控制平台 运行软件控制系统和实时仿真模型系统，并与硬件仿真平台连接对其进行控制与监视测量。

2.2 硬件仿真平台设计搭建

硬件仿真平台进行EPS控制器供电、传感器信号仿真、转向输入与负载控制、EPS控制状态采集，并通过残余节点仿真建立整车虚拟CAN网络，为EPS总成建立整车电气及机械运行环境。

HIL机柜为德国dSPACE提供的硬件在环仿真测试机柜，配置有高效的实时处理器、丰富的IO资源板卡和故障注入板卡，供电电压范围0～30 V，供电电流范围0～110A。

图2 EPS机械级硬件在环测试系统总体架构

转向系统试验台主要用于管柱式EPS进行机械级测试，主要包括转向电机、负载电机（转向阻力电机）、转向端转矩传感器、负载端转矩传感器、电流传感器等。转向电机模拟驾驶员的转向输入，负载电机模拟等效到转向管柱下端的转向阻力，转向端和负载端2个转矩传感器分别测量转向端和负载端的实际转矩。通过驾驶员转向输入，实现对转向电机的转角或转矩控制；通过整车动力学模型计算的转向阻力，实现对负载电机转矩的控制。

被测EPS总成包括EPS控制器、助力电机和转向管柱，通过设计定制的夹具与转向系统试验台进行机械连接。

HIL机柜与测试台架通过IO通道、CAN总线等进行配置和映射连接，形成硬件仿真平台。

基于搭建的平台，通过对台架转向和负载电机驱动器参数以及电机控制模型中电机闭环控制参数进行配置调整，实现对EPS测试台架的调试。调试主要包括转矩传感器零位校准、转向电机角度模式和转矩模式调试、负载电机转矩模式调试等。

台架调试完成后进行开环系统参数标定与测试，主要对HIL机柜与EPS各IO通道电气信号及CAN信号是否正常进行测试，并对机柜与EPS物理信号的一致性进行标定。以图3为例，是机柜采集的助力电流与EPS总线电流值之间的对比曲线。

图3 助力电流-机柜采集与EPS总线值对比曲线

2.3 软件控制系统平台创建

软件控制系统平台包括测试管理平台和自动化测试平台。

测试管理平台基于ControlDesk测试管理软件进行设计创建，通过创建的图形化界面对整个测试过程进行控制和管理，包括硬件管理、虚拟仪表显示、数据监控、变量及参数设置等。图4是台架电机控制与监控界面。

图4 测试管理界面示例（台架电机控制与监控）

自动化测试平台基于AutomationDesk自动化测试软件开发，通过图形化的操作进行自动化测试序列和脚本的开发，实现对测试流程的设计、编写和管理，通过与测试管理平台的链接，实现测试用例的自动运行和管理。图5是编写的自动化测试序列和运行后生成的测试结果。

2.4 实时仿真模型

图5 自动化测试序列和测试结果示例

IO模型基于Matlab/Simulink开发，实现HIL机柜与EPS ECU的IO信号交互和CAN通信以及EPS台架的控制和台架相关信号的采集。

整车系统模型主要包括Soft ECU、发动机、传动系、车辆动力学、道路环境以及驾驶员模型。模型基于Matlab/Simulink环境建立，根据车辆相关特性数据，可以通过模型参数化软件ModelDesk对车辆模型进行参数化，使实时车辆模型能够正确模拟车辆运动，被控对象能够及时准确响应控制器的控制动作，并把车辆的运动状态提供给控制器。

通过把IO模型和整车系统模型集成匹配，形成系统实时仿真模型。

3 测试开发与实施3.1 测试内容

基于构建的系统测试平台，通过仿真工况设计和各类故障模式的模拟，可以实现对EPS功能和故障诊断的测试。

功能测试主要实现对EPS功能策略的测试和验证，内容见表1。

表1 EPS功能测试内容

故障诊断测试通过故障的注入，从故障识别和故障安全处理措施的角度对EPS故障诊断策略进行测试，故障注入的类型见表2。

表2 EPS故障注入类型

3.2 测试开发

依据测试内容和设计规范，开发功能和故障诊断测试规范。测试规范包括整个测试内容的系统功能划分、测试项和测试目的概述、测试初始条件、测试步骤、结束状态、期望结果，并具有可追溯性，便于测试管理。

3.3 测试实施

基于构建的系统测试平台和开发的测试规范，实现对EPS功能和故障诊断的测试。

图6是车辆以40 km/h速度行驶过程中，按120°幅值0.2 Hz正弦转向时，EPS助力电流、转向力矩、负载力矩、车辆横摆角速度和侧向加速度曲线。

图6 车速40 km/h正弦转向助力及车辆状态曲线

图7是系统供电电压从12 V缓慢降到8 V过程中，EPS助力效果的变化曲线。从图7中可以看出，当系统供电电压由12 V缓慢降到8 V的过程中，助力电流先增加，保持助力效果不变（转向力矩和负载力矩不变）；在电压大约为9 V后助力电流减小助力效果开始减弱，直到电压为8.3 V后助力消失，同时EPS故障灯点亮。

图7 供电电压12 V—8 V变化过程助力效果曲线

从图6和图7可以看出，基于构建的系统测试平台和开发的测试规范，可以对EPS系统进行功能和故障诊断的测试和评价。

4 结论

对EPS硬件在环测试的几种方案进行了对比分析。从机械系统级测试方案出发，通过构建机械级测试系统软硬件和模型平台，并通过对EPS功能和故障诊断测试内容的分析以及测试规范的开发，实现了对EPS功能控制策略以及多种故障模式下诊断安全策略的测试。测试结果表明，构建的EPS机械级测试系统平台可以有效地对EPS的功能策略和故障诊断策略进行验证和测试。

［1］ 陈奎元，马小平，季学武.电动助力转向系统控制技术的研究［J］.江苏大学学报（自然科学版），2004（1）:21-24.

［2］ 刘全周，李占旗，张蕾，等. 基于硬件在环技术的DCT控制器测试评价技术研究［J］.新型工业化，2015（8）：39-43.

［3］ 赵景波，陈龙，江浩斌，等.汽车EPS故障模式分析与其控制技术［J］.农业机械学报，2009（2）:18-21.

［4］ 吕威. 电动助力转向系统稳定性和电流控制算法研究［D］.长春：吉林大学，2010：11-15.

（编辑 杨 景）

Research on Test and Evaluation of Electric Power Steering Based on System

LI Zhan-qi，LIU Quan-zhou，CHEN Hui-peng
（China Automotive Technology & Research Centre，Tianjin 300300，China）

Three solutions of electric power steering （EPS） hardware-in-the-loop （HIL） test are compared and analyzed. The virtual vehicle test platform for EPS including mechanical system is constructed based on HIL simulation system and steering test bench. The EPS control function and fault diagnosis strategies are researched，tested and evaluated through the vehicle steering dynamic condition simulation and various fault injecting. EPS system-level HIL test not only makes the test condition closer to the real situation，but also covers the extreme conditions that are difficult to simulate on real vehicles.

EPS；test and evaluation；Hardware-In-The-Loop；system

U463.6

A

1003-8639（2017）10-0065-04

2017-07-20

李占旗（1985-），男，河南扶沟人，工程师，硕士，主要研究方向为汽车电控系统硬件在环仿真测试。