基于CAN報(bào)文的轉(zhuǎn)向力測試方法

馬 駒，陳世平，陳 思

（威馬汽車科技集團(tuán)有限公司 成都研究院，四川 成都 610110）

伴隨著智能科技的發(fā)展，汽車行業(yè)從傳統(tǒng)的燃油汽車向智能汽車方向發(fā)生轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也由最開始的傳統(tǒng)機(jī)械式向電子化、智能化發(fā)展，甚至是取消傳統(tǒng)機(jī)械傳動結(jié)的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也開始逐漸走進(jìn)視野?，F(xiàn)代智能汽車上普遍采用的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比較于傳統(tǒng)的機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來說，手感更輕，更柔順平滑。其中，方向盤的轉(zhuǎn)向力是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)，它影響著駕駛?cè)藛T對路感的正確判斷，關(guān)系著整車的舒適性及行駛安全性，所以需要對實(shí)車進(jìn)行方向盤轉(zhuǎn)向力的測試，看實(shí)測值是否滿足要求。對于轉(zhuǎn)向力的測試，通常情況下，我們采用力矩方向盤和數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)：把力矩方向盤固定在轉(zhuǎn)向盤上，通過力矩方向盤可以采集到轉(zhuǎn)向時的轉(zhuǎn)向力矩、轉(zhuǎn)向角度以及轉(zhuǎn)動速度的大小。但是傳統(tǒng)的測量方法前期準(zhǔn)備時間長，儀器設(shè)備安裝和拆卸較為麻煩，操作不便，后續(xù)數(shù)據(jù)結(jié)果處理也復(fù)雜繁瑣。

隨著車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)配置的升級，帶來了轉(zhuǎn)向助力形式的改變，也增加了新的測試的可能性。故本文提出一種新的方法，通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network, CAN）的電動助力轉(zhuǎn)向管柱（Electric Power Steering Column, EPS）節(jié)點(diǎn)發(fā)出的報(bào)文來讀取電動助力轉(zhuǎn)向管柱內(nèi)部自帶的扭矩傳感器和轉(zhuǎn)角傳感器的數(shù)值，來記錄、測量轉(zhuǎn)向力。由于當(dāng)代汽車都裝配有電動助力轉(zhuǎn)向管柱，并通過CAN總線進(jìn)行整車通訊，所以在整車轉(zhuǎn)向性能測試驗(yàn)證時，都可以通過CAN報(bào)文來讀取數(shù)據(jù)，這種方法可以極大程度上減少前期試驗(yàn)準(zhǔn)備的工作量，不再需要額外安裝外部設(shè)備，減少了安裝誤差，提升了測試數(shù)據(jù)的精度。

1 CAN總線

近二十年來，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的電子化，信息化程度越來越高，整車上裝配的由電子控制單元控制的零部件數(shù)量也越發(fā)的增多，特別是純電動汽車行業(yè)。隨著各種傳感器，集成電路，智能芯片等電子元器件在整車上的廣泛使用，在提升汽車動力性，經(jīng)濟(jì)型，舒適性，行駛穩(wěn)定性和安全性的同時，也會帶來相應(yīng)的問題，比如：電子設(shè)備的大量使用增加了布線的長度、也讓布線的復(fù)雜性增大、運(yùn)行的可靠性降低以及售后維修的成本較高等。

在車輛的實(shí)際使用中，由于各子系統(tǒng)之間的控制器對某一個傳感器信號可能存在共用需求，并且對這些信號的實(shí)時性的要求又因?yàn)閿?shù)據(jù)的跟新速率和控制周期不同而有差別，更重要的是整車上搭載的傳感器和控制器等，來自不同的供應(yīng)商，可能存在不同的語言或者評價規(guī)范，所以有必要采用一種全球通用的標(biāo)準(zhǔn)來解決狀態(tài)信號和控制信息的傳輸問題，因此，設(shè)計(jì)出了多種適用于汽車使用環(huán)境的汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其中最常用的就是CAN總線協(xié)議。它是一種串行多主機(jī)控制器局域網(wǎng)的總線，支持差分收發(fā)，因而適合高干擾環(huán)境，并具有較遠(yuǎn)的傳輸距離；在功能上，CAN總線可以簡化車身線路布局，提高車身控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使整車在控制方面更智能、快捷、精準(zhǔn)，特別適合在汽車控制系統(tǒng)使用。

1.1 CAN總線原理

CAN總線使用的是串行數(shù)據(jù)傳輸方式，這種通訊協(xié)議還支持多主控制器，可以滿足整車上對通訊節(jié)點(diǎn)需求。其工作原理如圖 1所示，當(dāng)總線上其中一個節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時，該節(jié)點(diǎn)的控制器將會把待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和自己的標(biāo)識符傳送至本站的CAN芯片，在收到總線分配的傳輸指令后，CAN芯片將會把待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議組織轉(zhuǎn)換成對應(yīng)格式的報(bào)文并通過廣播形式傳輸?shù)娇偩€上的各個節(jié)點(diǎn)。每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都可以接收到這一幀報(bào)文，并通過標(biāo)識符解析出當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是否需要接收此幀報(bào)文信息；因?yàn)槊總€節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識符都具有唯一性，總線還可以通過標(biāo)識符來定義報(bào)文傳輸?shù)膬?yōu)先級。

圖1 CAN總線通訊原理

1.2 CAN總線優(yōu)點(diǎn)

通過對各控制器傳輸接口進(jìn)行相關(guān)CAN協(xié)議的通用規(guī)定，可以讓控制器中的CAN總線模塊的CAN控制器完成通訊功能，比如信息緩沖和濾波；讓CAN收發(fā)器作為CAN控制器和物理總線之間的接口，來實(shí)現(xiàn)邏輯電平信號的轉(zhuǎn)換，比如將采集的電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再以特定的編碼方式轉(zhuǎn)換成CAN報(bào)文。

在CAN網(wǎng)絡(luò)上，任意一個節(jié)點(diǎn)都可以在任何時候主動的向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文；在報(bào)文的標(biāo)識符上，又將節(jié)點(diǎn)分為了不同的優(yōu)先級來保證重要的數(shù)據(jù)可以率先發(fā)送到各個節(jié)點(diǎn)，減少了總線沖突仲裁的時間，提升了傳輸效率；并且CAN總線上的通訊節(jié)點(diǎn)可對報(bào)文的標(biāo)識符進(jìn)行濾波實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多以及全局廣播等傳播方式來接收總線上的數(shù)據(jù)。

通過CAN總線技術(shù)，可以把整車上各個傳感器上采集的實(shí)時數(shù)據(jù)通過報(bào)文的形式發(fā)送到CAN線上，再傳輸?shù)礁鱾€節(jié)點(diǎn)所代表的各子系統(tǒng)的控制器上，CAN總線相當(dāng)于一個數(shù)據(jù)傳送、分享的一個媒介平臺，各個節(jié)點(diǎn)控制器都可以在上面獲取到所需要的各種信息，比如智能輔助駕駛的域控制器需要通過CAN總線來接收EPS的方向盤轉(zhuǎn)角信號以及汽車電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（Electronic Stability Controller，ESC）的車速信號。這樣的信息傳輸方式使整車各個系統(tǒng)之間可以協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)、信息共享，保證行駛的安全性、舒適性和可靠性。

2 轉(zhuǎn)向力測試方法

2.1 CAN報(bào)文測試

由于當(dāng)代智能汽車普遍需要達(dá)到L2、L3甚至L4級別的自動駕駛，要求轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠提供方向盤轉(zhuǎn)角信號，轉(zhuǎn)向助力電機(jī)需要根據(jù)實(shí)時方向盤手力矩、方向盤轉(zhuǎn)動速度的以及當(dāng)前車速進(jìn)行綜合判斷來提供相應(yīng)的助力，故電動助力轉(zhuǎn)向管柱內(nèi)部皆配置有高精度轉(zhuǎn)角傳感器和扭矩傳感器，可以實(shí)時的監(jiān)測到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方向盤轉(zhuǎn)角信號和轉(zhuǎn)向扭矩信號，并在CAN總線上EPS通訊節(jié)點(diǎn)處將采集到的實(shí)時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成報(bào)文，通過CAN總線傳輸?shù)狡渌骺刂破鞴?jié)點(diǎn)處進(jìn)行報(bào)文解析后，即可獲取到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)信息。所以，可以通過讀取CAN總線上EPS節(jié)點(diǎn)處發(fā)送的報(bào)文并對其進(jìn)行解析，從而獲取到轉(zhuǎn)向力矩信息。

2.1.1 CAN報(bào)文測試設(shè)備及方法

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：CAN網(wǎng)絡(luò)分析測試設(shè)備、相關(guān)軟件、電腦。

實(shí)驗(yàn)方法：

（1）設(shè)備連接：將 CAN網(wǎng)絡(luò)分析測試設(shè)備的USB端連接在筆記本電腦端，測試設(shè)備的另外一端連接在整車網(wǎng)絡(luò)通訊接口上，這個網(wǎng)絡(luò)通訊接口可以輸出整車上接入CAN總線上的節(jié)點(diǎn)的傳感器的數(shù)據(jù)信息。

（2）軟件設(shè)置：在電腦端的 CAN總線讀取軟件Canalyzer中添加DBC解析文件，設(shè)置數(shù)據(jù)通道，查看EPS的方向盤轉(zhuǎn)角信息、轉(zhuǎn)速信息、轉(zhuǎn)動力矩信息、整車車速信息等等。整車數(shù)據(jù)采集方式如圖2所示。

圖2 CAN報(bào)文數(shù)據(jù)采集設(shè)備

（3）根據(jù)原地轉(zhuǎn)向力的試驗(yàn)操作規(guī)范：測試時從轉(zhuǎn)向中間位置向左轉(zhuǎn)向到左極限，然后再右轉(zhuǎn)至右極限，最后再轉(zhuǎn)回到中間位置，為一個轉(zhuǎn)向循環(huán)。從開始轉(zhuǎn)動方向盤時錄制保存CAN總線上的報(bào)文，直到試驗(yàn)完成。

通常情況下，車輛在原地怠速轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向工況最為惡劣，此時轉(zhuǎn)向力最大，故主要針對怠速工況下的轉(zhuǎn)向力進(jìn)行討論。

2.1.2 CAN報(bào)文測試數(shù)據(jù)

在測試過程中，通過電腦可以實(shí)時地、直觀看到采集的數(shù)據(jù)曲線，可初步對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行把控：排查變化過大、轉(zhuǎn)向不平滑等不滿足試驗(yàn)要求的工況，這樣可以減少工作量，提升工作效率。

將錄制好的CAN報(bào)文，在Canalyzer軟件中，進(jìn)行數(shù)據(jù)的添加、回放，將總線上電動助力轉(zhuǎn)向管柱節(jié)點(diǎn)的方向盤的轉(zhuǎn)角信號，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向力矩信號以及力矩方向信號通過圖形窗口進(jìn)行圖形數(shù)據(jù)的查看，如圖 3所示，其中力矩方向信號表示此時轉(zhuǎn)向力矩的方向。

圖3 CAN報(bào)文信號

將圖形數(shù)據(jù)導(dǎo)出保存成數(shù)據(jù)文件，在 Excel中進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理整合，得到的方向盤轉(zhuǎn)向力矩和轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 CAN報(bào)文轉(zhuǎn)角-轉(zhuǎn)矩關(guān)系曲線

由圖 4可以看出，轉(zhuǎn)向力矩曲線平滑，線性度較好，力矩整體較小，保證了轉(zhuǎn)向時的舒適性，滿足規(guī)范要求；在轉(zhuǎn)向中間位置處，轉(zhuǎn)向力矩變化平緩，約為2 N·m左右；在大角度轉(zhuǎn)向時，力矩逐漸增大，保證駕駛?cè)藛T信心感。在極限位置處，由于操縱的誤差的存在，導(dǎo)致在轉(zhuǎn)向器安裝止點(diǎn)處發(fā)生撞擊，造成了轉(zhuǎn)向力矩的突然增大，與實(shí)際相符。

2.2 力矩方向盤測試

將力矩方向盤按規(guī)范要求固定安裝在轉(zhuǎn)向盤上，連接適配的數(shù)據(jù)采集儀。當(dāng)開始采集數(shù)據(jù)后，按照轉(zhuǎn)向力的試驗(yàn)操作規(guī)范操作完成至少三次完整的轉(zhuǎn)向循環(huán)。將通過力矩方向盤采集的數(shù)據(jù)在專用軟件中進(jìn)行查看，導(dǎo)出數(shù)據(jù)到Excel中進(jìn)行后處理，得到的方向盤轉(zhuǎn)角對應(yīng)的轉(zhuǎn)向力曲線如圖5所示。

圖5 測量儀轉(zhuǎn)角-轉(zhuǎn)矩關(guān)系曲線

從圖 5可以看出：整車在怠速工況下，方向盤轉(zhuǎn)向力整體的線性度較好，曲線變化平緩，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；在轉(zhuǎn)向中間位置處轉(zhuǎn)向力的變化較小，約為2 N·m左右；在大角度轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向力逐漸增大，符合安全駕駛要求。

2.3 CAN報(bào)文可靠性分析

由于轉(zhuǎn)向管柱的報(bào)文發(fā)送周期為20 ms，而力矩方向盤采樣頻率為 100 Hz，所以將力矩方向盤采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理來降低頻率，方便數(shù)據(jù)對比。通過測量儀和CAN報(bào)文兩種方式得到的各轉(zhuǎn)向角度下方向盤的轉(zhuǎn)向力的曲線如圖6所示。

圖6 兩種測量方法轉(zhuǎn)角-轉(zhuǎn)向力矩曲線

由圖形可以看出，兩種方式得到的轉(zhuǎn)角-轉(zhuǎn)向力矩圖形趨勢基本一致，數(shù)值大小基本相近；轉(zhuǎn)向力普遍較小，轉(zhuǎn)向輕便，且轉(zhuǎn)向力矩變化平順，不同角度下都能對駕駛員有較好的力矩反饋，符合駕駛習(xí)慣，滿足轉(zhuǎn)向性能規(guī)范要求。這也表明通過CAN報(bào)文測試轉(zhuǎn)向力的方法是可行的，準(zhǔn)確的。

在怠速工況轉(zhuǎn)向過程的測試數(shù)據(jù)中，以 60°的轉(zhuǎn)向角為間隔，提取相應(yīng)轉(zhuǎn)角下的轉(zhuǎn)向力矩值。通過CAN報(bào)文和力矩方向盤測得的轉(zhuǎn)向力矩?cái)?shù)據(jù)如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)向角-轉(zhuǎn)向力矩表

通過表 1可以看出，從轉(zhuǎn)向右極限到轉(zhuǎn)向左極限的轉(zhuǎn)向過程中：在轉(zhuǎn)向中間區(qū)域位置，轉(zhuǎn)向力較??；隨著轉(zhuǎn)向角度的增大，轉(zhuǎn)向力也隨之增大，與實(shí)際相符。這兩種不同測試方法在相同轉(zhuǎn)向角度時，轉(zhuǎn)向力矩的值接近，變化趨勢一致，兩者的誤差均小于3%，差值較小，在可接受范圍之內(nèi)，由此可知，通過CAN報(bào)文進(jìn)行轉(zhuǎn)向力測試的方法，是可行可靠、較為準(zhǔn)確的，后續(xù)可以采取CAN總線報(bào)文的方式來進(jìn)行轉(zhuǎn)向力的其他工況的試驗(yàn)。

3 動態(tài)轉(zhuǎn)向力測試

通過怠速工況下的兩種測試方法的對比，驗(yàn)證了CAN報(bào)文測試方法的正確性和可靠性，后續(xù)將直接通過CAN報(bào)文的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)向力測試數(shù)據(jù)的錄制、保存。由于整車在高速行駛過程中，進(jìn)行大角度的轉(zhuǎn)動過于危險(xiǎn)，且應(yīng)用場景較少，故主要是在小角度轉(zhuǎn)向（5 °～25 °）時，進(jìn)行整車動態(tài)轉(zhuǎn)向力矩測試。

本文中的小轉(zhuǎn)向角度下整車動態(tài)轉(zhuǎn)向力測試主要針對10 km/h～120 km/h車速范圍來進(jìn)行。在各車速下，進(jìn)行至少三個完整周期的小角度轉(zhuǎn)向試驗(yàn)，并在實(shí)驗(yàn)開始前進(jìn)行CAN報(bào)文的錄制。對CAN報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，得到的不同轉(zhuǎn)向角度時，各車速下對應(yīng)的轉(zhuǎn)向力矩值如表2所示。

表2 不同速度段各方向盤轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)向力矩值

由表2可以看出，在低車速段（30 km/h內(nèi)），轉(zhuǎn)向力隨著轉(zhuǎn)向角度的變大而平緩增加，且力矩值較小，保證了駕駛舒適性；在中高車速段，轉(zhuǎn)向力矩增長明顯變快，保持駕駛信心感。整體來看，整車動態(tài)工況下，隨著車速的增加、轉(zhuǎn)向角度的增大，轉(zhuǎn)向力矩明顯變大，與實(shí)際情況相符，滿足了整車轉(zhuǎn)向性能要求；轉(zhuǎn)向力矩在各車速下的線性度較好，變化梯度較小，同時力矩波動控制較好，給駕駛員的駕駛反饋良好。

4 總結(jié)

通常情況下，采用力矩方向盤對轉(zhuǎn)向手力矩進(jìn)行測量，這種方法步驟較為繁瑣，實(shí)驗(yàn)前期的準(zhǔn)備工作較多，而本文提出的通過解析CAN總線上EPS節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報(bào)文的方法來測量轉(zhuǎn)向力矩則更方便快捷。根據(jù)CAN報(bào)文和力矩方向盤兩種方式的測量結(jié)果對比可以看出，通過CAN報(bào)文方式來測量轉(zhuǎn)向力的方法是可行可靠的、準(zhǔn)確的，這不僅縮減了傳統(tǒng)測試方法的步驟，還減少了設(shè)備安裝誤差，提高了測量精度。隨著車輛配置的迭代升級，電動助力轉(zhuǎn)向管柱大范圍使用的普及，讓這種測量方法的適用性也得到了保障。