智能集成制動(dòng)系統(tǒng)的硬件在環(huán)測試

符 崢， 王學(xué)影， 范偉軍， 張霖成

（1.中國計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測試工程學(xué)院， 浙江 杭州 310018； 2.杭州沃鐳智能科技股份有限公司， 浙江 杭州 310018）

0 引 言

近年來，隨著新能源汽車的普及與發(fā)展，比亞迪、蔚來、特斯拉等新能源車企迅速崛起，車輛智能化的提升等相關(guān)技術(shù)快速發(fā)展，作為基礎(chǔ)的線控制動(dòng)技術(shù)也得到了迅猛的發(fā)展[1]。智能集成制動(dòng)系統(tǒng)將助力器和車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)（Electronic Stability Program, ESP）集成為一體，加強(qiáng)了系統(tǒng)的集成化以及輕量化，留出更多的空間用于提升新能源車輛的續(xù)航[2]。隨著更多傳感器以及電子控制單元（ECU）的介入，制動(dòng)系統(tǒng)的功能邏輯也逐漸復(fù)雜，因此對(duì)智能集成制動(dòng)系統(tǒng)的檢測需要比傳統(tǒng)模式更先進(jìn)的檢測手段[3-4]。硬件在環(huán)（Hardware-in-the-Loop, HIL）作為汽車系統(tǒng)V 模式流程的驗(yàn)證環(huán)節(jié)，具有同步開發(fā)、極限與破壞性試驗(yàn)、可復(fù)現(xiàn)、全面快捷的優(yōu)勢，能在研發(fā)初期檢測出硬件設(shè)計(jì)的缺陷，提高研發(fā)效率[5]。為使HIL 仿真測試的結(jié)果更加貼合實(shí)際工況，主要通過兩個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)。一方面，通過線控制動(dòng)硬件在環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及響應(yīng)分析，孫德明等人基于dSPACE 搭建了整車控制器硬件在環(huán)測試環(huán)境，對(duì)整車控制器進(jìn)行了硬件在環(huán)測試，并對(duì)ECU 進(jìn)行功能安全的驗(yàn)證[6]；吳利廣等人通過HIL 系統(tǒng)對(duì)電控懸架進(jìn)行仿真測試，開展了懸架控制器控制邏輯的驗(yàn)證[7]。另一方面是對(duì)硬件設(shè)備建模后與軟件的聯(lián)合仿真，晏江華等人將電動(dòng)尾門控制器與搭建的電動(dòng)尾門閉環(huán)系統(tǒng)模型聯(lián)合仿真，仿真系統(tǒng)和控制單元間信號(hào)交互正常，實(shí)現(xiàn)了對(duì)尾門開關(guān)的控制[8]；彭正明通過ADAMS 建立駐車機(jī)構(gòu)機(jī)械模型，在避免復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)的同時(shí)反映其動(dòng)態(tài)和靜態(tài)下的駐車特性，通過HIL 測試驗(yàn)證了P 擋控制器控制功能和控制策略的有效性[9]。楊春偉等人采用整車Carsim 動(dòng)力學(xué)模型搭建EPS 機(jī)電耦合HIL 測試臺(tái)架，對(duì)EPS 系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)向性能和輪速有效位故障模擬，并針對(duì)具體工況進(jìn)行聯(lián) 合 仿 真HIL 測 試[10]。

對(duì)于制動(dòng)系統(tǒng)檢測，傳統(tǒng)的測試臺(tái)以及整車測試的測試整改成本較高、周期較長，由于操作人員以及環(huán)境的限制，整車測試的實(shí)驗(yàn)次數(shù)以及復(fù)現(xiàn)程度都十分有限[11]。本文通過搭建制動(dòng)系統(tǒng)的HIL 測試系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)于極限、特殊工況的制動(dòng)仿真測試，同時(shí)對(duì)其附加功能與電控單元的邏輯關(guān)系進(jìn)行檢測。本文方法通過模擬仿真打破傳統(tǒng)測試的局限性，同時(shí)保證測試過程的安全性，提高實(shí)時(shí)性以及實(shí)現(xiàn)更廣泛的復(fù)現(xiàn)性，以達(dá)到縮短汽車電控產(chǎn)品的研發(fā)周期、降低企業(yè)的人工成本的目的。

1 結(jié)構(gòu)分析及基本原理

1.1 智能集成制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

智能集成制動(dòng)系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，主要由助力器推桿、液壓執(zhí)行單元、電機(jī)、ECU 等系統(tǒng)部件組成[12]。制動(dòng)過程中，駕駛員通過踩踏制動(dòng)踏板將輸入力通過助力器推桿傳遞，踏板位置傳感器將不同位置的位移信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，發(fā)送至ECU 計(jì)算出所需制動(dòng)力，通過電機(jī)作用在制動(dòng)主缸內(nèi)產(chǎn)生液壓力，再作用在負(fù)載上實(shí)現(xiàn)制動(dòng)[13-14]。

圖1 智能集成制動(dòng)助力器物理結(jié)構(gòu)圖

1.2 智能集成制動(dòng)系統(tǒng)功能策略

智能集成制動(dòng)系統(tǒng)除了具備常規(guī)電子助力制動(dòng)功能外，還與ESP 集成為一體，可提供電子剎車分配力系統(tǒng)、防抱死剎車系統(tǒng)、循跡控制系統(tǒng)、車輛動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)等功能，這些功能極大地提高了駕駛的安全性[15-16]。本文系統(tǒng)測試的功能具有前置條件和觸發(fā)條件，具體介紹詳見表1。

2 測試系統(tǒng)

2.1 HIL 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文的集成線控制動(dòng)系統(tǒng)HIL 仿真平臺(tái)主要基于美國NI 平臺(tái)進(jìn)行搭建。HIL 測試系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)、實(shí)時(shí)軟件模型和軟件系統(tǒng)三部分組成，如圖2 所示。

圖2 測試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

如圖2 所示，在硬件系統(tǒng)中通過HIL 機(jī)柜中相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集板卡選用，實(shí)現(xiàn)控制器運(yùn)行所需要的電氣和運(yùn)行環(huán)境。在環(huán)控制機(jī)柜通過線控制動(dòng)控制器的硬件、總線接口實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真和輸入輸出信號(hào)監(jiān)測。模型建立主要包括輪胎模型和整車模型，主要通過Simulink 搭建實(shí)現(xiàn)負(fù)載車輛的物理模型，反映制動(dòng)過程中車身的物理特性；另一方面，通過整車模型提供虛擬整車環(huán)境。軟件系統(tǒng)中上位機(jī)控制界面的開發(fā)基于NI VeriStand 軟件進(jìn)行，可實(shí)現(xiàn)測試過程管理及各類信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

2.2 硬件系統(tǒng)開發(fā)

硬件系統(tǒng)總體組成如圖3 所示，由輪速模擬集成模塊、電缸伺服驅(qū)動(dòng)模塊、液壓負(fù)載集成模塊、顯示器控制模塊與智能集成控制器等組成。使用4 個(gè)高動(dòng)態(tài)伺服電機(jī)來帶動(dòng)磁環(huán)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪速的模擬。

圖3 硬件系統(tǒng)總體組成

如圖4 所示，采用單向推動(dòng)的方式，通過伺服電缸將踏板受力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，使輸入力得以量化。資源的分配基于集成線內(nèi)的控制制動(dòng)器的接口特性和相關(guān)參數(shù)，通過映射控制器和機(jī)柜之間的關(guān)系來創(chuàng)建信號(hào)列表，根據(jù)信號(hào)列表建立智能集成助力器和控制機(jī)柜之間的物理連接。

圖4 電缸伺服驅(qū)動(dòng)功能塊描述

HIL 機(jī)柜組成如圖5 所示，對(duì)線控制動(dòng)器的信號(hào)進(jìn)行分析，HIL 的測試系統(tǒng)包含數(shù)字信號(hào)輸入與輸出、模擬信號(hào)輸入、PWM 信號(hào)輸出、CAN 信號(hào)，通過選取相應(yīng)的NI 硬件平臺(tái)的板卡與機(jī)柜進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

圖5 HIL 機(jī)柜

2.3 模型建立

模型系統(tǒng)包括輪胎模型和整體車身模型，其中輪胎模型與整車模型聯(lián)立，增加了制動(dòng)過程中車輛行駛穩(wěn)定性的影響，整車模型構(gòu)成虛擬被控對(duì)象。

2.3.1 輪胎模型

通過魔術(shù)公式建立輪胎模型非常適用于車輛操縱穩(wěn)定性分析，輪胎模型主要體現(xiàn)制動(dòng)過程中縱向力與滑移率之間的關(guān)系，公式如下：

式中：F為輸出變量；x為輸入變量；D表示峰值因子；C為形狀因子；B表示剛度因子；E表示曲率因子。

本文選用Pacejka°89 輪胎模型，為提高輪胎擬合精度，設(shè)定輪胎在垂直、側(cè)向方向上是線性的，阻尼為常量，側(cè)向加速度范圍≤0.4g，側(cè)偏角≤5°。輪胎縱向力計(jì)算方法如下：

式中：s為縱向滑移率；sh為曲線的水平方向漂移；sv為曲線的垂直方向漂移。

忽略地面摩擦系數(shù)的影響，將輪胎的縱向、側(cè)向、橫擺的力學(xué)特性使用一個(gè)公式表現(xiàn)。

如 圖6 所 示，使 用Pacejka°89 的 具 體 參 數(shù)，通 過Simulink 仿真在三種垂直載荷下得到輪胎縱向力與滑移率的關(guān)系。

圖6 不同垂直載荷下縱向力與滑移率的關(guān)系

2.3.2 整車模型

如圖7 所示，整車模型分為前輪系統(tǒng)、后輪系統(tǒng)、動(dòng)力學(xué)模塊三大部分，在其中分別設(shè)置不同位置監(jiān)視器，用于觀測數(shù)據(jù)。通過輸入目標(biāo)滑移率、車輪載荷、行駛速度、制動(dòng)距離，輸出相應(yīng)的參數(shù)。前輪系統(tǒng)如圖8所示，滑移率的地面附著系數(shù)乘以前輪負(fù)載得出前輪制動(dòng)力，使用該制動(dòng)力乘以車輪半徑，以獲得施加到地面的扭矩。扭矩和滑移率差被輸入到子系統(tǒng)以獲得校正的車輪速度。車輪扭矩通過滑移率積分與前輪卡鉗控制系數(shù)相乘，并與實(shí)際施加到地面上的扭矩之間的差值來獲得。后輪控制系統(tǒng)的算法與用于前輪大體一致。

圖7 整車模型

圖8 前輪系統(tǒng)模型

2.3.3 車身動(dòng)力學(xué)模型

車輛動(dòng)力學(xué)模型如圖9 所示。

圖9 整車動(dòng)力學(xué)模型

輸入量為前輪制動(dòng)力、后輪制動(dòng)力、輸出車速、制動(dòng)距離、前后輪載荷；將加速度積分，得到車身速度，若低至0，則觸發(fā)模型中斷；將車身速度進(jìn)一步積分，得到車輛制動(dòng)距離。

2.4 測試軟件開發(fā)

上位機(jī)的測試軟件開發(fā)界面如圖10 所示，其主要基于VeriStand 平臺(tái)開發(fā)測試控制界面，該界面是測試期間控制各種功能的主要工具。這些功能包括監(jiān)控車輛的速度和狀態(tài)，以及監(jiān)控各個(gè)輪端的液壓狀態(tài)、制動(dòng)狀態(tài)和總線模擬。

圖10 測試軟件開發(fā)界面

在圖表上繪出主缸壓力與制動(dòng)車速曲線，同時(shí)將電流電壓、ECU 等具有類似的操作功能以及輸出信號(hào)的采集顯示模塊設(shè)置在相近區(qū)域，實(shí)現(xiàn)模塊化，在提高測試效率的同時(shí)使界面的管理更加整潔。

3 測試系統(tǒng)驗(yàn)證

智能集成制動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)測試系統(tǒng)可進(jìn)行功能邏輯測試、故障診斷測試，基于應(yīng)用輸入與輸出數(shù)據(jù)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過預(yù)設(shè)的測試用例進(jìn)行測試，尋找被測系統(tǒng)潛在的問題或漏洞。本文實(shí)驗(yàn)基于基礎(chǔ)制動(dòng)以及制動(dòng)過程中制動(dòng)防抱死系統(tǒng)（Antilock Brake System,ABS）、TCS 三個(gè)工況進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證。

3.1 基礎(chǔ)制動(dòng)驗(yàn)證

通過初速度不為0 時(shí)的制動(dòng)測試，驗(yàn)證智能集成制動(dòng)系統(tǒng)在HIL 仿真測試系統(tǒng)中車輛制動(dòng)的建壓強(qiáng)度及其制動(dòng)邏輯。工況設(shè)置如下：車輛行駛速度為60 km/h，發(fā)動(dòng)機(jī)開關(guān)狀態(tài)為IGN on，助力器與踏板處于釋放狀態(tài)，測試者踩下制動(dòng)踏板執(zhí)行制動(dòng)動(dòng)作。

在HIL 測試系統(tǒng)中進(jìn)行基礎(chǔ)制動(dòng)的工況研究，分別進(jìn)行車輛直行過程中無制動(dòng)基礎(chǔ)下的制動(dòng)以及有制動(dòng)基礎(chǔ)下的制動(dòng)測試，并對(duì)車輛的前后輪液壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。基礎(chǔ)制動(dòng)為直線狀態(tài)下的正常制動(dòng)活動(dòng)，因此選擇車輛的左前輪、左后輪的液壓表示車輛四輪液壓狀態(tài)，測試結(jié)果如圖11 所示。圖11 中，連續(xù)曲線為左前輪液壓強(qiáng)度，點(diǎn)線代表左后輪液壓強(qiáng)度。

圖11 基礎(chǔ)制動(dòng)時(shí)輪端液壓曲線

由圖11 測試結(jié)果可知：在踩下制動(dòng)踏板之后線控制動(dòng)助力系統(tǒng)均能在車輪端完成建壓；同時(shí)在兩種基礎(chǔ)制動(dòng)情況下，符合前后輪制動(dòng)力分配不一致，左前輪的液壓都高于左后輪的液壓，避免了后輪先于前輪抱死、車輛方向失控的狀況。根據(jù)測試結(jié)果可以得出，線控制動(dòng)助力器可根據(jù)駕駛員指令并依據(jù)安全的邏輯對(duì)車輛四個(gè)輪端進(jìn)行制動(dòng)力分配，滿足基礎(chǔ)制動(dòng)的測試要求。

3.2 ABS 工況驗(yàn)證

通過ABS 工況驗(yàn)證智能集成制動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)測試系統(tǒng)中，制動(dòng)過程車輪滑移率過大時(shí)ABS 功能啟用狀態(tài)以及制動(dòng)效能。工況設(shè)置如下：車輛在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，點(diǎn)火開關(guān)狀態(tài)為IGN on，車輪滑移率大于20%，車輛速度大于60 km/h，助力器處于釋放狀態(tài)，測試者深踩下制動(dòng)踏板執(zhí)行制動(dòng)動(dòng)作。

圖12 所示為車輛在制動(dòng)過程中觸發(fā)了ABS 工況的各輪端的建壓情況，當(dāng)汽車制動(dòng)的滑移率過大時(shí)，為了使車輪不處于抱死狀態(tài)，線控制動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)控制制動(dòng)力的大小，使車輪處于邊滾邊滑的狀態(tài)，保證車身獲得最大的附著力。

圖12 ABS 工況下各輪端液壓曲線

由圖12 可知：在重踩制動(dòng)踏板后，各輪端首先均在短時(shí)間內(nèi)完成較高壓強(qiáng)的建壓，同時(shí)保持了后輪壓強(qiáng)大于前輪的原則；隨后使趨近于抱死的各個(gè)車輪的制動(dòng)液壓循環(huán)往復(fù)地經(jīng)歷液壓減小到液壓增大的過程，近而使得車輪的滑動(dòng)率處于峰值附著系數(shù)滑動(dòng)率范圍內(nèi)；最后在車速降低到一定范圍內(nèi)時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)回歸基礎(chǔ)制動(dòng)模式，直至車輛停止運(yùn)動(dòng)。

3.3 TCS 工況驗(yàn)證

通過TCS 工況驗(yàn)證智能集成制動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)測試系統(tǒng)中的建壓邏輯及其工作邏輯，工況設(shè)置如下: 車輛行駛速度為60 km/h，發(fā)動(dòng)機(jī)開關(guān)狀態(tài)為IGN on，測試者踩下制動(dòng)踏板執(zhí)行制動(dòng)動(dòng)作，助力器處于工作狀態(tài)，使車輛右前輪的速度大于左前輪速度。

車輛各個(gè)車輪的壓強(qiáng)如圖13 所示，踩下制動(dòng)踏板以后，線控制動(dòng)系統(tǒng)正常建壓，隨后注入右前輪的輪速大于左前輪速度的信號(hào)，通過各個(gè)車輪液壓循環(huán)往復(fù)地減小到增大來初步穩(wěn)定車身，隨后減小對(duì)左前輪的建壓，進(jìn)而獲得最佳的牽引力。

圖13 TCS 工況下各輪端液壓曲線

4 結(jié) 語

針對(duì)車輛制動(dòng)系統(tǒng)在不同制動(dòng)模式下制動(dòng)力分配不同的特點(diǎn)，合理的制動(dòng)控制策略是集成線控制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心與關(guān)鍵。因此，本文搭建了智能集成制動(dòng)系統(tǒng)的硬件在環(huán)測試系統(tǒng)，其硬件部分通過座椅、輪速模擬集成模塊、液壓負(fù)載集成的鋼結(jié)構(gòu)連接搭建；其軟件部分基于NI 平臺(tái)，搭建了測試系統(tǒng)的硬件環(huán)境以及軟件環(huán)境，基于Matlab Simulink 搭建了整車以及車胎的系統(tǒng)仿真模型。智能集成制動(dòng)系統(tǒng)將助力器和ESP 集成為一體，通過基礎(chǔ)制動(dòng)、ABS 和TCS 作為代表性工況進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證，完成了車間環(huán)境下HIL 測試系統(tǒng)對(duì)智能集成制動(dòng)系統(tǒng)控制邏輯和策略的驗(yàn)證，通過硬件在環(huán)檢測的方式提高了智能集成制動(dòng)控制器在生產(chǎn)研發(fā)中的效率，完善了驗(yàn)證測試的流程。

注：本文通訊作者為王學(xué)影。