基于dSPACE的EPS系统ECU硬件在环实验台设计与应用.pdf

汽车实用技术2 0 1 7 年第l期 汽车电子A U T O M O B I L EA P P L I E DT E C H N O L O G Y2 0 1 7 K 0 1 1 0 1 6 6 3 8 j c n k i1 6 7 1 7 9 8 8 2 0 1 7 0 2 0 3 9 基于d S P A C E 的EP S 系统E C U 硬件在 环实验台设计与应用 吕荣辉1 ，石维佳1 ，张宏超2 ( 1 河北工业大学机械工程学院，天津3 0 0 1 3 0 ；2 中国汽车技术研究中心，天津3 0 0 3 0 0 ) 摘要：硬件在环仿真测试是E C U 研发过程中重要一环，对其性能调试起着关键作用。文章重点阐述基于d S P A C E 的E P S ( 电动助力转向) 系统E c u ( 电控单元) 硬件在环仿真试验台的设计与应用。基于d s P A C E 硬件在环仿真 器，构建了E P SE C u 的硬件在环仿真试验台。通过整合d S P A C E 系统内部车辆动力学仿真模型与改进的转向系统 模型，获得更为接近实车的汽车动力学仿真模型。基于所设计的试验台，对某开发的E P SE C U 进行离线测试并分 析其性能表现。结果表明，该E c u 能较好地满足汽车对转向轻便性、路感及回正性能的要求。 关键字：E P S 系统；硬件在环；试验台设计；模型整合；离线仿真测试 中图分类号：U 4 6 1 9文献标识码：A 文章编号：16 7 1 7 9 8 8 ( 2 0 仃) 0 2 114 0 4 D e s ig na n dA p p lic a t io no fH I LS im u la it o nB a s e do nd S P A C E S y e s t e mf o rE P SE C U1 k s t in g L vR 蚰g h u il，S h iW ie ij ia l，Z h a n gH o n g c h a 0 2 ( 1 S c h 0 0 1o f M e c h a n ic a lE n g in e e r illg ，H e b e iU n iv e r s it yo f T e c llll0 1 0 鼢T i删in3 0 0 1 3 0 ； 2 C h in aA u t o m o t iV eT c c lln o lo g ) r & R c s e a r c hC e n t e r T i枷in3 0 0 3 0 0 ) A b s 仃a c t ：舡t llek e yc o m p o n e n to fE le c t r icP o w e rS t e 耐n g ( E P S ) s y s t e m ，m eE le c 仃o n icC o ll_ 咖lU n it ( E C U ) p la y s 锄 d e c is iv er o lein 恤s t e e m gp e r f o 衄a n c eo fm ev e h ic le H a r d w 盯e 血- m e lo o p ( L ) s im u la t io nc 锄s e et oh e lpm c d e v e l叩m t 孤dt c S to fE C Ua I ldr c d u c eit sc o s t n isp 印e rf o c u s e so nt lled e v c l叩m e n to f ( H I L ) s y s t 锄矗) rE P sE c u b a s e do nd S P A C Es im u la t o ns y s t e m T 1 1 em Ls im u la t io nt e s tp 1 缸f o 肌o f E P sE c uw a sc o n s 咖c t e d b ye m p lo y in gd S P A C E H I Ls im u la t o r 1 1 lev e h ic led y n a n lic sm o d e lo f d S P A C EA S Mw e r ein t e 掣a t e d 诵t hac e f t a inim p r o v e ds t e e r in gs y s t e mm o d e l， t om a k cm es im u la t io nm o r ec o n f o I T llin gt om er e a lv c h ic le U n d e rm en e 黟a t e dm o d e l，aE P SE C Uw a st e s t e do 尽liI lea n d it sp 柏姗a n c ew a s 孤a ly z e d 1 1 1 er e s u lt ss h o w e dm a tm ep e r f b m 柚c eo fm eE P Ss y s t e mu lld e rm ec o f l仃o lo ft lleE C Ut o m e tt ller e q u ir e m e n t so f t h ev e h ic lef o rs t e 咖gp o r t d b ili吼r o a df e e lin ga n dr e m mp e r f o 瑚a n c e K e y w o r d s ：E P Ss y s t e m ；h a r d w a 阳int h elo o p ；t e s tp I a t f o r md e s ig n ；m o d e lin t e g r a t io n ；o 仃- H n eV a U d a n o n C L CN o ：U 4 6 1 9D o c u m e n tC o d e ：AA n ic leI D ：1 6 7 1 7 9 8 8 ( 2 0 l刀0 2 - 1 1 4 0 4 引言 作者简介：吕荣辉。在读硕士研究生，男，河北工业大学车辆工程 专业。通讯作者：石维佳：男，河北工业大学车辆工程系教授，博 随着汽车电子控制技术的不断成熟，电动助力转向 士，汽车电子控制技术方向。张宏超：高级工程师，就职于中国汽 ( E le c t r icP o w c rS t e e r in g ，E P S ) 得到了快速的发展。凭借自 车技术研究中心( 天津) 。 身高效率、低能耗、易调控等优点【l】，被广泛地应用于各类 1 1 5 汽车实用技术 2 0 1 7 年第2 期 汽车之中。作为E P s 系统重要组成部分、决定助力转向电机 扭矩分配的电子控制单元( E le c t r icC o n t r o lU n it ，E C U ) ，更是 其研究开发的核心，直接影响着车辆的高速稳定性及操作轻 便性【2 1 。在投入大规模生产之前，E c u 必须经过反复的测试。 硬件在环( H a r d w a r emt h eL o o p ，H I L ) 仿真系统具备模拟被 控对象及其环境、短时间内对控制器进行各种模拟工况条件 下的自动化测试等特点，应用在实时控制系统的开发和测试 当中可以大大地缩短研发周期和减约开发成本。 1 、E P S 系统 1 1E P S 系统结构及原理 E P S 系统是在传统机械式转向系统的基础上设计而成， 除传统结构外，E P s 系统包含转向盘转矩和转角传感器、车 速传感器、电流传感器、电子控制单元( E C u ) 、电动机、电 磁离合器、减速器、齿轮齿条等。图l所示为一种转向轴助 力式的E P S 系统结构框图，它依靠电动机对转向轴实现助力 作用。 E P s 系统的基本工作原理可以概括为：汽车转向时，安 装在转向轴上的转矩和转角传感器测量出驾驶员的输入力矩 和转向角，并将该信号传送给E C U 。同时，E C U 接受来自车 速传感器的信号，并结合所检测到的助力电动机的电流反馈 信号，根据车辆本身特定的助力特性曲进行运算处理，产生 3 相的P w M ( 脉冲宽度调制) 控制信号，用以控制电机中 的三相电流大小和方向，继而控制助力电机的转矩，该转矩 经由电磁离合器，通过减速机构减速增矩后加在转向轴上， 得到一个与汽车行驶工况相适应的转向作用力。汽车不转向 时，E c u 不向电动机控制器发出指令，电动机不工作。当 E c u 检测到异常信号时，立即断开电磁离合器，退出助力模 式，同时点亮故障指不灯【3 1 。 一 图1E P S 系统结构及原理图 1 2E P S 系统动力学模型 电动助力转向是一种复杂的非线性系统为了研究方便， 将复杂的非线性的电动助力转向系统简化为4 部分，可分为 转向盘和上转向柱、下转向柱、齿轮齿条和电动机4 部分， 分别列出各部分的动力学微分方型4 1 。 止口+ 层护+ K ( 瞑一晓) = 乃 ( 1 ) 以晓+ 吃晓2 t ( 一吃) + E ( E 一眈) + 涨。( 一G ( 2 ) J 。8 。+ B 。9 。= K 。t ( j 8 。一8 。、+ T 。 0 4 ) 式中，正，B ，疋，护，为转向盘以及上转向柱转动惯量， 阻尼系数，转度和转角；乃为转向盘输入力矩；以，B 。，怒， 口，分别为下转向柱转动惯量，阻尼系数，扭转刚度和转角； 4 ，B ，群，墨分别为齿条质量、阻尼系数、刚度和移动量； 厶，B 。，点0 ，扩。分别为电机转动惯量、阻尼系数、轴扭转 刚度和转角；R 。为小齿轮分度圆半径，为减速机构减速比； 为电磁力矩。转向系统仿真模型如图2 所示。 图2 转向系统仿真模型 2 、E P SE C U 硬件在环仿真试验台设计 E C u 硬件在环仿真是v 型开发过程中重要环节。利用 在环仿真试验台，可以使E C U 在更为接近实车状态下进行测 试，从而获得对其性能表现更为准确和直观的评价。 E P sE c u 硬件在环试验台的设计分为外部试验设备搭 建及内部系统仿真模型设计。 2 1 硬件在环仿真概念【5 】 硬件在环( H a r d w a r e in t h e L o o p ) 仿真测试系统是以实 时处理器运行仿真模型来模拟受控对象的运行状态，通过I O 接口与被测的E c u 连接，对被测E c u 进行全方面的、系统 的测试。图3 所示为硬件在环仿真系统结构图。其中，用 d S P A c E 仿真器代替实车，其通过一系列数学模型模拟车辆 的动力系统，用模拟的传感器及信号发生器来代替真实传感 器，模拟的执行器代替真实的执行器。H 【L 系统的处理过程 为：模拟控制器中的传感器信号被测试单元的内置控制器所 读取：控制器的的执行信号将更新整车仿真模型中的变量。 如此循环，不断测试内置控制系统的运行情况。 1 f 1 “* 。 +P“ar ， j 。 嚣】 嚣 ； 譬 嚣 E 二 删王 一I竺；l品世 ：_ f - g j | lo ：t m 图3 硬件在环仿真系统结构图 以帆 以 等钞 K 耳 膏盯 2 0 1 7 年第2 期 吕荣辉等：基于d S P A c E 的E P S 系统E c u 硬件在环实验台设计与应用 1 1 6 2 2E P SH I L 试验台的设计及工作原理 为用于测试E P s 性能表现，搭建d S P A C EH I L 仿真试 验台。如图4 所示，其包含有d S P A C E 仿真器、电脑主机及 所需测试的E P sE C u 。该d s P A C E 仿真器通过B u s 总线与 主机相连，可以将实时仿真模型导入仿真设备中并控制模拟 过程。其内部元件包含：用以仿真模型实时计算的D S l0 0 6 处理器板，提供传感器执行器接口( s A J ) 及A _ P u 的D S 2 2 1 1 I o 板，用于高精度电机模拟及P w M 信号生成与采集的 F P G A 基板，可以模拟汽车蓄电池的能源供给单元( P S u ) ， 用与I o 板与E c u 接口间信号传输的线束板及用于对信号进 行调理的信号调理( s c ) 组件。 主机中包含d s P A c EA s M 整车仿真模型，控制桌面 ( c o n 仃o lD e s k ) 及E C u 界面软件。d s 队c EA S M 车辆动力 学模型是一种开放型的实时仿真s im u lin k 模型，用户可以根 据自身的需要，通过直观的用户界面对整车模型、操作策略 以及行车环境进行调整。模型包括5 个部分：软件E c u 模块、 发动机模块、传动模块、车辆动力学模块、以及行驶环境模 块。E C U 界面软件可以用于实时读取E C u 中的信息并可以 对E C U 内部控制模型进行标定和修改【6 】。设备中的d S P A C E A S M 模型与d s P A C EI o 版通过R T I 块进行连接，将 d S P A C E s im u lin k 模型自动产生的c 代码加载至实时硬件 中。控制桌面与d s P A C E 仿真器通过总线进行实时交互。E P s E C u 与电脑主机通过U s B 线相连，用于E c u 界面软件对 E C U 中控制模型的变量值进行测量和标定【7 J 。 口国 图5H I L 仿真器和E P S 控制器信号图 信号在m L 仿真器和E P S 控制器之间的的交流如图5 所示。E P s 控制器由d S P A C EH I L 仿真器的点燃信号提供能 源。车辆的速度由模型进行计算，并通过C A N 高地位总线 传递。转向力矩模拟传感器侦测到虚拟的转向杆力矩后，向 E C U 发送出两个转矩信号供其进行计算。E C U 通过内部控制 逻辑处理这些信号后，发送出所需要的3 相P w M 的控制信 号。与此同时，通过模拟电流传感器输入的电机中B c 向电 流以及电机位移模拟传感器测得的电机位置后发送出的4 个 正弦和余弦信号及2 个指数信号，对电流进行反馈控制，使 电机输出转矩可以快速精准的达到要求值。 2 3 模型整合 A S M 模型通过综合考虑轮胎、空气动力学、悬架以及惯 性力和力矩等因素，采用多刚体系统方法来表示车辆动力学 方程，可以较为全面地反映真实汽车运动情况【6 】。然而为了 使仿真结果更加接近实际测试结果，须对该模型进行必要的 调整。为对某开发的E P sE c u 进行测试，对所建立的理论模 型中的一些参数进行修正，使该模型能更好的反应出真实转 向系统运动状态。将该经过实际测试改进过的转向系统仿真 模型与A s M 模型进行整合。整合后的模型既可以利用A s M 动力学模型准确估算作用于转向齿轮上的路面反作用力，又 可以通过改进的转向模型计算出更接近真实的转向齿条位移 和速度等参数，对车辆操作性能和E P sE C U 性能的评价有很 大帮助。图6 为整合的动力学模型的模块组成图及两模型间 的基本信息。 t b # 图6 整合模型模块组成图 在整合模型中，A s M 动力学模型计算出的路面反作用力 输入至改进转向模型，该转向模型将该力转化成力矩形式， 结合驾驶员输入力矩以及助力电机提供的转矩计算出转向齿 条的位移及速度，并将此传回至A S M 动力学模型。其中P I D 控制器用于控制车辆的速度，使其达到所要求的车速，从而 可以在不同固定速度下对车辆转向性能将进行分析。 3 、仿真结果分析 基于整合的模型，对该E P s 的性能进行测试。以O 2H z 的低频正弦转角信号输入下，分别在2 0 l( 1 T l1 1 车速1 5 0 度盘 转角、7 0 l( 1 T lll车速4 0 度方向盘转角、1 2 0 h 1 I 车速2 0 度方 向盘转角，对其各项性能进行测试。所得转向盘力矩、侧向 加速度、横摆角速度及转向盘转角之间关系交汇图如图7 、8 、 9 所示。其中各子图中分别为：转向盘转角一转向盘力矩关 系曲线( 左上) 、转向盘转角侧向加速度关系曲线( 右上) 、 转向盘转角一横摆角速度曲线( 左下) 、侧向加速度一转向盘 力矩关系曲线( 右下) 。 3 1E P S 系统转向轻便性及路感分析 对比三个速度下的转向盘转角一转向盘力矩关系曲线图 圉卜lj呲一雄_一篓。一 H M“lf llJ mj ，w理卜一掣丑揣 蛳脚- 一 川叫孺翟口 h卜r习引黼 0叫篇叫 剐_。譬如一 1 1 7 汽车实用技术 2 0 1 7 年第2 期 可以看出，在汽车在低速行驶时，输入的转向盘转向力矩最 小，而随着车速的上升，转向盘力矩随之变大。说明该转向 系统E C U 在低速时，控制助力电机发挥出更大的助力作用， 提高其低速转向的轻便性，而随速度升高，使其助力作用大 大减少，使驾驶员在高速可以获得良好的路感。 各图中的侧向加速度一转向力矩关系曲线中，低速情况 下，转向盘力能始终跟踪侧向加速度变化，驾驶员有最好的 路感【踟；在较高车速行驶时，一定侧向加速度范围下，保持 着良好路感。而当侧向加速度过大时，轮胎侧滑，发生路感 缺失现象。 3 2 转向灵敏度与回正性能分析 横摆角速度增益表征转向灵敏度【9 】。各速度下转向角与 横摆角速度关系曲线中，低速行驶时横摆角速度增益随着转 向盘转角变大而变大，提高了低速转弯的轻便性；而较高车 速下灵敏度几乎保持不变，有利于汽车行驶稳定性。 二歹 E 一7 二_ 曩、= 、= 、 ：、 础 ，一一。 f 、 皎7 一二! 专 l：r 邑 、专 。一一i b 、+ | | 彦 强。一，一一7 ，一一一1 j 、c o 孓、 斟一一一一7 弘 、= | ：! 彦茅 孓 一一一一一一、心。 0 N m 时侧向加速度表征转向回正性能【1 0 】。在低速时，0 N m 力矩对应的侧向加速度很小，有较好的回正性能，而在 高速时，O N m 对应下的侧向加速较大，高速回正性能较差， 需进一步改进。 4 、总结 概述电动助力转向系统的基本结构和原理，建立了转向 系统的动力学仿真模型； 搭建E P SE C U 硬件在环仿真试验台，对其结构组成和 内部工作过程进行阐述； 整合d S P A C E 内部动力学模型与改进的转向系统模型， 获得更加接近实车的车辆动力学模型： 在整合模型下对E P SE C u 进行离线仿真测试，试验结 果表明，该E C u 具备较良好的性能，可以使汽车有较好的转 向轻便性、路感及回正性能。 参考文献 1 易爱斌汽车电动助力转向系统( E P s ) 技术分析与应 J 】昌河科技， 2 0 0 4 ( 1 ) ：3 9 4 0 2 林遣施国标汽车电动助力转向系统的现状与发【J 】公路交通科 技，2 0