基于dSPACE的EPS系统ECU硬件在环实验台设计与应用

吕荣辉，石维佳，张宏超

（1.河北工业大学机械工程学院，天津 300130；2.中国汽车技术研究中心，天津 300300）

汽车电子

基于dSPACE的EPS系统ECU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 300130；2.中国汽车技术研究中心，天津 300300）

硬件在环仿真测试是ECU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dSPACE的EPS（电动助力转向）系统 ECU（电控单元）硬件在环仿真试验台的设计与应用。基于dSPACE硬件在环仿真器，构建了EPS ECU的硬件在环仿真试验台。通过整合dSPACE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EPS ECU 进行离线测试并分析其性能表现。结果表明，该ECU能较好地满足汽车对转向轻便性、路感及回正性能的要求。

EPS系统；硬件在环；试验台设计；模型整合；离线仿真测试

CLC NO.:U461.9Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-114-04

引言

随着汽车电子控制技术的不断成熟，电动助力转向（Electric Power Steering, EPS）得到了快速的发展。凭借自身高效率、低能耗、易调控等优点[1]，被广泛地应用于各类汽车之中。作为EPS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（Electric Control Unit ,ECU），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]。在投入大规模生产之前，ECU必须经过反复的测试。硬件在环（Hardware In the Loop,HIL）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、EPS系统

1.1 EPS系统结构及原理

EPS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，EPS 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（ECU）、电动机、电磁离合器、减速器、 齿轮齿条等。图1所示为一种转向轴助力式的EPS系统结构框图，它依靠电动机对转向轴实现助力作用。

EPS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ECU。同时，ECU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PWM（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，ECU不向电动机控制器发出指令，电动机不工作。当ECU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]。

图1 EPS系统结构及原理图

1.2 EPS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程[4]。

式中，Js，Bs，Ks，θs为转向盘以及上转向柱转动惯量，阻尼系数，转度和转角；Td为转向盘输入力矩；Je，Be，Ke，θe分别为下转向柱转动惯量，阻尼系数，扭转刚度和转角；Mr，Br，Kr，Xr分别为齿条质量、阻尼系数、刚度和移动量；Jm，Bm，Km，θm分别为电机转动惯量、阻尼 系数、轴扭转刚度和转角；Rp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、EPS ECU硬件在环仿真试验台设计

ECU 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ECU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。

EPS ECU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（Hardware-in-the-Loop）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ECU连接，对被测ECU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dSPACE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。HIL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。

图3 硬件在环仿真系统结构图

2.2 EPS HIL试验台的设计及工作原理

为用于测试EPS 性能表现，搭建dSPACE HIL 仿真试验台。如图4所示，其包含有dSPACE 仿真器、电脑主机及所需测试的EPS ECU。该dSPACE 仿真器通过BUS 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DS1006处理器板，提供传感器执行器接口(SAI）及APU的DS2211 I/O板，用于高精度电机模拟及PWM信号生成与采集的FPGA基板，可以模拟汽车蓄电池的能源供给单元（PSU），用与I/O板与ECU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（SC）组件。

主机中包含dSPACE ASM整车仿真模型，控制桌面（Control Desk）及ECU界面软件。dSPACE ASM 车辆动力学模型是一种开放型的实时仿真simulink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ECU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。ECU 界面软件可以用于实时读取ECU 中的信息并可以对ECU内部控制模型进行标定和修改[6]。设备中的dSPACE ASM 模型与dSPACE I/O 版通过RTI块进行连接, 将dSPACE/Simulink 模型自动产生的C代码加载至实时硬件中。控制桌面与dSPACE仿真器通过总线进行实时交互。EPS ECU 与电脑主机通过USB线相连，用于ECU界面软件对ECU 中控制模型的变量值进行测量和标定[7]。

图4 HIL试验台

图5 HIL仿真器和EPS控制器信号图

信号在HIL 仿真器和EPS 控制器之间的的交流如图5所示。EPS控制器由 dSPACE HIL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CAN 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ECU发送出两个转矩信号供其进行计算。ECU通过内部控制逻辑处理这些信号后，发送出所需要的3相PWM 的控制信号。与此同时，通过模拟电流传感器输入的电机中BC 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

ASM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EPS ECU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ASM模型进行整合。整合后的模型既可以利用ASM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EPS ECU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。

图6 整合模型模块组成图

在整合模型中，ASM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ASM 动力学模型。其中PID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EPS 的性能进行测试。以0.2 Hz的低频正弦转角信号输入下，分别在20km/h车速/150度盘转角、70km/h车速/40度方向盘转角、120km/h车速/20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—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—横摆角速度曲线（左下）、侧向加速度—转向盘力矩关系曲线（右下）。

3.1 EPS 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—转向盘力矩关系曲线图可以看出，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ECU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—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[8]；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。

图7 20km/h车速/20度方向盘转角时性能曲线

图8 70km/h车速/40度方向盘转角性能曲线

图9 120km/h车速/20度方向盘转角时性能曲线

0 Nm时侧向加速度表征转向回正性能[10]。在低速时，0 Nm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，0Nm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EPS ECU 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dSPACE 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EPS ECU 进行离线仿真测试，试验结果表明，该ECU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。

[1]易爱斌.汽车电动助力转向系统(EPS)技术分析与应[J].昌河科技, 2004 (1)：39-40.

[2]林逸,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,2001,18 ( 3)：81-82.

[3]雷琼红.汽车电动助力转向（EPS）技术的现状和发展趋势分析[J].机械工程师,2009,(09)：53-55.

[4]胡建军,苗立东,等.汽车电动转向技术发展综述[J]．长安大学学报.2004,24(1)：79-81.

[5]Waeltermann, P. Hardware-in-the-Loop： The Technology for Testing Electronic Controls in Automotive Engineering. 6th Paderborn Workshop “Designing Mechatronic Systems”, 2009.

[6]GmbH, d. ASM Vehicle Dynamics. 2013.

[7]Schuette, H. and P. Waeltermann, Hardware-in-the-Loop Testing of Vehicle Dynamics Controllers-A Technical Survey. SAE World Congress, 2005.

[8]王豪,许镇琳等.电动转向系统特性分析.汽车科技，2003(3)：1618

[9](口)安部正人.陈辛波译.汽车的运动与操纵[J].北京：机械工业出版社,1998.

[10]张泽星, 陈国迎,等. 基于灵敏度分析的 EPS转向性能试验客观评价指标[J].吉林大学学报(工学版), 2015, 45(4)： 1043-1048.

Design and Application of HIL Simulaiton Based on dSPACE Syestem for EPS ECU Testing

Lv Ronghui1, Shi Weijia1, Zhang Hongchao2
（1.School of Mechanical Engineering，Hebei University of Technology, Tianjin 300130; 2.China Automotive Technology & Research Center, Tianjin 300300）

As the key component of Electric Power Steering (EPS) system, the Electronic Control Unit (ECU ) plays an decisive role in the steering performance of the vehicle. Hardware-in-the-loop(HIL) simulation can serve to help the development and test of ECU and reduce its cost . This paper focuses on the development of (HIL) system for EPS ECU based on dSPACE simulaton system. The HIL simulation test platform of EPS ECU was constructed by employing dSPACE HIL simulator. The vehicle dynamics model of dSPACE ASM were integrated with a certain improved steering system model, to make the simulation more conforming to the real vehicle . Under the integrated model, a EPS ECU was tested off-line and its performance was analyzed. The results showed that the performance of the EPS system under the control of the ECU to met the requirements of the vehicle for steering portability, road feeling and return performance.

EPS system; hardware in the loop; test platform design; model integration; off-line validation

U461.9

A

1671-7988(2017)02-114-04

吕荣辉，在读硕士研究生，男，河北工业大学车辆工程专业。

石维佳：男，河北工业大学车辆工程系教授，博士，汽车电子控制技术方向。张宏超：高级工程师，就职于中国汽车技术研究中心（天津）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.039