EPS系統(tǒng)功能安全測試方法

高樂 劉秋錚 陳慧

（1.同濟(jì)大學(xué) 上海市 200092 2.中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院 吉林省長春市 130011）

近年來，電動助力轉(zhuǎn)向（EPS）系統(tǒng)由于諸多優(yōu)勢已占據(jù)市場主流。EPS 系統(tǒng)作為底盤安全電控件，是首批引入ISO26262 功能安全標(biāo)準(zhǔn)的零部件，其安全機(jī)制設(shè)計是重中之重。針對每一條安全目標(biāo)和安全機(jī)制設(shè)計，必須提出合理的測試驗證方法，才能確保功能安全開發(fā)切實有效。

本研究的目的是，以功能安全設(shè)計中可控性指標(biāo)為基礎(chǔ)，提出量化測試指標(biāo)，并設(shè)計硬件在環(huán)仿真測試設(shè)備，形成一套驗證EPS功能安全設(shè)計的測試方法。對某EPS 系統(tǒng)執(zhí)行測試，驗證其安全設(shè)計的正確性和合理性。

1 EPS功能安全指標(biāo)設(shè)計

1.1 安全目標(biāo)和安全機(jī)制設(shè)計

功能安全設(shè)計的本質(zhì)是一套在功能安全標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)下的正向開發(fā)流程。在系統(tǒng)功能需求和邊界確定后，需要分析系統(tǒng)可能存在的風(fēng)險和潛在后果，并對其分類，導(dǎo)出每條功能需求所應(yīng)具備的安全性要求，即安全目標(biāo)。

以某A 級乘用車無刷電機(jī)EPS 系統(tǒng)為研究對象，進(jìn)行功能安全分析。得出的安全目標(biāo)（部分）見表1。

以安全目標(biāo)為基礎(chǔ)，該EPS系統(tǒng)的安全機(jī)制設(shè)計包括但不限于：

（1）扭矩傳感器信號監(jiān)測：對冗余的兩路扭矩傳感器信號進(jìn)行校驗和比對，當(dāng)信號不可信時及時報錯并關(guān)閉助力，防止非預(yù)期的扭矩輸出。

（2）扭矩輸出限值：根據(jù)車速，對EPS 輸出力矩進(jìn)行上限限值，防止輸出超出預(yù)期的扭矩。

（3）電機(jī)相電流監(jiān)測：通過監(jiān)測電機(jī)相電流，判斷電機(jī)和驅(qū)動橋工作是否正常，在發(fā)生異常時迅速切斷驅(qū)動，阻止非預(yù)期的扭矩輸出。

2 測試環(huán)境和工況設(shè)計

圖1：仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2：負(fù)載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3：EPS 控制器HIL 測試系統(tǒng)

圖4：原地轉(zhuǎn)向試驗結(jié)果對比

2.1 測試環(huán)境搭建

為盡量真實模擬實車中EPS 系統(tǒng)的工作環(huán)境，系統(tǒng)采用負(fù)載電機(jī)對拖助力電機(jī)的方案。測試系統(tǒng)利用臺架來固定助力電機(jī)和控制器，配備扭矩和電流傳感器測量電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出和相電流。此外，系統(tǒng)還考慮了對不同EPS 系統(tǒng)的適配能力。

整套仿真系統(tǒng)基于IPG Carmaker 實時仿真性系統(tǒng)搭建，包括車輛動力學(xué)模型、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型、測試主控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和生成辦卡、負(fù)載等幾部分。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

系統(tǒng)選用一套SEW 公司CMP63L 電機(jī)，其最大工作轉(zhuǎn)矩7.1Nm，轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)速4500rpm。扭矩傳感器測量范圍±20Nm，精度0.1% FS。扭矩傳感器兩側(cè)采用旋緊式彈性聯(lián)軸器與助力電機(jī)和負(fù)載電機(jī)相連。采用L 型臺加導(dǎo)軌和電機(jī)彈性連軸器的方式固定EPS 助力電機(jī)，電機(jī)輸出軸通過彈性聯(lián)軸器與扭矩傳感器相連。系統(tǒng)選用一組3 個非接觸式電流傳感器，測量范圍±300A，精度達(dá)到±1%。

系統(tǒng)的硬件負(fù)載結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

為驗證上述測試環(huán)境搭建的合理性，與被測EPS 系統(tǒng)接口匹配，利用該系統(tǒng)測試EPS 控制系統(tǒng)樣件，設(shè)置典型操穩(wěn)工況進(jìn)行閉環(huán)測試，并與實車試驗數(shù)據(jù)對比。測試環(huán)境如圖3 所示。

參照GB/T 6323 要求，設(shè)計了原地轉(zhuǎn)向試驗，穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗，中心區(qū)操縱穩(wěn)定性試驗等。以原地轉(zhuǎn)向試驗為例,最大轉(zhuǎn)向盤力矩,仿真結(jié)果為左側(cè)3.08Nm，右側(cè)2.94Nm；實測結(jié)果為左側(cè)3.02Nm，右側(cè)2.85Nm，仿真的整體結(jié)果與實際一致。部分仿真結(jié)果與實車對比，見圖4。

為驗證控制器故障注入和數(shù)據(jù)同步能力，測試了各通道的故障注入能力。以生效較慢的電機(jī)相線故障注入為例，從內(nèi)部關(guān)斷到檢測到電流變化的時間不超過20ms，電流測量的時間分辨率1ms，ECU 內(nèi)部參數(shù)測量的時間分辨率10ms。仿真結(jié)果證實故障注入點和電流采樣的時間可以通過內(nèi)部參數(shù)點進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，誤差不超過1ms。

根據(jù)上述測試結(jié)果，仿真數(shù)據(jù)接近實車性能，且系統(tǒng)具備仿真故障注入能力，滿足功能安全測試環(huán)境的要求。

2.2 測試工況設(shè)計

基于搭載該EPS 系統(tǒng)的某A 級轎車參數(shù)仿真，車輛沿直線段寬3.5m 單車道中心線行駛，兩側(cè)各有2m 路肩，道路采用典型均勻瀝青路面（u=0.85），坡度=0。

采用普通駕駛員模型，橫向接受的Ay 最大值為0.5g；初始保持轉(zhuǎn)向盤力矩為0 并加速至試驗車速，保持勻速后等待5s 至故障發(fā)生；駕駛員反應(yīng)時間0.5s，即故障持續(xù)0.5s 之后啟用閉環(huán)角度控制，由駕駛員模型接管車輛。

針對已知的安全機(jī)制，選取的故障工況包括：

（1）扭矩傳感器T1開路故障；

（2）電機(jī)U 相電流（控制器側(cè)）對地短路。

通過觀察故障工況下整車可控性指標(biāo)，進(jìn)而驗證系統(tǒng)的安全設(shè)計是否滿足目標(biāo)。

2.2.1 可控性指標(biāo)

根據(jù)Neukum. A 等人的研究，對EPS 系統(tǒng)故障導(dǎo)致的突發(fā)轉(zhuǎn)矩，可控性指標(biāo)與該擾動造成的整車最大橫擺角速度存在對應(yīng)關(guān)系，后者可以衡量故障工況下的車輛可控性[5]。何杰等人的研究提出了以上述可控性指標(biāo)對應(yīng)的最大橫擺角速度為閾值，仿真計算得到最大響應(yīng)時間的方法，且該方法對不同EPS 系統(tǒng)和車輛具有普遍意義[3]。

主觀可控性指標(biāo)可轉(zhuǎn)化為最大橫擺角速度和側(cè)向加速度指標(biāo)。基于上述研究，選取60km/h、90km/h 和120km/h 為典型車速，根據(jù)對一般駕駛員對車輛的控制能力研究，得到對應(yīng)車速下的最大可控橫擺角速度，并計算車輛側(cè)向加速度變化。

2.2.2 響應(yīng)時間指標(biāo)

從注入故障到系統(tǒng)響應(yīng)故障并關(guān)斷助力，所允許的最長時間作為響應(yīng)指標(biāo)。根據(jù)可控性要求，對車輛注入非預(yù)期的EPS 轉(zhuǎn)矩，測量導(dǎo)致車輛達(dá)到最大可控橫擺角的時間，以此作為響應(yīng)時間。

2.2.3 車輛軌跡

車輛在故障注入到最終穩(wěn)定的整個過程中，不應(yīng)超出路肩邊緣，故障處理結(jié)束后應(yīng)能正常回到行駛路線。根據(jù)ISO11270 對EPS 系統(tǒng)車道保持功能力矩疊加的要求，對非預(yù)期的力矩注入導(dǎo)致的車道偏移不應(yīng)超過0.4m，參考此要求設(shè)定側(cè)向位移限值。

根據(jù)上述計算得到的測試指標(biāo)見表2。

3 測試驗證

3.1 測試結(jié)果

3.1.1 扭矩傳感器故障注入

通過測量控制器中間標(biāo)志位硬件輸出可知，系統(tǒng)檢測到故障時間<10ms，實際電流關(guān)斷時間<6ms。各車速下達(dá)到的最大側(cè)向加速度和響應(yīng)時間見表3。

各車速下表現(xiàn)較為統(tǒng)一，期間整車最大側(cè)向加速度小于0.3m/s2，未出現(xiàn)明顯車輛側(cè)向位移（<0.1m），0.5s 后駕駛員成功控制車輛回到道路中心線。

3.1.2 電機(jī)電流故障注入

U 相對地短路故障工況，系統(tǒng)關(guān)斷電機(jī)驅(qū)動實際時間約25ms。各車速下達(dá)到的最大側(cè)向加速度和響應(yīng)時間見表4。

車輛有類似階躍的方向盤轉(zhuǎn)矩輸入，但未超出車道限制，0.5s后駕駛員成功接管車輛回到中心線。

上述試驗結(jié)果表明，對設(shè)計的兩種故障注入工況，系統(tǒng)均未超出可控性指標(biāo)導(dǎo)出的側(cè)向加速度、響應(yīng)時間和側(cè)向位移指標(biāo)要求。因此，針對上述被測安全機(jī)制，該系統(tǒng)的安全設(shè)計滿足系統(tǒng)功能安全目標(biāo)要求。

4 結(jié)論

上述測試驗證了該EPS 系統(tǒng)的安全設(shè)計達(dá)到設(shè)計指標(biāo)。其中：

（1）設(shè)置車輛最大側(cè)向加速度、響應(yīng)時間和車輛軌跡三層可控性指標(biāo)，實驗結(jié)果具有一致性，表明該測試指標(biāo)設(shè)計是合理的。測試結(jié)果證明測試系統(tǒng)的故障注入、數(shù)據(jù)同步和觀測能力均滿足該實驗設(shè)計的要求。

（2）對可能影響響應(yīng)時間和整車表現(xiàn)的系統(tǒng)設(shè)計，系統(tǒng)通過整車仿真進(jìn)一步驗證了設(shè)計是有效的，上述設(shè)計的效果通過降低故障導(dǎo)致的整車側(cè)向加速度和保持整車軌跡有所體現(xiàn)。因此該測試方法從整車角度驗證了EPS 系統(tǒng)安全設(shè)計的有效性和合理性。

表1：某EPS 系統(tǒng)功能安全目標(biāo)

表3：不同車速下扭矩傳感器故障的側(cè)向加速度和響應(yīng)時間

表4：不同車速下電機(jī)故障導(dǎo)致的側(cè)向加速度

綜上，對試驗過程的分析可知，該測試系統(tǒng)和測試方法可以有效針對側(cè)向加速度和響應(yīng)時間指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)級測試，測試的數(shù)據(jù)和時間精度均滿足測試目標(biāo)的要求。