一種軟件在環EPS轉向調試參數優化方法

施云翔 任凱

（泛亞汽車技術中心有限公司,上海201208）

主題詞：轉向評估 軟件在環 車輛動力學仿真 轉向控制器模型 虛擬轉向調試

縮略語

SIL Software-In-the-Loop

EPS Electric Power Steering

ECU Electronic Control Unit

SWA Steering Wheel Angle

1 前言

當前的轉向性能開發主要依賴調試工程師基于樣車開發的主觀經驗。開發過程中的轉向調試和客觀測試都需要在選定的一批不同配置的樣車上進行，并需要在一系列的車速下進行標定。日益多樣化的市場需求也驅動了新車型快速開發，因此必須與有限的開發時間和成本進行平衡，這也是轉向性能開發必須面對的挑戰。

結合模型技術開發控制系統在當前的工業應用中已經相當普遍。雖然轉向性能的調試仍然依賴調試工程師的主觀經驗，但基于模型的開發方法探索已經越來越多，如：Camuffo,介紹了菲亞特在開發使用電動助力轉向新車時，開發了1種基于數字方法的流程來支持路試和精細化調試。這種方法集成了供應商提供的電動助力轉向模型來評估轉向性能的客觀指標。Cianetti，Ambrogi以及Kai Ren發表了詳細的基于摩擦力模型辨識的轉向機械模型、及基于此模型與整車動力學模型以及可調的黑箱轉向ECU模型集成，被用于進行轉向性能目標設定[1-3]。Ljungberg和Dexin Wang描述了從設定仿真環境到參數優化流程的開發，并幫助仿真和調試工程師更高效高質進行轉向性能開發[4-5]。

基于此，本文開發了1種基于整車模型和轉向控制器模型的軟件在環控制參數優化流程和工具鏈，運用此工具和流程可以實現前期開發中的虛擬標定，為后續樣車上的精細化轉向性能開發提供方向性設定的技術手段，進而幫助解決上述當前開發中的矛盾和限制。

2 高精度轉向動力學模型

基于模型的開發方法需要高精度模型和高效的仿真環境來實現大規模自動化性能優化。高精度模型以高質量的車輛動力學模型和開放可調的轉向控制器模型最為關鍵。

2.1 整車模型

現有基于ADAMS仿真環境很難實現大規模高效的自動化計算。CarSim仿真環境是基于外特性的建模，在計算實時性上有較大的優勢；但其在建模精度上需要有較高精度的上游模型（如ADAMS模型）或者覆蓋車輛道路行駛工況的系統或整車外特性測試作為輸入支持。結合自身技術儲備情況，本文采用Car?Sim作為整車動力學建模環境，用ADAMS模型和整車測試數據作為建模輸入，建立精確的懸架多輪跳外特性模型，匹配實測的輪胎模型，為轉向系統模型提供精確的齒條力和齒條位移等輸入輸出信息。

模型驗證：CarSim整車模型需要試驗進行對比驗證，來證明其有效性和精確度。驗證工況需覆蓋穩態到瞬態，低側向加速度到高側向加速度區間，以確保其適用于轉向性能的虛擬開發，圖1為本文后續研究所用CarSim整車模型和試驗的對比驗證結果。

2.2 轉向系統建模

轉向系統基于Simulink進行建模，包含機械模塊和控制模塊。

EPS系統機械部分模型需要包含以下部分，如圖2所示：

圖2 轉向系統機械模型

a)方向盤，質量、慣量；

b)扭桿，剛度阻尼模型；

c)伺服助力電機；

d)中間軸，轉速變化特性、柔性；

e)輸入軸；

f)齒輪齒條傳動比；

g)轉向機摩擦。

轉向摩擦特性的精準描述直接影響模型輸出精度，進而影響手感模擬的準確性。轉向系統的摩擦主要存在于轉向管柱、轉向機和助力伺服機構這3部分中。摩擦特性根據工況的不同表現出不同的特性，分為靜摩擦和動摩擦。為了準確的描述出系統的摩擦特性，采用ESF摩擦力模型描述機械系統內部的摩擦力特性，并通過臺架試驗辨識出模型參數[6]。

模型驗證：同樣通過參數辨識建立的轉向系統機械模型需要與臺架試驗數據進行對比驗證（圖3），以確保機械模型的有效性和精度適用于轉向性能的虛擬開發。

圖3 轉向機械模型與臺架試驗對比驗證

2.3 EPS控制器模型

供應商的合作是高質量轉向控制器模型的關鍵?？刂破髂Ｐ吞峁┱吆托枨笳咧g需要就模型接口的設置達成一致，以確保建模的過程盡量被簡化。標準化模型接口使建模及檢查自動化流程成為可能，同時也降低了使用者的使用難度。針對在虛擬環境中進行轉向手感的優化匹配，控制器模塊應包含1個參數開放可調的控制文件，調試參數應該保持與實車上一致，并開放給需求者作為優化設計變量。然后在Simulink中將轉向系統的機械模型和控制器模型按照既定接口進行融合，建立整個轉向系統的Simulink模型（圖4），以備聯合仿真使用。

圖4 轉向系統Simulink模型

2.4 聯合仿真模型

根據試驗車輛狀態或者上游模型，調用CarSim里建立除轉向系統外的整車模型，輪胎使用MF-Tyre輪胎模型，前懸架為麥弗遜式獨立懸架，后懸架采用四連桿式獨立懸架。同時設置CarSim與Simulink模型的輸入輸出。仿真工況依據標準測試工況在CarSim環境里按與客觀測試標準同等要求建立。將CarSim整車和仿真工況集成模型轉換為Simulink環境中的S-function函數，最后與轉向機械及控制器融合模型互聯，建立聯合仿真模型（圖5）。

圖5 整車Car Sim-Simulink聯合仿真模型

3 基于Car Sim和Simulink轉向控制器模型的參數優化設計流程

3.1 優化計算流程設計

本文旨在討論建立1種集成化的轉向標定參數虛擬優化手段，同時涉及眾多的控制參數和多個整車目標變量[7]，同時需要具備計算的高效性和精度保證，因此需要運用集成優化技術對上述的仿真流程進行整合和加成。Isight平臺是1種在工業開發中較常用的開放式的優化平臺，能夠兼容并整合大多數的工業軟件。因此，基于Isight平臺和CarSim/Simulink聯合仿真環境開發了EPS手感調試的集成優化流程，如圖6所示，實現了全程自動化的優化計算。

圖6 Isight-Car Sim-Simulink集成EPS手感優化流程

該集成任務模塊包括4個部分：

（1）控制參數特性擬合及辨識；

（2）集成模型和工況仿真環境的外部求解；

（3）客觀評價指標的后處理；

（4）迭代計算結果自動提取。

3.1.1 控制參數特性擬合及辨識

EPS標定參數的形式是多樣的，有單值控制、有多點控制、有多個參數聯合控制。單值控制是優化過程中較易處理的形式，可以以單變量方式快速識別；多個參數的聯合控制需要工程經驗作為前置條件約束主控制變量，一般出現在高級功能或者精細手感的提升上。本文所建立方法的主要目的是幫助調試工程師在樣車調試之前把控調試的方向，為精調奠定基礎同時節約開發時間和成本。因此，對多點控制參數的處理是本文的重點，例如多余基礎助力曲線的設定、主動回正功能曲線的設定等，這些曲線在部分供應商的控制邏輯里是通過曲線上的關鍵點進行控制的，且工作量較大。控制點個數和關鍵區域的疏密度都直接影響了交付手感的輕重合適度和光順程度。

以基礎助力曲線為例，控制曲線以齒條力和方向盤扭矩作為控制的輸入輸出，用12個點描述曲線的特性。為實現控制變量參數化，找出離散點控制曲線合適的擬合公式，分析并得出擬合公式中控制系數的控制規律和物理意義，在聯合仿真環節中將設定齒條力控制點處的方向盤扭矩插值出來，自動替換原控制參數中相關值。以100 km/h時助力曲線為例，具體流程如圖7。

圖7 EPS控制參數擬合辨識流程

通過工程經驗在確定12個點齒條力分布，即x=[0,75,220,400,600,800,1 200,1 800,2 500,3 500,5 000,8 000]；此時方向盤手力，即y＞=0；截距，即當x=0時，y=0。

確定擬合曲線解析式y=aebx+cedx，并驗證擬合曲線和原始曲線的符合程度；對解析式中a，b，c，d的影響進行分析，得出如下規律：

a和c決定初始值大?。籦和d值決定函數值是否發散，當b，d值為負數時，該指數項收斂，最終隨著x值為0。按照如下規則（以車速100 km/h為例）控制函數參數辨識：

（1）a參數會對整段函數值會有影響，因此在調整曲線時首先要確定a值的數量級和數值；

（2）當助力x＜2 500 N時，將a調整合適后，主要調整參數c；

（3）當助力1 000＜x＜2 000 N時微調函數值時選擇調整參數d；

（4）當助力x＞2 500 N時則應該主要調整參數b；

（5）對由a，b，c，d控制的擬合解析式進行插值，將新得到的12個插值點x，y值寫入xml并保存新的控制文件。

3.1.2 集成模型和工況仿真環境的外部求解

集成模型和工況仿真環境的外部求解機制通過這一機制的建立使優化過程中大規模迭代運算的智能化成為可能，并將動力學工況的仿真結果送入整車操縱穩定性評價指標的后處理程序。這里通過MAT?LAB/Simulink為主控軟件，通過COM接口調用CarSim模型及工況集成環境，再通過Isight平臺從外部驅動聯合仿真環境的求解。

3.1.3 客觀評價指標的后處理

整車轉向性能客觀評價指標計算結果的后處理：聯合仿真結果的輸出量是車輛運動的狀態參數，如橫擺角速度、側向加速度、質心側偏角等；以及轉向接口參數，如方向盤力矩，力矩梯度等。要得到整車轉向性能客觀評價指標，如不同車速下方向盤力矩、力矩梯度等，必須按國際標準的定義計算求得并將每一步迭代仿真得到的結果文件送入Isight自動完成目標設置和數據交換。

3.1.4 迭代計算結果自動提取

Isight優化任務的規劃設置是整個優化流程的調度和決策中心。它決定選用怎樣的優化方法和過程配置參數，并決定每個優化任務所選用的變量、約束條件及目標函數，由它對每一次虛擬試驗中控制變量的水平進行組合分配，完成迭代循環，并記錄計算結果進行統計學誤差分析，判斷其是否符合目標函數和約束范圍的要求。

4 EPS控制參數優化過程

4.1 控制變量設定

以基礎助力曲線的調試為例，初始默認狀態的a，b，c，d值如下表所示，根據經驗數據和系統助力能力，設定4個變量的變化范圍如表1。

表1 控制變量設定

4.2 優化目標選擇和設定

整車的轉向性能客觀評價體系是1個復雜的系統。它需要通過一系列不同工況和車速，這些工況需要反映客戶日常駕駛的路況（曲率半徑）、車速（城市、郊區或是高速公路）、以及由此形成閉環的方向盤操作（角度、速率）等進行評價的標準化設定，和評價指標的提取和規律分析[8]。本文僅以中心區轉向為例作方法論層面的討論。中心區轉向試驗是一種在穩態中高速行駛工況下對車輛轉向和操控性進行考察的整車級客觀性能試驗。指標包括院轉向靈敏度、不同側向加速度下轉向力矩、轉向力矩梯度、不足轉向梯度等與轉向調試參數相關的設計指標[9-14]。本文將這些指標作為系統優化設計的目標變量，并初步給出了1組目標變量的帶寬設計要求（表2）用以檢驗最終優化結果的計算精度。

表2 整車轉向性能指標設定

4.3 顯著性分析和優化調試方案選擇

針對以上100 km/h車速下6個變量和6個目標，規劃了1套正交試驗方案[15]。以此分析各輸入變量對目標貢獻率和影響程度(表3)。

表3 參數敏感度總結

在中心區轉向的各項指標中a，c起到了主要作用，并且a，c經常會出現耦合，并且影響同向。從數值的變化可以和之前數值分析的方法實現對應的關系，例如數值分析過程可以確定調整a參數可以對助力起到主要影響，這和中心區轉向指標計算可以起到對應關系。b參數對整個指標影響較小，在實際調整助力曲線時可以最后考慮微調時使用。這又可以和之前數值分析對應，因為在速度100 km/h時，中心區所使用的助力較小，而b參數主要在助力較大的區間起主導作用，因此對于中心區轉向工況來講b參數可以忽略其影響。

根據以上顯著性分析結論，能有效指導參數設定快速優化出滿足整車指標要求的助力曲線和主動回正曲線參數設定，優化前和優化后的力矩和車輛響應曲線對比如表4，優化后的整車轉向性能指標滿足設計要求，并快速匹配出不同的調試設定以供后續開發使用。

表4 優化前后轉向性能指標結果對比

5 結束語

本文開發了1種利用了現有車輛動力學仿真工具和客觀測試數據，將其和轉向控制器模型相結合全新的軟件在環開發流程和工具鏈，提供了在開發前期進行虛擬轉向手感調試的工具鏈。通過這種方式驗證了在項目前期虛擬開發階段匹配出滿足整車性能要求的方向性標定的可行性。該開發工具不僅適用于項目前期開發，也可以在與樣車同步開發的過程當中使用，以減少樣車的使用時間，并協助解決開發中遇到的問題。