冗余制動電控系統多物理體在環試驗研究及應用

郭笑通 李論 張立亮 王偉 趙健

（1.中國第一汽車股份有限公司研發總院，長春 130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室，長春 130013；3.吉林大學，長春 130022）

主題詞：多物理體在環 再生制動 自動化測試 冗余制動

1 前言

隨著汽車電控系統的發展，越來越多的車輛制動助力系統采用集成式助力系統（Integrated Boost System，IBS），利用無刷直流電機取代真空源作為系統助力裝置[1]。整車制動力由再生制動與液壓制動共同提供，在進行再生制動時，為了保證駕駛員正常的駕駛習慣，制動系統需保證踏板感覺正常[2]。而在車輛從穩定工況過渡到不穩定工況時，制動系統的助力方式會發生改變，由于再生制動的作用，可能發生助力降級事件。因此需要在IBS 與電子穩定控制（Electronic Stability Control，ESC）功能交互下，結合不同的駕駛工況，評價制動時的輸入力，以驗證是否發生助力降級事件。

本文針對目前IBS與ESC功能交互的試驗需求，基于多物理體在環（multiple mechatronics Hardware In the Loop，m-HIL）技術的思想，設計冗余制動電控系統多物理體在環試驗平臺（制動m-HIL 試驗平臺），并根據組合測試的思想，開發自動化測試程序，完成某車型的IBS 與ESC 冗余控制器條件下的再生制動工況試驗，最后提煉制動助力失效時對應的駕駛參數空間，形成IBS與ESC 冗余系統的再生制動工況下制動助力失效典型測試用例。

2 試驗平臺方案

2.1 試驗平臺總體方案

制動m-HIL 試驗平臺包括上位機模塊、試驗臺控制器模塊、供電模塊、動力源模塊、制動系統負載模塊、輸入∕輸出（I∕O）接插口模塊和上層控制軟件模塊7個部分。制動m-HIL 試驗平臺采用真實的被測控制器（IBS、ESC）與執行機構（制動鉗等制動系統負載），通過實時仿真機及I∕O 板卡，通過仿真整車參數及駕駛環境場景，完成信號產生、計算、采集和交互，進行機、電、液、氣多物理耦合在環的功能試驗。試驗平臺總體方案如圖1所示。

2.2 試驗平臺硬件方案

由多物理體在環試驗平臺作為整個試驗臺的控制器，采用dSPACE 硬件和DS1006 型實時仿真機。控制器與上位機通過工業以太網通訊。

I∕O 接插口模塊用于傳感器采集的信號、執行機構的命令信號與多物理在環試驗平臺，通過內部總線進行信號通訊[3]。

制動系統負載模塊包括IBS、ESC、制動管路、前后制動鉗及制動盤等制動系統負載、主缸壓力傳感器、輪缸壓力傳感器和電子駐車制動（Electrical Park Brake，EPB）夾緊力傳感器；IBS、ESC 與I∕O 接插口模塊進行硬件與網絡通訊間的信號交互，其中，網絡通訊為CANFD協議；主缸壓力傳感器、輪缸壓力傳感器和EPB 夾緊力傳感器將采集到的信號實時發送給I∕O接插口模塊。

動力源模塊采用液壓作動缸，作動缸與IBS的推桿通過機械方式連接，使作動缸只能推動IBS 推桿前進，不能拉動推桿回退；作動缸可通過I∕O 接插口模塊進行位移或力控制，并實時將作動缸位移及輸入力反饋給I∕O接插口模塊。

供電模塊包括220 V∕380 V 工業電源、穩壓電源及可編程電源。其中，220 V∕380 V 工業電源為上位機提供220 V電源，并為作動缸及多物理體在環試驗平臺提供380 V 電源；穩壓電源為壓力傳感器、EPB 夾緊力傳感器等傳感器提供24 V 直流電源；可編程電源為ESC、IBS進行9～16 V不同電壓的供電，其供電電壓及電流門限值由I∕O 接插口模塊控制；穩壓電源、可編程電源由220V∕380 V工業電源供電。

2.3 試驗平臺軟件方案

上層控制軟件模塊包含試驗臺控制模型（MATLAB Simulink 軟件編寫）、車輛仿真模型軟件CarSim-RT、試驗臺界面開發軟件Controldesk、作動缸控制軟件、實時接口（Real-Time Interface，RTI）模型、自動化試驗程序。其中，實時接口模型實現試驗臺控制模型、車輛仿真模型與dSPACE 接口之間的連接[4]。基于ControlDesk 軟件開發試驗界面，CarSim-RT用于控制和觀測車輛模型實時仿真；自動化試驗通過ECUtest 軟件編寫自動化測試程序實現，主要應用于模型在環（Model In the Loop，MIL）∕軟件在環（Software In the Loop，SIL）∕硬件在環（Hardware In the Loop，HIL）試驗環境中的自動化測試用例的編輯、執行、數據分析以及生成試驗報告[5]。試驗平臺軟件方案如圖2所示。

3 試驗方案設計

3.1 再生制動原理

IBS 與ESC 2 個控制器功能交互下，再生制動的實現過程如圖3所示。

圖3 再生制動原理示意

車輛無轉向開始制動時，處于穩定狀態，IBS 助力模式為行程控制，再生制動（Cooperative Regenerative Brake，CRB）模塊工作，制動液儲存在ESC蓄能器中，主缸壓力較低；隨著轉向盤轉角變大，繼續制動，車輛處于趨于失穩狀態（但未失穩），IBS助力模式切換為壓力控制，但CRB未及時完全退出并將制動液完全泵回卡鉗，主缸內的液壓力與之前的狀態一致，以此時的主缸壓力作為駕駛員需求，產生的液壓制動力則很低，產生的整車減速度也很低，反映出踏板力增加很多，駕駛員會產生制動助力失效的不良感覺。因此，需要進行上述駕駛場景的CRB試驗，驗證是否會發生制動助力失效。

3.2 組合試驗方案設計

3.2.1 整體設計方案

根據趨于失穩狀態下的工況分析及專家經驗，確定趨于失穩狀態下導致制動助力失效所對應的參數空間包括：車速vx、制動踏板行程Sbp、制動踏板速率vbp、轉向盤轉角θsw、轉向盤轉速ωsw。其中，車速為初始車速。vx、Sbp、θsw為影響力較大的因子，vbp和ωsw為影響力較小的因子。制動助力失效的判定標志為：踏板力補償指令置為啟動狀態且ABS功能未介入，且助力失效系數ibf大于助力失效閾值ibf_th。

踏板力補償指令信號及ABS 功能信號均由ESC 發到CANFD 網絡中，助力失效系數的計算方法為：當車輛處于穩定狀態時，控制作動缸以一組速度（5 mm∕s、10 mm∕s、15 mm∕s、20 mm∕s、……、55 mm∕s）勻速推動IBS推桿前進，實時采集作動缸位移（亦即制動踏板行程）與作動缸輸入力，得到不同制動踏板速率下標準輸入力-作動缸位移（F-S）曲線。車輛趨于失穩時，當制動踏板行程為S1時，實時采集到的作動缸輸入力為F1，此時對應標準F-S曲線中的作動缸輸入力為Fnormal，助力失效系數計算公式為：

根據經驗，設定ibf_th=2。駕駛場地為20 km×20 km的方形瀝青區域，路面附著系數為1.0，采用組合測試與粒子群優化相結合的方法進行多次迭代試驗，直至找到制動助力失效時所對應的參數空間[vx Sbpθswvbpωsw]T。

3.2.2 測試方案比較

目前，尋求特定參數空間的方法主要包括組合測試和優化搜索測試。優化搜索測試通過設定一定的獎勵函數，將測試結果視為函數結果，使用梯度優化等方式尋找可能發生危險的參數空間，如粒子群優化算法等。但是，優化搜索測試尋找最優解需要的迭代次數很多，如果進行多次迭代，則需要進行長時間的“耐久”試驗，一旦試驗過程中系統崩潰，則需要重新進行，試驗周期過長，不適合工程應用；組合測試只需在測試用例生成中進行，無需在試驗過程中循環迭代（或者循環迭代的次數很少），故本文選擇組合測試方法進行工程應用。

3.2.3 組合測試方案

組合測試的主要目標是從一個龐大的輸入空間中選取少量的輸入配置，使生成的測試用例數量較少，提高算法的執行效率[6]。參數空間包括vx、Sbp、vbp、θsw、ωsw。其中vx、Sbp、θsw的水平為固定值，各6個，如表1所示。

表1 各參數水平

為了提高試驗的可操作性，控制達到每一個制動踏板行程所需的時間與達到每一個轉向盤轉角所需的時間盡量相等。因此，每個轉向盤轉角因子的水平對應3個轉向盤轉速因子的水平，即0.8θsw-20、0.9θsw-20、θsw-20。

每個制動踏板速率因子的水平vbp設置為：Sbp∕vbp=θsw∕ωsw。

根據數學統計分析，73%的缺陷是由單因子或雙因子相互作用產生的，19%的缺陷是由3 個因子相互作用產生的[7]。綜合考慮試驗所需時間，本文采用雙因子組合算法，即保證車速、制動踏板行程和轉向盤轉角中任意2 個因子下所有水平的組合均出現過。本文采用啟發式搜索算法中的模擬退火算法，其應用到本試驗的步驟為：

輸入：5個因子待覆蓋的兩兩取值組合對的集合

輸出：測試用例集（初始為空）

3.2.4 自動化測試方案

通過3.2.3 節組合測試方案得到的測試用例群需要由自動化測試軟件執行，自動化試驗通過ECUtest 軟件實現。由于該程序較為簡單，僅與Sbp和θsw有關（vbp與ωsw可通過Sbp和θsw的斜率表示），例如，當Sbp=15 mm、vbp=24 mm∕s、θsw=60°、ωsw=56°∕s時，可建模如圖4所示。

圖4 因子建模示意

測試步驟為：擋位設置為D擋；以某一大小的油門開度（如40%）加速直至車速為某一水平值作為目標值；按照圖4所示的方式進行Sbp、θsw的設置，直至車速降為0。

更改目標車速、Sbp、θsw的設置，重復上述測試步驟，并將制動助力失效的一組測試用例作為后續驗證此種工況下的典型測試用例。

4 試驗結果

以某個工況下制動助力失效時的車輛狀態為例，此時對應的參數空間為[Vx Sbpθswvbpωsw]T=[80 20 12.6 120 76]T。

vx、Sbp、θsw曲線如圖5 所示。作動缸輸入力、各輪制動壓力曲線如圖6所示。

圖5 車速、制動踏板行程、轉向盤轉角曲線

圖6 作動缸輸入力、各輪制動壓力曲線

縱向加速度、橫向加速度、制動助力失效標志曲線如圖7所示。

圖7 縱向加速度、橫向加速度、制動助力失效標志曲線

5 結束語

本文提出的制動m-HIL 試驗平臺方案能夠進行IBS 與ESC 冗余控制器下的再生制動工況試驗，可用于驗證該工況下制動助力是否失效。通過基于模擬退火算法的組合測試，減少了測試用例數量，并通過自動化測試軟件ECUtest 編寫了該工況下的自動化測試程序，找到制動助力失效對應的一組典型測試用例。后續，對于不同的車型項目，該測試用例可進行重用，以減少IBS與ESC冗余控制下的測試復用工作量。