智能集成制動系統的硬件在環測試

符 崢， 王學影， 范偉軍， 張霖成

（1.中國計量大學 計量測試工程學院， 浙江 杭州 310018； 2.杭州沃鐳智能科技股份有限公司， 浙江 杭州 310018）

0 引 言

近年來，隨著新能源汽車的普及與發展，比亞迪、蔚來、特斯拉等新能源車企迅速崛起，車輛智能化的提升等相關技術快速發展，作為基礎的線控制動技術也得到了迅猛的發展[1]。智能集成制動系統將助力器和車身電子穩定系統（Electronic Stability Program, ESP）集成為一體，加強了系統的集成化以及輕量化，留出更多的空間用于提升新能源車輛的續航[2]。隨著更多傳感器以及電子控制單元（ECU）的介入，制動系統的功能邏輯也逐漸復雜，因此對智能集成制動系統的檢測需要比傳統模式更先進的檢測手段[3-4]。硬件在環（Hardware-in-the-Loop, HIL）作為汽車系統V 模式流程的驗證環節，具有同步開發、極限與破壞性試驗、可復現、全面快捷的優勢，能在研發初期檢測出硬件設計的缺陷，提高研發效率[5]。為使HIL 仿真測試的結果更加貼合實際工況，主要通過兩個方面來實現。一方面，通過線控制動硬件在環系統設計及響應分析，孫德明等人基于dSPACE 搭建了整車控制器硬件在環測試環境，對整車控制器進行了硬件在環測試，并對ECU 進行功能安全的驗證[6]；吳利廣等人通過HIL 系統對電控懸架進行仿真測試，開展了懸架控制器控制邏輯的驗證[7]。另一方面是對硬件設備建模后與軟件的聯合仿真，晏江華等人將電動尾門控制器與搭建的電動尾門閉環系統模型聯合仿真，仿真系統和控制單元間信號交互正常，實現了對尾門開關的控制[8]；彭正明通過ADAMS 建立駐車機構機械模型，在避免復雜的數學推導的同時反映其動態和靜態下的駐車特性，通過HIL 測試驗證了P 擋控制器控制功能和控制策略的有效性[9]。楊春偉等人采用整車Carsim 動力學模型搭建EPS 機電耦合HIL 測試臺架，對EPS 系統進行轉向性能和輪速有效位故障模擬，并針對具體工況進行聯 合 仿 真HIL 測 試[10]。

對于制動系統檢測，傳統的測試臺以及整車測試的測試整改成本較高、周期較長，由于操作人員以及環境的限制，整車測試的實驗次數以及復現程度都十分有限[11]。本文通過搭建制動系統的HIL 測試系統，以實現對于極限、特殊工況的制動仿真測試，同時對其附加功能與電控單元的邏輯關系進行檢測。本文方法通過模擬仿真打破傳統測試的局限性，同時保證測試過程的安全性，提高實時性以及實現更廣泛的復現性，以達到縮短汽車電控產品的研發周期、降低企業的人工成本的目的。

1 結構分析及基本原理

1.1 智能集成制動系統結構分析

智能集成制動系統物理結構圖如圖1 所示，主要由助力器推桿、液壓執行單元、電機、ECU 等系統部件組成[12]。制動過程中，駕駛員通過踩踏制動踏板將輸入力通過助力器推桿傳遞，踏板位置傳感器將不同位置的位移信號轉化為電信號，發送至ECU 計算出所需制動力，通過電機作用在制動主缸內產生液壓力，再作用在負載上實現制動[13-14]。

圖1 智能集成制動助力器物理結構圖

1.2 智能集成制動系統功能策略

智能集成制動系統除了具備常規電子助力制動功能外，還與ESP 集成為一體，可提供電子剎車分配力系統、防抱死剎車系統、循跡控制系統、車輛動態控制系統等功能，這些功能極大地提高了駕駛的安全性[15-16]。本文系統測試的功能具有前置條件和觸發條件，具體介紹詳見表1。

2 測試系統

2.1 HIL 系統結構

本文的集成線控制動系統HIL 仿真平臺主要基于美國NI 平臺進行搭建。HIL 測試系統主要由硬件系統、實時軟件模型和軟件系統三部分組成，如圖2 所示。

圖2 測試系統整體結構

如圖2 所示，在硬件系統中通過HIL 機柜中相應的數據采集板卡選用，實現控制器運行所需要的電氣和運行環境。在環控制機柜通過線控制動控制器的硬件、總線接口實現實時仿真和輸入輸出信號監測。模型建立主要包括輪胎模型和整車模型，主要通過Simulink 搭建實現負載車輛的物理模型，反映制動過程中車身的物理特性；另一方面，通過整車模型提供虛擬整車環境。軟件系統中上位機控制界面的開發基于NI VeriStand 軟件進行，可實現測試過程管理及各類信號的實時監測。

2.2 硬件系統開發

硬件系統總體組成如圖3 所示，由輪速模擬集成模塊、電缸伺服驅動模塊、液壓負載集成模塊、顯示器控制模塊與智能集成控制器等組成。使用4 個高動態伺服電機來帶動磁環運動，實現對輪速的模擬。

圖3 硬件系統總體組成

如圖4 所示，采用單向推動的方式，通過伺服電缸將踏板受力轉換為電信號，使輸入力得以量化。資源的分配基于集成線內的控制制動器的接口特性和相關參數，通過映射控制器和機柜之間的關系來創建信號列表，根據信號列表建立智能集成助力器和控制機柜之間的物理連接。

圖4 電缸伺服驅動功能塊描述

HIL 機柜組成如圖5 所示，對線控制動器的信號進行分析，HIL 的測試系統包含數字信號輸入與輸出、模擬信號輸入、PWM 信號輸出、CAN 信號，通過選取相應的NI 硬件平臺的板卡與機柜進行實現。

圖5 HIL 機柜

2.3 模型建立

模型系統包括輪胎模型和整體車身模型，其中輪胎模型與整車模型聯立，增加了制動過程中車輛行駛穩定性的影響，整車模型構成虛擬被控對象。

2.3.1 輪胎模型

通過魔術公式建立輪胎模型非常適用于車輛操縱穩定性分析，輪胎模型主要體現制動過程中縱向力與滑移率之間的關系，公式如下：

式中：F為輸出變量；x為輸入變量；D表示峰值因子；C為形狀因子；B表示剛度因子；E表示曲率因子。

本文選用Pacejka°89 輪胎模型，為提高輪胎擬合精度，設定輪胎在垂直、側向方向上是線性的，阻尼為常量，側向加速度范圍≤0.4g，側偏角≤5°。輪胎縱向力計算方法如下：

式中：s為縱向滑移率；sh為曲線的水平方向漂移；sv為曲線的垂直方向漂移。

忽略地面摩擦系數的影響，將輪胎的縱向、側向、橫擺的力學特性使用一個公式表現。

如 圖6 所 示，使 用Pacejka°89 的 具 體 參 數，通 過Simulink 仿真在三種垂直載荷下得到輪胎縱向力與滑移率的關系。

圖6 不同垂直載荷下縱向力與滑移率的關系

2.3.2 整車模型

如圖7 所示，整車模型分為前輪系統、后輪系統、動力學模塊三大部分，在其中分別設置不同位置監視器，用于觀測數據。通過輸入目標滑移率、車輪載荷、行駛速度、制動距離，輸出相應的參數。前輪系統如圖8所示，滑移率的地面附著系數乘以前輪負載得出前輪制動力，使用該制動力乘以車輪半徑，以獲得施加到地面的扭矩。扭矩和滑移率差被輸入到子系統以獲得校正的車輪速度。車輪扭矩通過滑移率積分與前輪卡鉗控制系數相乘，并與實際施加到地面上的扭矩之間的差值來獲得。后輪控制系統的算法與用于前輪大體一致。

圖7 整車模型

圖8 前輪系統模型

2.3.3 車身動力學模型

車輛動力學模型如圖9 所示。

圖9 整車動力學模型

輸入量為前輪制動力、后輪制動力、輸出車速、制動距離、前后輪載荷；將加速度積分，得到車身速度，若低至0，則觸發模型中斷；將車身速度進一步積分，得到車輛制動距離。

2.4 測試軟件開發

上位機的測試軟件開發界面如圖10 所示，其主要基于VeriStand 平臺開發測試控制界面，該界面是測試期間控制各種功能的主要工具。這些功能包括監控車輛的速度和狀態，以及監控各個輪端的液壓狀態、制動狀態和總線模擬。

圖10 測試軟件開發界面

在圖表上繪出主缸壓力與制動車速曲線，同時將電流電壓、ECU 等具有類似的操作功能以及輸出信號的采集顯示模塊設置在相近區域，實現模塊化，在提高測試效率的同時使界面的管理更加整潔。

3 測試系統驗證

智能集成制動系統硬件在環測試系統可進行功能邏輯測試、故障診斷測試，基于應用輸入與輸出數據間的對應關系，通過預設的測試用例進行測試，尋找被測系統潛在的問題或漏洞。本文實驗基于基礎制動以及制動過程中制動防抱死系統（Antilock Brake System,ABS）、TCS 三個工況進行系統驗證。

3.1 基礎制動驗證

通過初速度不為0 時的制動測試，驗證智能集成制動系統在HIL 仿真測試系統中車輛制動的建壓強度及其制動邏輯。工況設置如下：車輛行駛速度為60 km/h，發動機開關狀態為IGN on，助力器與踏板處于釋放狀態，測試者踩下制動踏板執行制動動作。

在HIL 測試系統中進行基礎制動的工況研究，分別進行車輛直行過程中無制動基礎下的制動以及有制動基礎下的制動測試，并對車輛的前后輪液壓進行數據采集。基礎制動為直線狀態下的正常制動活動，因此選擇車輛的左前輪、左后輪的液壓表示車輛四輪液壓狀態，測試結果如圖11 所示。圖11 中，連續曲線為左前輪液壓強度，點線代表左后輪液壓強度。

圖11 基礎制動時輪端液壓曲線

由圖11 測試結果可知：在踩下制動踏板之后線控制動助力系統均能在車輪端完成建壓；同時在兩種基礎制動情況下，符合前后輪制動力分配不一致，左前輪的液壓都高于左后輪的液壓，避免了后輪先于前輪抱死、車輛方向失控的狀況。根據測試結果可以得出，線控制動助力器可根據駕駛員指令并依據安全的邏輯對車輛四個輪端進行制動力分配，滿足基礎制動的測試要求。

3.2 ABS 工況驗證

通過ABS 工況驗證智能集成制動系統硬件在環測試系統中，制動過程車輪滑移率過大時ABS 功能啟用狀態以及制動效能。工況設置如下：車輛在運動狀態下，點火開關狀態為IGN on，車輪滑移率大于20%，車輛速度大于60 km/h，助力器處于釋放狀態，測試者深踩下制動踏板執行制動動作。

圖12 所示為車輛在制動過程中觸發了ABS 工況的各輪端的建壓情況，當汽車制動的滑移率過大時，為了使車輪不處于抱死狀態，線控制動系統自動控制制動力的大小，使車輪處于邊滾邊滑的狀態，保證車身獲得最大的附著力。

圖12 ABS 工況下各輪端液壓曲線

由圖12 可知：在重踩制動踏板后，各輪端首先均在短時間內完成較高壓強的建壓，同時保持了后輪壓強大于前輪的原則；隨后使趨近于抱死的各個車輪的制動液壓循環往復地經歷液壓減小到液壓增大的過程，近而使得車輪的滑動率處于峰值附著系數滑動率范圍內；最后在車速降低到一定范圍內時，制動系統回歸基礎制動模式，直至車輛停止運動。

3.3 TCS 工況驗證

通過TCS 工況驗證智能集成制動系統硬件在環測試系統中的建壓邏輯及其工作邏輯，工況設置如下: 車輛行駛速度為60 km/h，發動機開關狀態為IGN on，測試者踩下制動踏板執行制動動作，助力器處于工作狀態，使車輛右前輪的速度大于左前輪速度。

車輛各個車輪的壓強如圖13 所示，踩下制動踏板以后，線控制動系統正常建壓，隨后注入右前輪的輪速大于左前輪速度的信號，通過各個車輪液壓循環往復地減小到增大來初步穩定車身，隨后減小對左前輪的建壓，進而獲得最佳的牽引力。

圖13 TCS 工況下各輪端液壓曲線

4 結 語

針對車輛制動系統在不同制動模式下制動力分配不同的特點，合理的制動控制策略是集成線控制動系統設計的核心與關鍵。因此，本文搭建了智能集成制動系統的硬件在環測試系統，其硬件部分通過座椅、輪速模擬集成模塊、液壓負載集成的鋼結構連接搭建；其軟件部分基于NI 平臺，搭建了測試系統的硬件環境以及軟件環境，基于Matlab Simulink 搭建了整車以及車胎的系統仿真模型。智能集成制動系統將助力器和ESP 集成為一體，通過基礎制動、ABS 和TCS 作為代表性工況進行系統驗證，完成了車間環境下HIL 測試系統對智能集成制動系統控制邏輯和策略的驗證，通過硬件在環檢測的方式提高了智能集成制動控制器在生產研發中的效率，完善了驗證測試的流程。

注：本文通訊作者為王學影。