智能集成制动系统的硬件在环测试

符 峥， 王学影， 范伟军， 张霖成

（1.中国计量大学 计量测试工程学院， 浙江 杭州 310018； 2.杭州沃镭智能科技股份有限公司， 浙江 杭州 310018）

0 引 言

近年来，随着新能源汽车的普及与发展，比亚迪、蔚来、特斯拉等新能源车企迅速崛起，车辆智能化的提升等相关技术快速发展，作为基础的线控制动技术也得到了迅猛的发展[1]。智能集成制动系统将助力器和车身电子稳定系统（Electronic Stability Program, ESP）集成为一体，加强了系统的集成化以及轻量化，留出更多的空间用于提升新能源车辆的续航[2]。随着更多传感器以及电子控制单元（ECU）的介入，制动系统的功能逻辑也逐渐复杂，因此对智能集成制动系统的检测需要比传统模式更先进的检测手段[3-4]。硬件在环（Hardware-in-the-Loop, HIL）作为汽车系统V 模式流程的验证环节，具有同步开发、极限与破坏性试验、可复现、全面快捷的优势，能在研发初期检测出硬件设计的缺陷，提高研发效率[5]。为使HIL 仿真测试的结果更加贴合实际工况，主要通过两个方面来实现。一方面，通过线控制动硬件在环系统设计及响应分析，孙德明等人基于dSPACE 搭建了整车控制器硬件在环测试环境，对整车控制器进行了硬件在环测试，并对ECU 进行功能安全的验证[6]；吴利广等人通过HIL 系统对电控悬架进行仿真测试，开展了悬架控制器控制逻辑的验证[7]。另一方面是对硬件设备建模后与软件的联合仿真，晏江华等人将电动尾门控制器与搭建的电动尾门闭环系统模型联合仿真，仿真系统和控制单元间信号交互正常，实现了对尾门开关的控制[8]；彭正明通过ADAMS 建立驻车机构机械模型，在避免复杂的数学推导的同时反映其动态和静态下的驻车特性，通过HIL 测试验证了P 挡控制器控制功能和控制策略的有效性[9]。杨春伟等人采用整车Carsim 动力学模型搭建EPS 机电耦合HIL 测试台架，对EPS 系统进行转向性能和轮速有效位故障模拟，并针对具体工况进行联 合 仿 真HIL 测 试[10]。

对于制动系统检测，传统的测试台以及整车测试的测试整改成本较高、周期较长，由于操作人员以及环境的限制，整车测试的实验次数以及复现程度都十分有限[11]。本文通过搭建制动系统的HIL 测试系统，以实现对于极限、特殊工况的制动仿真测试，同时对其附加功能与电控单元的逻辑关系进行检测。本文方法通过模拟仿真打破传统测试的局限性，同时保证测试过程的安全性，提高实时性以及实现更广泛的复现性，以达到缩短汽车电控产品的研发周期、降低企业的人工成本的目的。

1 结构分析及基本原理

1.1 智能集成制动系统结构分析

智能集成制动系统物理结构图如图1 所示，主要由助力器推杆、液压执行单元、电机、ECU 等系统部件组成[12]。制动过程中，驾驶员通过踩踏制动踏板将输入力通过助力器推杆传递，踏板位置传感器将不同位置的位移信号转化为电信号，发送至ECU 计算出所需制动力，通过电机作用在制动主缸内产生液压力，再作用在负载上实现制动[13-14]。

图1 智能集成制动助力器物理结构图

1.2 智能集成制动系统功能策略

智能集成制动系统除了具备常规电子助力制动功能外，还与ESP 集成为一体，可提供电子刹车分配力系统、防抱死刹车系统、循迹控制系统、车辆动态控制系统等功能，这些功能极大地提高了驾驶的安全性[15-16]。本文系统测试的功能具有前置条件和触发条件，具体介绍详见表1。

2 测试系统

2.1 HIL 系统结构

本文的集成线控制动系统HIL 仿真平台主要基于美国NI 平台进行搭建。HIL 测试系统主要由硬件系统、实时软件模型和软件系统三部分组成，如图2 所示。

图2 测试系统整体结构

如图2 所示，在硬件系统中通过HIL 机柜中相应的数据采集板卡选用，实现控制器运行所需要的电气和运行环境。在环控制机柜通过线控制动控制器的硬件、总线接口实现实时仿真和输入输出信号监测。模型建立主要包括轮胎模型和整车模型，主要通过Simulink 搭建实现负载车辆的物理模型，反映制动过程中车身的物理特性；另一方面，通过整车模型提供虚拟整车环境。软件系统中上位机控制界面的开发基于NI VeriStand 软件进行，可实现测试过程管理及各类信号的实时监测。

2.2 硬件系统开发

硬件系统总体组成如图3 所示，由轮速模拟集成模块、电缸伺服驱动模块、液压负载集成模块、显示器控制模块与智能集成控制器等组成。使用4 个高动态伺服电机来带动磁环运动，实现对轮速的模拟。

图3 硬件系统总体组成

如图4 所示，采用单向推动的方式，通过伺服电缸将踏板受力转换为电信号，使输入力得以量化。资源的分配基于集成线内的控制制动器的接口特性和相关参数，通过映射控制器和机柜之间的关系来创建信号列表，根据信号列表建立智能集成助力器和控制机柜之间的物理连接。

图4 电缸伺服驱动功能块描述

HIL 机柜组成如图5 所示，对线控制动器的信号进行分析，HIL 的测试系统包含数字信号输入与输出、模拟信号输入、PWM 信号输出、CAN 信号，通过选取相应的NI 硬件平台的板卡与机柜进行实现。

图5 HIL 机柜

2.3 模型建立

模型系统包括轮胎模型和整体车身模型，其中轮胎模型与整车模型联立，增加了制动过程中车辆行驶稳定性的影响，整车模型构成虚拟被控对象。

2.3.1 轮胎模型

通过魔术公式建立轮胎模型非常适用于车辆操纵稳定性分析，轮胎模型主要体现制动过程中纵向力与滑移率之间的关系，公式如下：

式中：F为输出变量；x为输入变量；D表示峰值因子；C为形状因子；B表示刚度因子；E表示曲率因子。

本文选用Pacejka°89 轮胎模型，为提高轮胎拟合精度，设定轮胎在垂直、侧向方向上是线性的，阻尼为常量，侧向加速度范围≤0.4g，侧偏角≤5°。轮胎纵向力计算方法如下：

式中：s为纵向滑移率；sh为曲线的水平方向漂移；sv为曲线的垂直方向漂移。

忽略地面摩擦系数的影响，将轮胎的纵向、侧向、横摆的力学特性使用一个公式表现。

如 图6 所 示，使 用Pacejka°89 的 具 体 参 数，通 过Simulink 仿真在三种垂直载荷下得到轮胎纵向力与滑移率的关系。

图6 不同垂直载荷下纵向力与滑移率的关系

2.3.2 整车模型

如图7 所示，整车模型分为前轮系统、后轮系统、动力学模块三大部分，在其中分别设置不同位置监视器，用于观测数据。通过输入目标滑移率、车轮载荷、行驶速度、制动距离，输出相应的参数。前轮系统如图8所示，滑移率的地面附着系数乘以前轮负载得出前轮制动力，使用该制动力乘以车轮半径，以获得施加到地面的扭矩。扭矩和滑移率差被输入到子系统以获得校正的车轮速度。车轮扭矩通过滑移率积分与前轮卡钳控制系数相乘，并与实际施加到地面上的扭矩之间的差值来获得。后轮控制系统的算法与用于前轮大体一致。

图7 整车模型

图8 前轮系统模型

2.3.3 车身动力学模型

车辆动力学模型如图9 所示。

图9 整车动力学模型

输入量为前轮制动力、后轮制动力、输出车速、制动距离、前后轮载荷；将加速度积分，得到车身速度，若低至0，则触发模型中断；将车身速度进一步积分，得到车辆制动距离。

2.4 测试软件开发

上位机的测试软件开发界面如图10 所示，其主要基于VeriStand 平台开发测试控制界面，该界面是测试期间控制各种功能的主要工具。这些功能包括监控车辆的速度和状态，以及监控各个轮端的液压状态、制动状态和总线模拟。

图10 测试软件开发界面

在图表上绘出主缸压力与制动车速曲线，同时将电流电压、ECU 等具有类似的操作功能以及输出信号的采集显示模块设置在相近区域，实现模块化，在提高测试效率的同时使界面的管理更加整洁。

3 测试系统验证

智能集成制动系统硬件在环测试系统可进行功能逻辑测试、故障诊断测试，基于应用输入与输出数据间的对应关系，通过预设的测试用例进行测试，寻找被测系统潜在的问题或漏洞。本文实验基于基础制动以及制动过程中制动防抱死系统（Antilock Brake System,ABS）、TCS 三个工况进行系统验证。

3.1 基础制动验证

通过初速度不为0 时的制动测试，验证智能集成制动系统在HIL 仿真测试系统中车辆制动的建压强度及其制动逻辑。工况设置如下：车辆行驶速度为60 km/h，发动机开关状态为IGN on，助力器与踏板处于释放状态，测试者踩下制动踏板执行制动动作。

在HIL 测试系统中进行基础制动的工况研究，分别进行车辆直行过程中无制动基础下的制动以及有制动基础下的制动测试，并对车辆的前后轮液压进行数据采集。基础制动为直线状态下的正常制动活动，因此选择车辆的左前轮、左后轮的液压表示车辆四轮液压状态，测试结果如图11 所示。图11 中，连续曲线为左前轮液压强度，点线代表左后轮液压强度。

图11 基础制动时轮端液压曲线

由图11 测试结果可知：在踩下制动踏板之后线控制动助力系统均能在车轮端完成建压；同时在两种基础制动情况下，符合前后轮制动力分配不一致，左前轮的液压都高于左后轮的液压，避免了后轮先于前轮抱死、车辆方向失控的状况。根据测试结果可以得出，线控制动助力器可根据驾驶员指令并依据安全的逻辑对车辆四个轮端进行制动力分配，满足基础制动的测试要求。

3.2 ABS 工况验证

通过ABS 工况验证智能集成制动系统硬件在环测试系统中，制动过程车轮滑移率过大时ABS 功能启用状态以及制动效能。工况设置如下：车辆在运动状态下，点火开关状态为IGN on，车轮滑移率大于20%，车辆速度大于60 km/h，助力器处于释放状态，测试者深踩下制动踏板执行制动动作。

图12 所示为车辆在制动过程中触发了ABS 工况的各轮端的建压情况，当汽车制动的滑移率过大时，为了使车轮不处于抱死状态，线控制动系统自动控制制动力的大小，使车轮处于边滚边滑的状态，保证车身获得最大的附着力。

图12 ABS 工况下各轮端液压曲线

由图12 可知：在重踩制动踏板后，各轮端首先均在短时间内完成较高压强的建压，同时保持了后轮压强大于前轮的原则；随后使趋近于抱死的各个车轮的制动液压循环往复地经历液压减小到液压增大的过程，近而使得车轮的滑动率处于峰值附着系数滑动率范围内；最后在车速降低到一定范围内时，制动系统回归基础制动模式，直至车辆停止运动。

3.3 TCS 工况验证

通过TCS 工况验证智能集成制动系统硬件在环测试系统中的建压逻辑及其工作逻辑，工况设置如下: 车辆行驶速度为60 km/h，发动机开关状态为IGN on，测试者踩下制动踏板执行制动动作，助力器处于工作状态，使车辆右前轮的速度大于左前轮速度。

车辆各个车轮的压强如图13 所示，踩下制动踏板以后，线控制动系统正常建压，随后注入右前轮的轮速大于左前轮速度的信号，通过各个车轮液压循环往复地减小到增大来初步稳定车身，随后减小对左前轮的建压，进而获得最佳的牵引力。

图13 TCS 工况下各轮端液压曲线

4 结 语

针对车辆制动系统在不同制动模式下制动力分配不同的特点，合理的制动控制策略是集成线控制动系统设计的核心与关键。因此，本文搭建了智能集成制动系统的硬件在环测试系统，其硬件部分通过座椅、轮速模拟集成模块、液压负载集成的钢结构连接搭建；其软件部分基于NI 平台，搭建了测试系统的硬件环境以及软件环境，基于Matlab Simulink 搭建了整车以及车胎的系统仿真模型。智能集成制动系统将助力器和ESP 集成为一体，通过基础制动、ABS 和TCS 作为代表性工况进行系统验证，完成了车间环境下HIL 测试系统对智能集成制动系统控制逻辑和策略的验证，通过硬件在环检测的方式提高了智能集成制动控制器在生产研发中的效率，完善了验证测试的流程。

注：本文通讯作者为王学影。