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发表于 2020-3-18 09:06:56 | 显示全部楼层 |阅读模式

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电子驻车制动系统硬件在环仿真与测试

王剑飞 WANG Jian-fei;刘全周 LIU Quan-zhou;李占旗 LI Zhan-qi;陈慧鹏 CHEN Hui-peng
(中国汽车技术研究中心,天津300300)
(China Automotive Technology and Research Center,Tianjin 300300,China)
【中国汽车材料网】摘要:文章介绍了电子驻车制动(EPB)系统的组成和工作原理,运用硬件在环测试对EPB电控单元控制策略进行验证,能降低实车测试的风险。基于dSPACE平台,分别从硬件台架的开发与试验软件的设计两个方面进行说明,其中硬件方面包括坡道驱动模块、坡道保护模块、开关模块;软件方面包括I/O接口模型、步进电机控制模型、ControlDesk试验管理界面。通过对不同工况下的EPB控制功能进行仿真测试,实验结果不仅证明了EPB硬件在环试验方法的有效性,也同步验证了EPB硬件在环试验平台的有效性。
关键词:电子驻车制动;硬件在环测试;硬件台架开发;软件设计

根据国内外整车企业以及零部件企业的经验,汽车电控单元的开发主要是基于模型的V模式开发流程。在装车之前,通过模拟实车环境对EPB控制单元进行虚拟测试并EPB控制策略进行验证,以减少实车测试中的风险[1-2]。目前广泛用的是德国dSPACE公司的仿真测试平台,采用DS911 Gialink将高速处理器板卡与I/O板卡进行连接,此外还支持多个处理器板卡之间的级联,最大数据传输速率可达1.25GB/s,足够满足车辆模型信号的运算与传输[5-8]。
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图1 V模式开发流程

1 EPB机械结构形式和工作原理

电子驻车制动系统执行机构采用集成式卡钳代替传统的机械拉索式手刹,其中卡钳集成式电子驻车制动系统,包括主控单元、EPB开关、集成式卡钳。卡钳集成式电子驻车制动系统结构图。集成式卡钳执行机构部分包括直流电机、减速机构、丝杠螺母机构[3]。直流电机为整个系统动作的动力源,通过1:3和1:50的行星齿轮和斜盘机构进行减速增扭,从而产生较大的扭矩带动丝杠螺母旋转,丝杠的旋转运动转变为螺母的水平运动,丝杠螺母克服制动盘与制动活塞之间的间隙,进而压紧制动卡钳,达到驻车夹紧的目的;若制动释放时,只需给直流电机施加一个反向电压,直流电机带动丝杠螺母反向旋转。压力螺母脱离制动活塞,直至EPB电控单元监测到的电流达到了设定的电流阈值,此时直流电机停转,驻车释放[4-6]。


2 EPB硬件在环测试系统总体方案

半实物仿真与实车测试不同,它是通过将控制器放置在一个虚拟的车辆环境中,此虚拟环境是通过搭建车辆模型(软件)、下载至实时仿真板卡(硬件)实现的。由于dSPACE平台硬件资源有高速处理器板卡、通信板卡、I/O板卡,软件方面有实时建模软件RTI、代码编译软件Target Link以及实时监控软件ControlDesk,具有快速性好、实时性高的优点,因此选用dSPACE作为EPB硬件在环测试系统平台。由于EPB控制器内置坡道角度传感器,无法通过总线信号进行仿真,因此就需要模拟一个类似于实车的坡道;由于EPB控制器包含两路CAN:底盘CAN和车身CAN,因此与其他节点的交互通过CAN板卡即可模拟;EPB执行机构为集成式卡钳,通过压力传感器和霍尔式电流传感器即可得到所需的制动力和电流值,总体设计方案,如图2所示。

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图2 EPB硬件在环仿真测试系统总体设计方案

通过光纤可以连接上位机和机柜并进行实时通信,由于车辆模型计算量大,仿真车辆要求的实时性较高,一般要求为1ms,因此对硬件的要求也较高,选用的dSPACE机柜作为实时仿真硬件,处理速度满足要求,通过此平台可以对EPB的大部分功能如自动驻车功能、坡道驶离功能等功能项测试,此外还可以进行故障诊断测试,如常见的一些电气故障、网络故障等。


2.1 EPB硬件在环测试系统软件设计

2.1.1 I/O接口模型

I/O模型是基于RTI接口模型扩展的,分为接收RTI和发送RTI两类,接收和发送都是针对机柜板卡定义的,例如通过机柜的DS2211_B1_C2采集电流值,则需要将电流传感器的输出接至机柜的模拟采集通道上;除此之外,I/O模型还可以实现数字量、模拟量、PWM等信号的仿真和采集。

还可以实现网络通信的仿真,尤其要提到DS4302板卡,它可以同时模拟4路CAN通道,而且通信速率,报文周期、信号类型等都可以自定义,完全满足车载通信的要求。

2.1.2 步进电机控制模型

为了实现步进电机的准确、快速响应控制,搭建步进电机控制模型,通过采集光电编码器的反馈值、目标角度值、控制精度值±0.1°作为模型的控制输入,分别设置三个速度响应级别,慢速5deg/s、中速10deg/s、快速20deg/s。当达到正向最大位移或者负向最大位移处时,需要立刻切断步进电机的脉冲输入,此时为了安全起见,采用硬限位和软限位两种方式实现,其中硬限位为在±30°处分别设置两个限位开关,软限位为±30°,若步进电机旋转至最大角度值时,通过机柜的数字采集通道立刻传一个高电平信号,此时通过软限位值立刻使得步进电机停转,若仍有正向脉冲输入,则忽略,若有负向脉冲输入,才进行响应。软限位和硬限位都是为了保护步进电机和坡道试验台而做,防止在程序跑飞时,对试验台造成损害。

2.1.3 ControlDesk试验管理界面

在ControlDesk界面下,主要为了方便操作人员进行实时的控制,通过类似于实车中的HMI界面实现人机交互。车辆模型经过编译后生成变量描述文件SDF,此文件可以导入ControlDesk,作为控件的底层变量,在线运行之后,可以实现对模型变量的实时修改,不仅极大的方便了操作,而且有助于对模型变量的实时修改,极大的提高了试验效率。此外还可以基于虚拟控件对所要采集的数据进行记录和测量,还可用于一个或多个试验的管理。基于ControlDesk创建的EPB硬件在环测试平台试验管理界面。


2.2 EPB硬件在环测试系统硬件台架设计

2.2.1 坡道驱动模块

选用两相混合式步进电机作为实验电机,该电机为两相四线步进电机。该步进电机最小角度可以达到0.1°,控制精度高,控制精度可变,通过调节驱动器上的拨码开关,可以实现电机步数的精确细分。坡道驱动模块直接与连接坡道的连轴器相连接,通过控制步进电机的旋转角度,从而控制模拟坡道试验台的角度,EPB控制器置于坡道试验台上,因此会产生一个外部的传感器激励,此时基本相当于模拟一个整车的坡道状态。

2.2.2 开关模块

由于EPB开关为纯机械开关,在开关闭合和断开的瞬间,容易接触不良或线路异常引起判断失误。因此需要对EPB的几种开关状态进行判断,只有在默认为Apply、Realease、Netural三种状态下才进行操作,其他状态默认不输出,本文设计的开关模块如图3所示。


3 EPB硬件在环功能试验

由上面的EPB硬件在环仿真测试平台,搭建闭环控制模型,完成车辆的硬线和总线闭环。试验车辆参数见表1。

表1 试验车辆参数
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图3 Switch开关电路图

3.1 EPB自动驻车功能硬件在环试验

根据自动驻车控制策略可以看出,影响其功能的三个因素:车速、开关以及钥匙状态。因此从这三个影响因素出发,设置了多种试验工况,且符合实际操作。

测试正常熄火工况对自动驻车控制的影响。

车辆静止,发动机未熄火,系统无故障。仿真开始7s时将KeyState状态由ON切换至OFF,保持3s,试验结果见图4。

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图4 车辆正常熄火工况

试验分析:通过试验结果可以发现,在IGN OFF后3s,在没有手动按下Apply开关的情况下,压力传感器反馈实际压力值为17.32kN,实现了夹紧操作,通过对比功能规范中定义的条件,自动驻车功能正常实现,且试验结果符合功能项中的定义,可以认为此EPB控制器的自动驻车功能正常。


3.2 EPB坡道驶离功能硬件在环试验

坡道驶离功能的试验工况为:自动档车型,车辆静止于坡道角度为30%的坡道上,IGN ON,驾驶员在没有手动释放电子手刹的情况下,踩油门踏板,并逐渐加大油门踏板开度,直至车辆驶离原点,并逐渐加速车辆,试验结果分别如图5所示。

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图5 坡度为30%的路面上坡道起步

试验分析:车辆位于坡道上,当踏下加速踏板,且加速踏板开度增大到一定的程度时,制动卡钳自动释放,由图5中可以看出,车辆位于坡道角度为30%时,EPB控制单元均能控制制动卡钳释放。满足EPB功能规范中,在检测驾驶员具有驶离意图时,并且变速器输出轴扭矩大于驶离扭矩时,EPB执行器自动解除制动,驶离坡道。

4 结论

①对电子驻车制动系统的机械结构和工作原理进行了介绍,为EPB硬件在环测试系统的建立奠定理论基础。

②设计EPB HIL测试的总体设计方案,根据方案中涉及到的软硬件设计方法,详细介绍了EPB电控单元硬件在环测试系统的软件平台设计与硬件台架开发。

③根据所建立的EPB硬件在环功能试验平台,分别对EPB的自动驻车功能和坡道驶离功能在不同的工况条件下进行试验,并对试验结果进行评估,通过仿真试验验证了EPB电控单元内部控制策略的正确性,也同步验证了所建立的EPB硬件在环测试平台的有效性。



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