劉建文 周德泉 嚴(yán)汶均 陳禹 林旭 李開(kāi)標(biāo)

（廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院，廣州 511434）

主題詞：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 控制器 道路模擬試驗(yàn) 驗(yàn)證精度

1 前言

汽車(chē)耐久性是評(píng)價(jià)汽車(chē)品質(zhì)的重要指標(biāo)，道路模擬臺(tái)架試驗(yàn)以其測(cè)試一致性好、試驗(yàn)周期短、安全性強(qiáng)、保密性高、方便車(chē)輛檢查和故障分析等優(yōu)勢(shì)[1]廣泛應(yīng)用于汽車(chē)耐久性測(cè)試中。然而，整車(chē)道路模擬耐久臺(tái)架試驗(yàn)一般僅適用于機(jī)械部件的結(jié)構(gòu)耐久性驗(yàn)證，以傳統(tǒng)方式進(jìn)行整車(chē)結(jié)構(gòu)耐久性測(cè)試時(shí)，整車(chē)電路處于關(guān)閉狀態(tài)。

目前，汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已由傳統(tǒng)機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)逐步發(fā)展為電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[2]，試驗(yàn)過(guò)程中電控系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)將影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自身的耐久性驗(yàn)證精度，同時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為重要的底盤(pán)部件，與懸架、儀表板存在多處連接，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件載荷差異將影響車(chē)輛其他部件的受載情況。

為提升道路模擬耐久性試驗(yàn)中轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的測(cè)試精度，汽車(chē)開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)領(lǐng)域進(jìn)行了許多有益的探索。針對(duì)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)主要對(duì)橫拉桿施加載荷，無(wú)法真實(shí)考核整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在用戶(hù)使用過(guò)程中運(yùn)行情況的問(wèn)題，陸圣青等提出了一種考慮用戶(hù)車(chē)速、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向器負(fù)載及路面垂向激勵(lì)的可靠性臺(tái)架試驗(yàn)方案[3]，鄭春等在分析轉(zhuǎn)向系統(tǒng)測(cè)試需求和國(guó)內(nèi)外測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了一套電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)耐久測(cè)試裝備[4]。上述方案均有利于更加精確地考核轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性，但僅在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行了系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證，未解決整車(chē)級(jí)道路模擬試驗(yàn)中的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)耐久試驗(yàn)精度問(wèn)題。系統(tǒng)級(jí)道路模擬試驗(yàn)需要對(duì)車(chē)輛各系統(tǒng)逐一開(kāi)發(fā)試驗(yàn)設(shè)備，不利于整車(chē)所有系統(tǒng)的高效驗(yàn)證。同時(shí)，汽車(chē)是高度集成化的產(chǎn)品，僅進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)耐久性測(cè)試無(wú)法確保各系統(tǒng)集成后整車(chē)的高可靠性。

本文使用整車(chē)道路模擬耐久試驗(yàn)臺(tái)架，結(jié)合轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電氣控制，進(jìn)行整車(chē)級(jí)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)耐久試驗(yàn)技術(shù)研究。

2 整車(chē)及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通信原理

整車(chē)道路模擬試驗(yàn)前，采集整車(chē)道路譜和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器輸入信號(hào)。試驗(yàn)時(shí)，首先在道路模擬試驗(yàn)臺(tái)架中搭建轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制電路，然后使用總線(xiàn)工具按照時(shí)間順序輸出控制信號(hào)至轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（同時(shí)提供給轉(zhuǎn)向電機(jī)和控制器電源），使用整車(chē)道路譜對(duì)試驗(yàn)車(chē)輛施加載荷，最后，通過(guò)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)變和轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩信號(hào)驗(yàn)證試驗(yàn)方案的有效性。傳統(tǒng)道路模擬臺(tái)架試驗(yàn)流程和本文提出的結(jié)合轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制的道路模擬臺(tái)架試驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 整車(chē)道路模擬臺(tái)架試驗(yàn)流程

為實(shí)現(xiàn)整車(chē)道路模擬試驗(yàn)中對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（Electric Power Steering，EPS）系統(tǒng)的控制，需要明確EPS 系統(tǒng)提供助力的條件。通常，EPS 系統(tǒng)的控制器根據(jù)輸入信號(hào)（轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角、電機(jī)轉(zhuǎn)角、車(chē)速等）判斷用戶(hù)當(dāng)前的需求，將復(fù)雜的用戶(hù)工況分為基本助力、回正控制、阻尼控制3種工作模式及其組合，根據(jù)選擇的工作模式控制電機(jī)的電流，滿(mǎn)足不同的電動(dòng)助力需求[5]，如圖2所示。

圖2 電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制及工作原理

3 搭建轉(zhuǎn)向控制電路

本文使用的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器的通信協(xié)議為控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）通信。在CAN 通道協(xié)議下，將EPS 系統(tǒng)輸入信號(hào)通過(guò)工控電腦與總線(xiàn)工具傳輸至EPS 系統(tǒng)控制器，驅(qū)動(dòng)助力電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)向助力。本文中使用外部直流電源（12 V）為EPS系統(tǒng)提供電力，其他電氣系統(tǒng)無(wú)需開(kāi)啟，以保證試驗(yàn)安全，如圖3所示。

圖3 EPS系統(tǒng)供電與信號(hào)控制

EPS 系統(tǒng)線(xiàn)束接口包含CAN_H 和CAN_L 2 個(gè)CAN 通信信號(hào)線(xiàn)引腳，引腳編號(hào)根據(jù)電氣系統(tǒng)相關(guān)文件確定；通過(guò)信號(hào)線(xiàn)轉(zhuǎn)換器連接EPS 系統(tǒng)與CAN總線(xiàn)工具，總線(xiàn)工具可用DB9、DB26等型號(hào)接口，表1 所示為某總線(xiàn)工具的DB9 接口引腳定義，信號(hào)線(xiàn)連接時(shí)須保證EPS 系統(tǒng)線(xiàn)束接口引腳與CAN 總線(xiàn)工具接口引腳定義一致。本文所選取的CAN 總線(xiàn)工具無(wú)內(nèi)置電阻，因此，在CAN_H 和CAN_L 線(xiàn)束引腳間需并聯(lián)12 Ω電阻。

表1 某總線(xiàn)工具的DB9接口引腳定義

總線(xiàn)工具自帶USB 接口，可與工控電腦連接，包括查詢(xún)?cè)囼?yàn)狀態(tài)和控制助力狀態(tài)。為實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制信號(hào)與EPS系統(tǒng)輸入、輸出信號(hào)數(shù)值的快速轉(zhuǎn)換，本文在工控電腦中導(dǎo)入EPS 系統(tǒng)控制器所涉及的CAN總線(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)（Database CAN，DBC）文件。

4 生成EPS系統(tǒng)輸入信號(hào)

為實(shí)現(xiàn)CAN/可變速率控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN with Flexible Data-rate,CAN FD）總線(xiàn)工具對(duì)EPS 系統(tǒng)的通信和控制，除連接硬件外，還需進(jìn)行軟件設(shè)置，主要設(shè)置參數(shù)及范圍如表2所示。

表2 硬件主要參數(shù)設(shè)置

CAN 總線(xiàn)工具與EPS 系統(tǒng)控制器正常連接后可通過(guò)總線(xiàn)工具軟件設(shè)置控制器的輸入信號(hào)（時(shí)域信號(hào)），輸入信號(hào)的具體變量見(jiàn)圖2。

總線(xiàn)工具通常具備同時(shí)接收和發(fā)送CAN 信號(hào)的功能，發(fā)送功能用于控制EPS系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)向助力，接收功能用于監(jiān)視EPS 系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以便在EPS系統(tǒng)工作異?；驘o(wú)法提供助力時(shí)及時(shí)暫停試驗(yàn)以確保試驗(yàn)安全。

5 有效性評(píng)估

本文通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩信號(hào)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)變驗(yàn)證試驗(yàn)方案的有效性，轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩信號(hào)通過(guò)總線(xiàn)工具獲取，應(yīng)變信號(hào)由外部應(yīng)變傳感器測(cè)量獲得。

如圖4 所示，某工況下未開(kāi)啟EPS 系統(tǒng)助力功能時(shí)，轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩（3.5 N·m）相對(duì)于開(kāi)啟助力功能時(shí)（2.0 N·m）偏大，說(shuō)明該試驗(yàn)方案下轉(zhuǎn)向助力在轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩評(píng)價(jià)方面滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

圖4 轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所受外部載荷由車(chē)輪通過(guò)轉(zhuǎn)向拉桿傳遞至轉(zhuǎn)向器，再經(jīng)轉(zhuǎn)向器傳遞至助力電機(jī)和轉(zhuǎn)向盤(pán)（或轉(zhuǎn)向管柱），如圖5a 所示，無(wú)EPS 系統(tǒng)助力和有EPS 系統(tǒng)助力條件下的轉(zhuǎn)向拉桿應(yīng)變相同，均為-150×10-6～150×10-6，因此，該試驗(yàn)方案不改變外部輸入載荷。如圖5b 所示，有EPS 系統(tǒng)助力比無(wú)EPS系統(tǒng)助力條件下轉(zhuǎn)向管柱的應(yīng)變小，因此，該試驗(yàn)方案下EPS 系統(tǒng)能產(chǎn)生有效助力，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及整車(chē)其他相關(guān)零部件在道路模擬試驗(yàn)環(huán)境下受力與整車(chē)實(shí)際行駛時(shí)一致。

圖5 某工況轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相關(guān)部件應(yīng)變

6 結(jié)束語(yǔ)

本文基于汽車(chē)通信原理和道路模擬臺(tái)架試驗(yàn)技術(shù)，在保證試驗(yàn)安全性的前提下開(kāi)啟EPS 系統(tǒng)助力，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)道路模擬臺(tái)架試驗(yàn)方案，并通過(guò)比較轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關(guān)鍵部位應(yīng)變驗(yàn)證了該方案的有效性。