EPS系統(tǒng)功能安全測(cè)試方法

高樂(lè) 劉秋錚 陳慧

（1.同濟(jì)大學(xué) 上海市 200092 2.中國(guó)第一汽車股份有限公司研發(fā)總院 吉林省長(zhǎng)春市 130011）

近年來(lái)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（EPS）系統(tǒng)由于諸多優(yōu)勢(shì)已占據(jù)市場(chǎng)主流。EPS 系統(tǒng)作為底盤安全電控件，是首批引入ISO26262 功能安全標(biāo)準(zhǔn)的零部件，其安全機(jī)制設(shè)計(jì)是重中之重。針對(duì)每一條安全目標(biāo)和安全機(jī)制設(shè)計(jì)，必須提出合理的測(cè)試驗(yàn)證方法，才能確保功能安全開發(fā)切實(shí)有效。

本研究的目的是，以功能安全設(shè)計(jì)中可控性指標(biāo)為基礎(chǔ)，提出量化測(cè)試指標(biāo)，并設(shè)計(jì)硬件在環(huán)仿真測(cè)試設(shè)備，形成一套驗(yàn)證EPS功能安全設(shè)計(jì)的測(cè)試方法。對(duì)某EPS 系統(tǒng)執(zhí)行測(cè)試，驗(yàn)證其安全設(shè)計(jì)的正確性和合理性。

1 EPS功能安全指標(biāo)設(shè)計(jì)

1.1 安全目標(biāo)和安全機(jī)制設(shè)計(jì)

功能安全設(shè)計(jì)的本質(zhì)是一套在功能安全標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)下的正向開發(fā)流程。在系統(tǒng)功能需求和邊界確定后，需要分析系統(tǒng)可能存在的風(fēng)險(xiǎn)和潛在后果，并對(duì)其分類，導(dǎo)出每條功能需求所應(yīng)具備的安全性要求，即安全目標(biāo)。

以某A 級(jí)乘用車無(wú)刷電機(jī)EPS 系統(tǒng)為研究對(duì)象，進(jìn)行功能安全分析。得出的安全目標(biāo)（部分）見表1。

以安全目標(biāo)為基礎(chǔ)，該EPS系統(tǒng)的安全機(jī)制設(shè)計(jì)包括但不限于：

（1）扭矩傳感器信號(hào)監(jiān)測(cè)：對(duì)冗余的兩路扭矩傳感器信號(hào)進(jìn)行校驗(yàn)和比對(duì)，當(dāng)信號(hào)不可信時(shí)及時(shí)報(bào)錯(cuò)并關(guān)閉助力，防止非預(yù)期的扭矩輸出。

（2）扭矩輸出限值：根據(jù)車速，對(duì)EPS 輸出力矩進(jìn)行上限限值，防止輸出超出預(yù)期的扭矩。

（3）電機(jī)相電流監(jiān)測(cè)：通過(guò)監(jiān)測(cè)電機(jī)相電流，判斷電機(jī)和驅(qū)動(dòng)橋工作是否正常，在發(fā)生異常時(shí)迅速切斷驅(qū)動(dòng)，阻止非預(yù)期的扭矩輸出。

2 測(cè)試環(huán)境和工況設(shè)計(jì)

圖1：仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2：負(fù)載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3：EPS 控制器HIL 測(cè)試系統(tǒng)

圖4：原地轉(zhuǎn)向試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2.1 測(cè)試環(huán)境搭建

為盡量真實(shí)模擬實(shí)車中EPS 系統(tǒng)的工作環(huán)境，系統(tǒng)采用負(fù)載電機(jī)對(duì)拖助力電機(jī)的方案。測(cè)試系統(tǒng)利用臺(tái)架來(lái)固定助力電機(jī)和控制器，配備扭矩和電流傳感器測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出和相電流。此外，系統(tǒng)還考慮了對(duì)不同EPS 系統(tǒng)的適配能力。

整套仿真系統(tǒng)基于IPG Carmaker 實(shí)時(shí)仿真性系統(tǒng)搭建，包括車輛動(dòng)力學(xué)模型、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型、測(cè)試主控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和生成辦卡、負(fù)載等幾部分。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

系統(tǒng)選用一套SEW 公司CMP63L 電機(jī)，其最大工作轉(zhuǎn)矩7.1Nm，轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)速4500rpm。扭矩傳感器測(cè)量范圍±20Nm，精度0.1% FS。扭矩傳感器兩側(cè)采用旋緊式彈性聯(lián)軸器與助力電機(jī)和負(fù)載電機(jī)相連。采用L 型臺(tái)加導(dǎo)軌和電機(jī)彈性連軸器的方式固定EPS 助力電機(jī)，電機(jī)輸出軸通過(guò)彈性聯(lián)軸器與扭矩傳感器相連。系統(tǒng)選用一組3 個(gè)非接觸式電流傳感器，測(cè)量范圍±300A，精度達(dá)到±1%。

系統(tǒng)的硬件負(fù)載結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

為驗(yàn)證上述測(cè)試環(huán)境搭建的合理性，與被測(cè)EPS 系統(tǒng)接口匹配，利用該系統(tǒng)測(cè)試EPS 控制系統(tǒng)樣件，設(shè)置典型操穩(wěn)工況進(jìn)行閉環(huán)測(cè)試，并與實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。測(cè)試環(huán)境如圖3 所示。

參照GB/T 6323 要求，設(shè)計(jì)了原地轉(zhuǎn)向試驗(yàn)，穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)，中心區(qū)操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)等。以原地轉(zhuǎn)向試驗(yàn)為例,最大轉(zhuǎn)向盤力矩,仿真結(jié)果為左側(cè)3.08Nm，右側(cè)2.94Nm；實(shí)測(cè)結(jié)果為左側(cè)3.02Nm，右側(cè)2.85Nm，仿真的整體結(jié)果與實(shí)際一致。部分仿真結(jié)果與實(shí)車對(duì)比，見圖4。

為驗(yàn)證控制器故障注入和數(shù)據(jù)同步能力，測(cè)試了各通道的故障注入能力。以生效較慢的電機(jī)相線故障注入為例，從內(nèi)部關(guān)斷到檢測(cè)到電流變化的時(shí)間不超過(guò)20ms，電流測(cè)量的時(shí)間分辨率1ms，ECU 內(nèi)部參數(shù)測(cè)量的時(shí)間分辨率10ms。仿真結(jié)果證實(shí)故障注入點(diǎn)和電流采樣的時(shí)間可以通過(guò)內(nèi)部參數(shù)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，誤差不超過(guò)1ms。

根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果，仿真數(shù)據(jù)接近實(shí)車性能，且系統(tǒng)具備仿真故障注入能力，滿足功能安全測(cè)試環(huán)境的要求。

2.2 測(cè)試工況設(shè)計(jì)

基于搭載該EPS 系統(tǒng)的某A 級(jí)轎車參數(shù)仿真，車輛沿直線段寬3.5m 單車道中心線行駛，兩側(cè)各有2m 路肩，道路采用典型均勻?yàn)r青路面（u=0.85），坡度=0。

采用普通駕駛員模型，橫向接受的Ay 最大值為0.5g；初始保持轉(zhuǎn)向盤力矩為0 并加速至試驗(yàn)車速，保持勻速后等待5s 至故障發(fā)生；駕駛員反應(yīng)時(shí)間0.5s，即故障持續(xù)0.5s 之后啟用閉環(huán)角度控制，由駕駛員模型接管車輛。

針對(duì)已知的安全機(jī)制，選取的故障工況包括：

（1）扭矩傳感器T1開路故障；

（2）電機(jī)U 相電流（控制器側(cè)）對(duì)地短路。

通過(guò)觀察故障工況下整車可控性指標(biāo)，進(jìn)而驗(yàn)證系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)是否滿足目標(biāo)。

2.2.1 可控性指標(biāo)

根據(jù)Neukum. A 等人的研究，對(duì)EPS 系統(tǒng)故障導(dǎo)致的突發(fā)轉(zhuǎn)矩，可控性指標(biāo)與該擾動(dòng)造成的整車最大橫擺角速度存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，后者可以衡量故障工況下的車輛可控性[5]。何杰等人的研究提出了以上述可控性指標(biāo)對(duì)應(yīng)的最大橫擺角速度為閾值，仿真計(jì)算得到最大響應(yīng)時(shí)間的方法，且該方法對(duì)不同EPS 系統(tǒng)和車輛具有普遍意義[3]。

主觀可控性指標(biāo)可轉(zhuǎn)化為最大橫擺角速度和側(cè)向加速度指標(biāo)?；谏鲜鲅芯?，選取60km/h、90km/h 和120km/h 為典型車速，根據(jù)對(duì)一般駕駛員對(duì)車輛的控制能力研究，得到對(duì)應(yīng)車速下的最大可控橫擺角速度，并計(jì)算車輛側(cè)向加速度變化。

2.2.2 響應(yīng)時(shí)間指標(biāo)

從注入故障到系統(tǒng)響應(yīng)故障并關(guān)斷助力，所允許的最長(zhǎng)時(shí)間作為響應(yīng)指標(biāo)。根據(jù)可控性要求，對(duì)車輛注入非預(yù)期的EPS 轉(zhuǎn)矩，測(cè)量導(dǎo)致車輛達(dá)到最大可控橫擺角的時(shí)間，以此作為響應(yīng)時(shí)間。

2.2.3 車輛軌跡

車輛在故障注入到最終穩(wěn)定的整個(gè)過(guò)程中，不應(yīng)超出路肩邊緣，故障處理結(jié)束后應(yīng)能正?；氐叫旭偮肪€。根據(jù)ISO11270 對(duì)EPS 系統(tǒng)車道保持功能力矩疊加的要求，對(duì)非預(yù)期的力矩注入導(dǎo)致的車道偏移不應(yīng)超過(guò)0.4m，參考此要求設(shè)定側(cè)向位移限值。

根據(jù)上述計(jì)算得到的測(cè)試指標(biāo)見表2。

3 測(cè)試驗(yàn)證

3.1 測(cè)試結(jié)果

3.1.1 扭矩傳感器故障注入

通過(guò)測(cè)量控制器中間標(biāo)志位硬件輸出可知，系統(tǒng)檢測(cè)到故障時(shí)間<10ms，實(shí)際電流關(guān)斷時(shí)間<6ms。各車速下達(dá)到的最大側(cè)向加速度和響應(yīng)時(shí)間見表3。

各車速下表現(xiàn)較為統(tǒng)一，期間整車最大側(cè)向加速度小于0.3m/s2，未出現(xiàn)明顯車輛側(cè)向位移（<0.1m），0.5s 后駕駛員成功控制車輛回到道路中心線。

3.1.2 電機(jī)電流故障注入

U 相對(duì)地短路故障工況，系統(tǒng)關(guān)斷電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)際時(shí)間約25ms。各車速下達(dá)到的最大側(cè)向加速度和響應(yīng)時(shí)間見表4。

車輛有類似階躍的方向盤轉(zhuǎn)矩輸入，但未超出車道限制，0.5s后駕駛員成功接管車輛回到中心線。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)設(shè)計(jì)的兩種故障注入工況，系統(tǒng)均未超出可控性指標(biāo)導(dǎo)出的側(cè)向加速度、響應(yīng)時(shí)間和側(cè)向位移指標(biāo)要求。因此，針對(duì)上述被測(cè)安全機(jī)制，該系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)滿足系統(tǒng)功能安全目標(biāo)要求。

4 結(jié)論

上述測(cè)試驗(yàn)證了該EPS 系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。其中：

（1）設(shè)置車輛最大側(cè)向加速度、響應(yīng)時(shí)間和車輛軌跡三層可控性指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一致性，表明該測(cè)試指標(biāo)設(shè)計(jì)是合理的。測(cè)試結(jié)果證明測(cè)試系統(tǒng)的故障注入、數(shù)據(jù)同步和觀測(cè)能力均滿足該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求。

（2）對(duì)可能影響響應(yīng)時(shí)間和整車表現(xiàn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)通過(guò)整車仿真進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)是有效的，上述設(shè)計(jì)的效果通過(guò)降低故障導(dǎo)致的整車側(cè)向加速度和保持整車軌跡有所體現(xiàn)。因此該測(cè)試方法從整車角度驗(yàn)證了EPS 系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)的有效性和合理性。

表1：某EPS 系統(tǒng)功能安全目標(biāo)

表3：不同車速下扭矩傳感器故障的側(cè)向加速度和響應(yīng)時(shí)間

表4：不同車速下電機(jī)故障導(dǎo)致的側(cè)向加速度

綜上，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的分析可知，該測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試方法可以有效針對(duì)側(cè)向加速度和響應(yīng)時(shí)間指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)測(cè)試，測(cè)試的數(shù)據(jù)和時(shí)間精度均滿足測(cè)試目標(biāo)的要求。