李衛(wèi)兵，吳 瓊，彭憶強，冀樹德

（1.安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合 肥 230601；2.西華大學(xué)交通與汽車工程學(xué)院，四川 成 都 610039；3.中國北方發(fā)動機研究所，山西 大 同 037036）

隨著科技進步，整車電子控制系統(tǒng)數(shù)量和功能不斷增加，它們對發(fā)動機輸出扭矩響應(yīng)方式和控制精度要求越來越復(fù)雜。為了解決駕駛員與外界電子控制系統(tǒng)之間的扭矩需求協(xié)調(diào)，電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)（Electronic Throttle Control System，ETCS）逐步被采用［1－2］。ETCS采集駕駛員加速踏板信號，通過ECU計算進氣量，由直流電機控制發(fā)動機的扭矩輸出和速度響應(yīng)。由此可見，系統(tǒng)中各部件的故障對發(fā)動機安全運行和扭矩輸出有著重要作用。由于ETCS系統(tǒng)每個部件的故障狀態(tài)復(fù)雜，因此本研究提出一種嵌入式故障狀態(tài)矩陣的故障管理方法，從部件到系統(tǒng)層面上研究ETCS故障管理策略。

1 ETCS組成

ETCS系統(tǒng)構(gòu)成見圖1，它由2個加速踏板位置傳感器（PPS）、ECU、節(jié)氣門體、直流電機、2個節(jié)氣門位置傳感器（TPS）、剎車開關(guān)以及連接線束組成，各部件通過線束連接 ECU（見圖2）［3－4］。

當PPS1信號出現(xiàn)故障不能正確反映駕駛員的操作意圖時，如果此時TPS2信號也出現(xiàn)故障不能正確反映節(jié)氣門位置傳感器的狀態(tài)，那么就會導(dǎo)致直流電機不能正確控制節(jié)氣門動作，造成發(fā)動機輸出扭矩過大，出現(xiàn)車輛安全問題。

2 ETCS部件故障管理

2.1 電子節(jié)氣門故障模式

TPS采用冗余設(shè)計方式，如圖2所示，2個傳感器共用1個電源供電，傳感器信號完全反向，任何時候2個傳感器輸出電壓之和都與參考電壓一致。利用該特性對2個傳感器輸出電壓一致性進行相互校核和故障診斷。

TPS有2種故障模式：一種是與線路相關(guān)的斷路和短路故障，根據(jù)ISO 15031—6定義，當輸出電壓值低于或者高于正常電壓范圍出現(xiàn)斷路故障時，TPS1／TPS2 故 障 碼 分 別 為 P0122／P0222，P0123／P0223［5］；另一種故障模式為2個傳感器信號不一致，當TPS1和TPS2傳感器信號出現(xiàn)相關(guān)性故障時，故障碼為P2135。

用TPS＿Status定義TPS故障狀態(tài)。當TPS1診斷模塊發(fā)現(xiàn)故障碼為P0122，TPS1和TPS2沒有出現(xiàn)相關(guān)性故障，此時定義傳感器的故障狀態(tài)為TPS＿Status＝1。表1列出根據(jù)TPS不同故障可能組合得到的TPS故障狀態(tài)。

表1 TPS故障矩陣

節(jié)氣門體失效模式主要是直流電機和節(jié)氣門閥片回位出現(xiàn)故障。直流電機線路出現(xiàn)低電壓時報故障碼P2102，高電壓時報故障碼P2103，線路斷開時報故障碼P2100，直流電機驅(qū)動性能故障時報故障碼P2101；當出現(xiàn)節(jié)氣門閥片不回位時報故障碼P2119。通過表2計算得到節(jié)氣門故障狀態(tài)，將診斷結(jié)果存入變量Throttle＿Actuation＿Status中。當直流電機診斷模塊出現(xiàn)故障碼P2102，節(jié)氣門閥片沒 有 出 現(xiàn) 卡 滯 故 障 時，Throttle＿Actuation＿Status＝2，用該值表示這種狀態(tài)。

表2 節(jié)氣門體故障狀態(tài)矩陣

用變量Throttle＿Status表示電子節(jié)氣門故障狀態(tài)，表3為電子節(jié)氣門故障狀態(tài)計算矩陣。當電子節(jié)氣門沒有任何故障時，Throttle＿Status＝2；當2個節(jié)氣門位置傳感器有1個失效不能安全可靠地判定位置時，Throttle＿Status＝1；當2個傳感器都出現(xiàn)了故障或者執(zhí)行系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，電子節(jié)氣門系統(tǒng)失效，Throttle＿Status＝0。

表3 電子節(jié)氣門故障狀態(tài)矩陣

2.2 加速踏板失效模式

為了保證安全，PPS電路采用冗余設(shè)計方式，2路傳感器獨立工作，采用不同的參考電源，輸出電壓完全反向。將電子油門踏板的故障模式分為兩類：一種是與連接線路相關(guān)的故障，PPS1／PPS2斷路報 P2122／P2127，短路報 P2123／P2128，用變量PPS＿Range表示PPS線路故障狀態(tài)（見表4）；另一種是與傳感器輸出特性一致性相關(guān)故障，當出現(xiàn)傳感器信號一致性故障時報P2138，此時變量PPS＿Correlation＝1，否則為0。

表4 加速踏板位置傳感器線路故障狀態(tài)矩陣

用變量PPS＿Status表示電子油門踏板故障狀態(tài)。當2個傳感器都出現(xiàn)故障時，電子油門踏板信號完全失效，PPS＿Status＝0；當有1個傳感器出現(xiàn)故障時，但不能完全可靠地給ECU傳達駕駛性操作意圖，此時性能受到限制，PPS＿Status＝1；沒有故障時PPS＿Status＝2。表5為油門踏板的故障狀態(tài)矩陣。

表5 油門踏板故障狀態(tài)矩陣

2.3 輔助部件故障失效模式

制動信號也反映駕駛員的操作意圖，ECU需要接收制動踏板的制動信號，對車輛進行安全控制。車速信號涉及到車輛安全，在ETCS系統(tǒng)安全設(shè)計時要對車速信號進行安全性診斷。用變量Support＿Status表示這些輔助部件狀態(tài)。

沒任何故障時，Support＿Status＝0；當制動開關(guān)出現(xiàn)故障時，Support＿Status＝1；當車速傳感器出現(xiàn)故障時，Support＿Status＝2；制動開關(guān)和車速傳感器都出現(xiàn)故障時，Support＿Status＝3。

進氣壓力傳感器作為動力輸出控制系統(tǒng)的一個重要部件，它的故障狀態(tài)對發(fā)動機的動力輸出有重要的影響。動力系統(tǒng)的故障狀態(tài)需要綜合考慮該傳感器的故障狀態(tài)，ECU對進氣壓力傳感器故障狀態(tài)進行診斷，當出現(xiàn)故障時報P0068。

3 ETCS故障管理策略模型

將ETCS分為2個功能相關(guān)的子系統(tǒng)，一個是與駕駛員操作意圖相關(guān)的子系統(tǒng)，另一個為發(fā)動機動力輸出控制子系統(tǒng)。建立ETCS的故障管理策略模型，從系統(tǒng)層面上確定各部件失效對整車安全行駛的影響及其應(yīng)對處理措施。

用變量Driver＿Status表示系統(tǒng)的故障狀態(tài)。當子系統(tǒng)沒有任何故障時，Driver＿Status＝2；當不能準確判斷駕駛性操作時需要限制發(fā)動機性能時，Driver＿Status＝1，該狀態(tài)下發(fā)動機的最大性能被限制，發(fā)動機響應(yīng)變慢，當踩制動踏板時發(fā)動機強制進入怠速；當完全丟失油門踏板的操作意圖，發(fā)動機強制進入怠速控制模式時，Driver＿Status＝0。表6為駕駛員操作意圖子系統(tǒng)故障狀態(tài)計算矩陣。

表6 駕駛員操作意圖子系統(tǒng)故障狀態(tài)矩陣

用變量Power＿Control＿Status表示動力控制子系統(tǒng)狀態(tài)。當動力控制系統(tǒng)沒有任何故障時，Power＿Control＿Status＝2；當失去了對節(jié)氣門的控制能力時，節(jié)氣門只能回到初始位置，只能通過供油、點火和滅缸方式控制發(fā)動機的動力輸出，此時進入動力管理模式，Power＿Control＿Status＝1；當ECU內(nèi)部系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)不能控制發(fā)動機動力輸出，需要強制發(fā)動機熄火，Power＿Control＿Status＝0。

表7 動力控制子系統(tǒng)狀態(tài)矩陣

用變量ETCS＿Status表示電子節(jié)氣門系統(tǒng)故障狀態(tài)，表8定義了如何通過駕駛員操作意圖子系統(tǒng)和動力控制子系統(tǒng)計算ETCS系統(tǒng)工作狀態(tài)。

表8 電子節(jié)氣門系統(tǒng)故障狀態(tài)矩陣

1）當ECU出現(xiàn)非常嚴重內(nèi)部程序問題，或者節(jié)氣門體不能控制進氣、燃油，點火和進氣控制能力喪失，發(fā)動機不能產(chǎn)生任何動力。此時必須進入強制熄火模式，報故障碼P2105，ETCS＿Status＝0。

2）當節(jié)氣門位置傳感器發(fā)生故障，ETC系統(tǒng)不能通過節(jié)氣門控制動力輸出，節(jié)氣門也不能可靠地回到缺省位置。怠速轉(zhuǎn)速控制主要靠點火、改變?nèi)加土亢蜏绺椎姆椒?，這個時候進入怠速主要通過加速踏板的位置去辨識，系統(tǒng)處于功率輸出管理模式，報故障碼P2104，ETCS＿Status＝1。

3）當不能可靠地識別駕駛員意圖時，只能讓發(fā)動機進入怠速模式，這個時候車輛只能實現(xiàn)加熱、冷卻、電氣和燈光等功能，但是不能行駛。由于此時也是強制進入怠速，但是不能對外輸出功率，所以也報出故障碼P2104，ETCS＿Status＝2。

4）當不能通過節(jié)氣門控制發(fā)動機動力輸出時，發(fā)動機動力只能通過改變?nèi)加土亢忘c火方式確定，此時節(jié)氣門在缺省位置處，車輛可以緩慢行駛，但不能夠正常加速和爬坡等。該模式下限制性能和功率輸出，報故障碼P2106，ETCS＿Status＝3。

5）當加速踏板冗余傳感器信號丟失時，駕駛員的操作意圖被限制，所以發(fā)動機的動力輸出被限制，發(fā)動機隨加速踏板的響應(yīng)也減慢，踩制動踏板就進入了怠速，此時也報故障碼P2106，ETCS＿Status＝4。

6）沒有故障時，ETCS＿Status＝5。

4 ETCS故障管理策略建模

4.1 嵌入式故障狀態(tài)矩陣

由于每個部件的故障狀態(tài)是有限的，部件與部件之間的故障狀態(tài)可以通過排列組合方式進行計算得到，這種排列和組合可以通過矩陣方式進行表示。

嵌入式故障矩陣定義：故障矩陣A（x，y）的行x是通過故障矩陣B（i，j）計算得到，列是通過故障狀態(tài)C矩陣計算得到，而B矩陣和C矩陣中的行和列也分別是通過其他的矩陣計算得到或者是通過部件的故障狀態(tài)得到，由此可見B矩陣和C矩陣是嵌入在A矩陣內(nèi)部。

由圖3示意可知，B（2，2）＝3，C（2，3）＝1，計算得到A（1，3）＝4，最后系統(tǒng)的故障狀態(tài)為4。通過嵌入式矩陣表達部件、子系統(tǒng)和系統(tǒng)的故障狀態(tài)，便于從部件到系統(tǒng)狀態(tài)推理、查找與計算。

4.2 故障管理策略建模

利用Matlab／Simulink軟件建立ETCS故障管理策略模型（見圖4）。用sensor and actuator singal processing模塊處理來自電子油門踏板、電子節(jié)氣門等傳感器原始信號并進行故障診斷，將各傳感器的故障狀態(tài)傳遞給Driver＿Status和Power＿Control＿Status 2個模塊。根據(jù)前文描述部件、子系統(tǒng)和系統(tǒng)的故障，查表計算當前的故障狀態(tài)。

5 ETCS模型在環(huán)仿真與驗證

為了驗證上述模型的正確性和可行性，利用MACS565快速原型系統(tǒng)（見圖5）進行在環(huán)仿真和模型驗證。

Matlab／Simulink開發(fā)環(huán)境用于建立模型，通過RTW技術(shù)自動將模型轉(zhuǎn)化成可以在MACS565上運行的.rpc執(zhí)行文件。Winspecs監(jiān)控軟件將自動生產(chǎn)的rpc文件寫入到主控制器中，并對主控制器的RAM和FLASH進行相關(guān)管理。車輛模擬器（VS－VVT）能夠提供汽車發(fā)動機電控系統(tǒng)常用的各種傳感器信號，它能模擬各種模擬量、數(shù)字量，且符合各種傳感器的電壓輸出范圍和變化規(guī)律，ECU輸出信號可以在上面得到實時的反映。車輛模擬器可以對這些輸入信號進行通、斷和一致性設(shè)置。

利用上述系統(tǒng)將模型寫入控制器中，通過汽車模擬器模擬實際電子節(jié)氣門系統(tǒng)的部分故障狀態(tài)，驗證模型的正確性，結(jié)果見圖6至圖8。

圖6示出電子油門踏板故障驗證結(jié)果。利用車輛模擬器對PPS1傳感器進行斷路時，報出故障碼P2122，PPS＿Range＝1，PPS＿Status＝1，駕駛員需求子系統(tǒng)故障狀態(tài)Driver＿Status＝1，進入限制性能模式，報故障碼P2106。然后對PPS2傳感器進行斷路，報出故障碼P2122，P2127，駕駛員需求子系統(tǒng)故障狀態(tài)Driver＿Status＝0，發(fā)動機進入強制怠速，報出故障碼P2104。驗證結(jié)果與模型一致，符合ISO 15031標準要求。

圖7示出節(jié)氣門位置傳感器故障模型驗證結(jié)果。對兩路節(jié)氣門信號逐一進行斷路，系統(tǒng)立刻進入了強制怠速模式，節(jié)氣門開度保持默認值，不再響應(yīng)駕駛性的操作。

圖8示出直流電機故障模型驗證結(jié)果，對直流驅(qū)動線路進行斷路試驗，系統(tǒng)立刻進入強制怠速模式，節(jié)氣門開度保持默認值，不再響應(yīng)駕駛性的操作。

6 結(jié)束語

由于電子節(jié)氣門系統(tǒng)的安全性能直接關(guān)系到整車安全性，所以針對電子節(jié)氣門系統(tǒng)各部件的故障管理策略進行研究，確保整車系統(tǒng)的安全。首先對電子油門踏板、電子節(jié)氣門等部件的失效模式進行分析，根據(jù)各子系統(tǒng)的故障狀態(tài)矩陣計算得到子系統(tǒng)的故障狀態(tài)，最后確定電子節(jié)氣門系統(tǒng)的故障狀態(tài)及ISO 15031—6定義的故障碼。

通過Matlab／Simlink軟件建立故障管理模型，利用快速原型開發(fā)工具進行模型驗證，結(jié)果證明，由車輛模擬器注入故障后，故障管理模型能夠正確報出故障碼。

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［2］ 陶國良，郭 連.電子節(jié)氣門技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢［J］.車用發(fā)動機，2003（4）：1－5.

［3］ 崔 如.汽油機電子節(jié)氣門控制技術(shù)的研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2009.

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