劉 波

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 咸陽 712000）

引言

隨著汽車電控系統(tǒng)的發(fā)展，目前汽車上主要采用電子加速踏板，汽車電子加速踏板使用傳感器采集當(dāng)前踏板位置信號，經(jīng)電控單元ECU處理后，有效地控制噴油器的開啟、關(guān)閉時間來確定噴油量[1]。為了保證加速踏板持續(xù)穩(wěn)定的工作，加速踏板一般采取冗余電位器類型，冗余電位器踏板上有兩個獨立的位移傳感器，將踏板位置信號轉(zhuǎn)變成電壓模擬信號。根據(jù)當(dāng)前踏板位置的變化，相應(yīng)的輸出端電阻值發(fā)生變化，從而引起輸出的電壓信號發(fā)生變化，因此通過測試輸出電壓即可得出當(dāng)前的踏板位置。但是電子加速踏板一旦出現(xiàn)故障，將對駕駛員以及他人人身安全造成極大的危害[2]。為了提高駕駛安全性，必須對加速踏板故障進行相應(yīng)的檢測診斷，通過故障診斷，故障鑒定，故障處理和信號選取等故障診斷控制策略以保證在發(fā)動機加速過程中，診斷出故障并且能進行相應(yīng)的處理以及替代值輸出，有效保障發(fā)動機在故障情況下繼續(xù)運行。但是由于目前大多數(shù)加速踏板在出現(xiàn)故障時將踏板的電壓輸出值定為0，在故障恢復(fù)的過程中又直接恢復(fù)到當(dāng)前踏板輸入量，這樣的輸出會導(dǎo)致發(fā)動機轉(zhuǎn)速急速上升，影響駕駛安全性。在本文中，采用斜坡函數(shù)處理方式，使加速踏板值由0恢復(fù)到當(dāng)前值的時候以一定的斜率上升，避免了發(fā)動機轉(zhuǎn)速的急速上升，有利于保證駕駛安全性。因此此加速踏板故障診斷策略不但保障在故障情況下發(fā)動機能繼續(xù)運行，并且能保障行駛安全性。

1 電子加速踏板簡介

圖1為冗余電位器加速踏板傳感器特性線。汽車電子加速踏板主要分為兩類：單電位器型和冗余電位器型（雙電位器型）。單電位器加速踏板一旦發(fā)生故障將不能運行，冗余電位器加速踏板由于采用兩個傳感器，一旦一個傳感器發(fā)生故障，另一個傳感器進行接替，有效保障加速踏板正常工作?；诩铀偬ぐ宄掷m(xù)運行的考慮，采用冗余電位器型加速踏板。冗余電位器加速踏板傳感器由5 V電源供電，在相同的踏板位置下，傳感器APP1的輸出電壓大約是傳感器APP2輸出電壓的2倍[3]。經(jīng)反復(fù)測量，傳感器APP1在踏板空載位置輸出電壓為0.75 V，在滿載位置輸出電壓為4.5 V；傳感器APP2在空載位置輸出電壓為0.375 V，在滿載位置輸出電壓為2.25 V。

圖1 冗余電位器的加速踏板傳感器特性線

2 信號診斷過程

圖2為診斷過程模型。典型的加速踏板信號診斷過程包括故障診斷，故障鑒定，故障處理、信號選取。故障診斷是對信號范圍和信號關(guān)聯(lián)性進行檢測，故障鑒定就是對信號的性質(zhì)進行判定，判定是否為偶發(fā)還是最終故障，然后進行信號處理和信號選取，對于不同類型和不同性質(zhì)的信號故障進行相應(yīng)的信號選取，信號選取是針對信號范圍檢測和關(guān)聯(lián)性檢測中信號為偶發(fā)故障還是最終故障進行相應(yīng)替代值輸出。

圖2 典型的信號診斷過程

3 信號范圍檢測和關(guān)聯(lián)性檢測

3.1 信號范圍檢測

圖3為信號范圍檢測控制模型示意圖。初始信號通過模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換為ECU可以識別的數(shù)字信息。由于踏板部件的老化易造成電路的短路和斷路，電路短路造成發(fā)動機不斷增大噴油量，轉(zhuǎn)速一直增加，造成安全隱患；電路斷路造成發(fā)動機行駛過程中熄火，影響駕駛安全性。進行傳感器信號范圍的診斷，用于判斷傳感器信號回路的短路、斷路等極端情況。

圖3 范圍檢測控制模型示意圖

圖4 為信號范圍檢測MATLAB程序圖，當(dāng)檢測到信號1輸入電壓值大于4.5 V或小于0.75 V或信號2電壓輸入值大于2.25 V或小于0.375 V時就可判斷油門發(fā)生范圍檢測故障，輸出標(biāo)志1，隨即樹立為偶發(fā)故障，當(dāng)故障消失時輸出標(biāo)志0。

圖4 范圍檢測MATLAB程序圖

3.2 關(guān)聯(lián)性檢測

圖5 為關(guān)聯(lián)性檢測控制模型示意圖。采用雙電位器加速踏板是保證當(dāng)一路信號出現(xiàn)故障時，采用另一路信號以保證發(fā)動機能安全地運行，信號1電壓值一般為信號2電壓值的兩倍。兩路電壓值經(jīng)過信號范圍檢測之后，如果信號沒有范圍缺陷，如果兩路信號出現(xiàn)不一致的情況時，發(fā)動機對踏板信號的采集就會出現(xiàn)錯亂，極易造成噴油紊亂，造成發(fā)動機轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，因此必須兩信號進行關(guān)聯(lián)性診斷。關(guān)聯(lián)性診斷如公式（1）所示。

式中：u1是信號1電壓值，u2是信號2電壓值，u是u1和u2的和，U為5 V。

圖5 關(guān)聯(lián)性檢測控制模型示意圖

由于公式（1）計算得出此值在0.021 5之間小范圍浮動，因此設(shè)定絕對差為0.022 V。圖6為關(guān)聯(lián)性檢測MATLAB程序圖。當(dāng)信號1輸入值減去信號2電壓值的2倍大于絕對誤差0.022時，則認為此時兩路電位器的關(guān)聯(lián)性出現(xiàn)問題，選擇標(biāo)志1，輸出電壓值為0 V，當(dāng)信號恢復(fù)正常后，選擇標(biāo)志位0，選擇兩信號中正常范圍的電壓輸出。

4 故障鑒定

圖7為時間預(yù)消抖檢測控制模型。與每一環(huán)節(jié)故障診斷相對應(yīng)的都有故障鑒定，故障鑒定就是確定信號是偶發(fā)故障還是最終故障[4]。對于發(fā)動機機電控系統(tǒng)在運行過程中，由于電磁干擾，可能會出現(xiàn)偶發(fā)性故障。偶發(fā)性故障只需采用上一循環(huán)的值，比如ECU檢測到加速踏板傳感器一個超限信號，在此后相當(dāng)長的時間內(nèi)該信號都正常，就屬于偶發(fā)性故障。要對檢測出的不正常信號采用一定的故障消抖（debouncing）方法進行處理：消抖法一般有時間消抖法和事件消抖法。時間消抖法是通過啟用定時器來實現(xiàn)的，當(dāng)錯誤信號出現(xiàn)時，定時器開始定時累加，時間的累加超過一定的閾值時，偶發(fā)故障確定為最終故障。對于最終故障要進行相應(yīng)的缺省值代替，以保證發(fā)動機安全運行，時間預(yù)消抖檢測控制模型如圖7所示。

圖6 關(guān)聯(lián)性檢測MATLAB程序圖

圖7 時間預(yù)消抖檢測控制模型

圖8 時間消抖StateFlow程序圖

圖8 為時間消抖StateFlow圖。當(dāng)偶發(fā)故障輸入為0時，時間消抖輸出為0，偶發(fā)故障輸入為1時，時間消抖輸出為0，隨后對故障進行計時加，當(dāng)累加0.1s后，偶發(fā)輸入為0，此時時間消抖輸出為0，認為故障修復(fù)。如果偶發(fā)輸入還是1，此時時間消抖輸出為1，確定為最終故障。

5 故障處理和信號選取

圖9為故障處理和信號選取模型示意圖。加速踏板出現(xiàn)故障主要完成兩種處理方式：一是生成故障標(biāo)志位，點亮故障燈和生成故障代碼，提醒駕駛員維修。二是根據(jù)故障程度，進行相應(yīng)的故障處理，將故障的類型進一步分類，對各分類信號做出相應(yīng)的替代值輸出。南京航空航天大學(xué)汪東坪等、上海交通大學(xué)梁鋒博士等、上海海能汽車電子公司祝軻卿博士等，都在故障處理和信號選取中有效地使用替代值，保證加速踏板故障時能繼續(xù)行駛，但在信號故障恢復(fù)處理中直接使故障信號恢復(fù)到當(dāng)前信號，這一處理方式易造成發(fā)動機轉(zhuǎn)速突變，影響行駛安全性[5-7]?；谛旭偘踩缘目紤]，采用斜坡函數(shù)保持故障信號以一定的斜率上升達到當(dāng)前信號值，保證發(fā)動機不會出現(xiàn)轉(zhuǎn)速突變。采用故障處理和信號選取模塊，以保證油門踏板出現(xiàn)故障時，車輛能安全地完成行駛。對經(jīng)過檢測的信號再進一步進行PT1濾波處理，防止信號不穩(wěn)定造成噴油量不斷變化，影響行駛安全性。

斜坡函數(shù)處理模塊：在故障恢復(fù)過程中，為防止發(fā)動機出現(xiàn)轉(zhuǎn)速急速上升，采用斜坡函數(shù)使加速踏板電壓值由0以一定斜率逐漸達到當(dāng)前值，斜坡函數(shù)公式如下：

圖9 故障處理和信號選取控制模型示意圖

圖10 為故障處理和信號選取MATLAB程序圖。如果出現(xiàn)兩個信號不在正常范圍的最終故障時，將踏板輸出信號置為0；當(dāng)故障消失時，加速踏板使用當(dāng)前信號值。如果出現(xiàn)合理性故障時，及時將踏板值置為0，然后輸出兩個電壓值中在正常范圍的電壓值。

圖10 故障信號處理及缺省輸出MATLAB程序圖

6 仿真測試

6.1 測試項目

為了確定整個控制過程的可靠性，對整個控制過程進行仿真測試，根據(jù)控制流程，設(shè)定以下測試項目：范圍檢測、關(guān)聯(lián)性檢測、預(yù)消抖、故障信號處理及缺省值輸出模型。

6.2 建立測試模型

圖11為建立的仿真測試控制模型示意圖。其中信號1電壓值是信號2電壓值輸入的兩倍左右，輸入信號經(jīng)范圍檢測、關(guān)聯(lián)性檢測、預(yù)消抖、故障處理及缺省值輸出。

圖11 仿真控制模型示意圖

6.3 測試結(jié)果分析

利用MATLAB/Simulink及StateFlow工具編寫了策略框圖[8]，然后通過Targetlink自動代碼生成工具將Simulink模型生成C代碼，并集成到云南省內(nèi)燃機重點實驗室自主開發(fā)的ECU中，構(gòu)成控制原型系統(tǒng)。通過信號發(fā)生器模擬設(shè)定的踏板位置電壓信號，用作控制系統(tǒng)的輸入。

圖12為兩個信號輸入電壓值均超出范圍測試結(jié)果。由圖分析可知，APP1和APP2在整個測試過程中信號從0.18 s開始超出最大上限電壓值，并且這一故障一直持續(xù)超過一定時間，因此被確定為最終故障，此時將加速踏板值置為0。從0.38 s開始故障修復(fù)，采用斜坡函數(shù)使加速踏板值以一定的斜率恢復(fù)到當(dāng)前值。在0.83 s以及在1.48s時故障再次出現(xiàn)并被確定為最終故障，信號再次以同樣的方式輸出。

圖12 超出范圍故障仿真測試

圖13為兩個輸入信號電壓值關(guān)聯(lián)性故障測試結(jié)果。由圖分析可知，APP1在整個周期內(nèi)信號范圍檢測正常；APP2在第0.3 s信號范圍出現(xiàn)偶發(fā)故障，第0.4 s經(jīng)預(yù)消抖確定為最終故障，且將一直保持故障狀態(tài)。在0～0.08 s之間，APP1正常，APP2正常，且APP1的電壓值與2倍的APP2電壓值差值的絕對值不大于0.022 V，因此輸出傳感器APP1信號；在0.08～0.3 s之間，APP1正常，APP2正常，但APP1的電壓值與2倍的APP2電壓值差值的絕對值大于0.022 V，出現(xiàn)關(guān)聯(lián)性故障，因此輸出電壓值為0；從0.4 s開始，傳感器APP2故障，APP1正常，因此輸出APP1的電壓值，直到測試完成。驗證了控制策略，測試了冗余電位器加速踏板的實際工作狀態(tài)，證實了該控制策略的可行性和可靠性。

圖13 關(guān)聯(lián)性故障仿真測試

7 結(jié)論

基于冗余電位器加速踏板工作原理，建立了加速踏板的MATLAB/simulink及Stateflow的控制策略模型，并通過建模仿真對整個過程進行了測試，結(jié)果表明：

1）通過信號范圍檢測和關(guān)聯(lián)性兩級檢測，可以檢測出實際中絕大部分的故障，采用斜坡函數(shù)的處理故障，成功地解決了發(fā)動機轉(zhuǎn)速突變的問題。

2）通過時間預(yù)消抖的方式，能準(zhǔn)確地檢測出偶發(fā)故障和最終故障，避免了偶發(fā)故障出現(xiàn)時的不必要檢測，降低了維修的成本。

3）在加速踏板信號出現(xiàn)故障的過程中，針對于偶發(fā)故障和最終故障提供了相應(yīng)的缺省值替代，確保發(fā)動機在加速踏板發(fā)生故障的情況下，重復(fù)發(fā)動機和車輛的安全運行。

1 Yuan Xiaofang，Wang Yaonan，Wu Lianghong,et a1.Neural network based self-learning control strategy for electronic throttle valve[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2010,59（8）：3757-3765

2 王晨，張彤，于海生，等．電子踏板信號采集及故障診斷策略研究[J]．車輛與動力技術(shù)，2010（4）：49-52

3 周興利，于世濤．電子油門故障自診斷策略及標(biāo)定方法研究[J]．車用發(fā)動機，2006（2）：29-33

4 路瓊瓊，申立中，徐勁松，等.高壓共軌柴油機故障診斷系統(tǒng)控制策略研究[J]．內(nèi)燃機工程，2011，32（3）：25-30

5 汪東坪，李舜酩，魏民祥，等．汽車電子加速踏板可靠性控制的研究[J]．汽車工程，2012，34（8）：41-46

6 祝軻卿，胡建文，冒曉建，等．電控柴油機雙電位器油門踏板控制策略的研究[J].柴油機，2012，34（4）：14-17，52

7 梁鋒，肖文雍，譚文春，等．高壓共軌式電控柴油機電子油門故障自診斷策略研究[J].汽車技術(shù)，2004，7（5）：35-38

8 王江，付文利．基于MATLAB/Simulink的系統(tǒng)仿真權(quán)威指南[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2013