汽車電子加速踏板可靠性控制的研究

廣州廣電計量檢測股份有限公司 陳 寧

對于傳統(tǒng)的汽車運行來說，主要通過機械連接的方法，有效控制拉線式節(jié)氣門的開度，其加速踏板的控制較為簡單，但是往往出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏差，影響操作的精確度，造成發(fā)動機工作狀態(tài)和汽車的運行狀況不相符。應(yīng)用汽車電子加速踏板，通過傳感器采集踏板位置的信號，經(jīng)過電控技術(shù)單元的處理之后，就可以通過伺服電機來精確控制電子節(jié)氣門的開度，不單純地由駕駛員操縱加速踏板而決定；在電控單元運行過程中，結(jié)合發(fā)動機的工況以及汽車行駛的狀態(tài)等，有針對性地調(diào)整節(jié)氣門開度，確保發(fā)動機始終處于良好的運行過程，保障企業(yè)的安全性、舒適性與動力性。雖然這一過程中的控制較為復(fù)雜，但是精確度高，當(dāng)前已經(jīng)普遍投入使用。

另外，為了更好地提升節(jié)氣門開度的精確性、可靠性，國內(nèi)外已經(jīng)針對此問題開展了大量的研究，提出了各種各樣的控制技巧與計算方法，如模糊控制、PID控制、滑膜控制等，但是具體到汽車電子加速踏板的可靠性研究卻十分有限。應(yīng)該考慮到，汽車電子加速踏板與電子節(jié)氣門的開度控制密不可分，在電子加速踏板的工作過程中，必須保障踏板信號的精準(zhǔn)性，加強汽車電子加速踏板可靠性控制的相關(guān)分析，具有重要意義。

1.汽車電子加速踏板的工作原理

汽車電子加速踏板主要包括踏板、電路、位移傳感器及相關(guān)附件等；利用位移傳感器的作用，可以將踏板的位置信號轉(zhuǎn)化為電壓模擬信號；在踏板中，存在兩個獨立發(fā)生作用的傳感器，可以根據(jù)踏板位置的變化情況，對輸出端的電阻值做出相應(yīng)變化調(diào)整，進而帶動輸出電壓信號的變化，只要測試輸出電壓值的大小就可以判斷踏板具體位置。

2.汽車電子加速踏板的可靠性控制策略

2.1 信號濾波的診斷

對于經(jīng)過位移傳感器傳輸?shù)碾妷耗M信號來說，必須經(jīng)過濾波處理之后，減少信號中存在的毛刺或干擾問題，以此提高信號的精準(zhǔn)性、有效性。例如，采取限幅濾波與中位值平衡濾波相結(jié)合的方法，處理電壓信號濾波，如圖1所示。

為了更好地提高信號可靠性，在經(jīng)過濾波處理之后，必須診斷信號狀況，以保障其檢測的精準(zhǔn)性。分別在踏板空載與踏板滿載的位置進行濾波信號的比較，如果獲得數(shù)值大于滿載位置的電壓或者小于空載位置的電壓，則可判斷該信號出現(xiàn)錯誤，此時需要輸入APS1信號的錯誤標(biāo)志位：APS1_Signal_Error為1；如果該數(shù)值位于滿載位置電壓和空載位置電壓的數(shù)值中間，那么可判斷該信號為正確信號，此時需要輸出標(biāo)志位：0。為確保所有濾波后的正確信號都能被檢測到，在設(shè)定比較電壓時，放大上下限值的范圍，因此設(shè)定APS1比較電壓上限值U’max1=0.961V，下限值U’min1=0.085V；設(shè)定APS2比較電壓上限值U’max2=0.496V，下限值U’min2=0.010V。

2.2 傳感器的信號選擇

在汽車電子加速踏板中，分別存在兩個獨立運行的傳感器，當(dāng)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，其中一個傳感器的輸出信號就是顯示踏板位置的信號。首先，應(yīng)該判斷兩個傳感器分別所處的信號狀態(tài)，如何二者均存在故障或缺陷，則此時輸出傳感器選取標(biāo)志位：APS_Sensor_Choice為0；且輸出選取信號APS_Sensor為0；如果兩個傳感器只有一個發(fā)生故障，那么另一個傳感器仍然可以用于正確輸出信號，并獲得相應(yīng)位置的標(biāo)志位，此時選取傳感器APS1的標(biāo)志位：1；傳感器APS2的標(biāo)志位：2。如果兩個傳感器都處于正常狀態(tài)，那么利用APS1的信號值減去APS2信號值的2倍，將其差值的絕對值與事先設(shè)定的限值進行比較，如果大于限值，則信號存在錯誤，此時輸出選取標(biāo)志位：0，輸出信號也為0；如果小于該限值，則由傳感器APS1信號作為輸出信號。

圖1 信號濾波及其診斷控制模型

圖2 傳感器故障診斷的模型

圖3 傳感器APsl仿真測試

圖4 傳感器Aps2仿真測試

2.3 傳感器的故障診斷

為了更好地確定經(jīng)過信號診斷發(fā)生錯誤信號的原因，必須進一步診斷錯誤信號，判斷其是否由于傳感器故障而引起。當(dāng)前，大多采用對錯誤信號進行頻度與寬度的檢測，其中頻度檢測設(shè)置在特定的時間范圍內(nèi)，查看累計出現(xiàn)錯誤信號的次數(shù)是否超過限定值；寬度檢測主要判斷連續(xù)出現(xiàn)錯誤信號的頻率是否已經(jīng)超過了事先設(shè)定的次數(shù)。例如，在傳感器APS1中進行寬度檢測，如圖2所示。

假定其中a=15，如果連續(xù)出現(xiàn)了15次以上的錯誤信號，那么就可判定傳感器發(fā)生故障，此時輸出APS1傳感器故障的標(biāo)志位：APS1_Signal_Error為1；在進行頻度檢測時，系統(tǒng)運行的周期為5ms，設(shè)置時間的周期為1s，那么在該周期范圍內(nèi)運行的次數(shù)為200次，假設(shè)c=200，b=25，當(dāng)周期內(nèi)累計出現(xiàn)的錯誤信號超過了25次，則判斷傳感器發(fā)生故障，此時輸出傳感器故障的標(biāo)志位：1。反之，如果沒有超過25次，則輸出標(biāo)志位：0。為了保證加速踏板開度的穩(wěn)定性，且方便系統(tǒng)采樣和計算，須對計算得到的加速踏板開度值做取整運算，只保留加速踏板開度值的整數(shù)位。

如果傳感器的故障標(biāo)志位APS1_Signal_Error為1，那么可以判斷該傳感器存在故障，為了確保系統(tǒng)能夠保持平穩(wěn)、可靠地運行，應(yīng)停止使用由該傳感器輸出的信號，不需要繼續(xù)判斷傳感器的故障；當(dāng)傳感器發(fā)生故障之后，系統(tǒng)也無需針對其故障進行建模，只有檢修合格之后，才能重新啟動系統(tǒng)并投入工作。

2.4 定標(biāo)處理過程

當(dāng)已經(jīng)選擇了正確的信號指揮，應(yīng)該將輸出的電壓模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；也就是將傳感器中的輸出電壓轉(zhuǎn)換為電子加速踏板的開度值；例如，在應(yīng)用傳感器APS1時，假設(shè)踏板處于空載位置對應(yīng)的加速踏板為0開度；在滿載位置時對應(yīng)的加速踏板為100%開度，那么為了避免去除誤差、空行程等對加速踏板開度造成影響，應(yīng)該設(shè)置電壓為0.145V和加速踏板的0開度對應(yīng)；同時設(shè)置電壓為0.911V和加速踏板的100%開度對應(yīng)，改對應(yīng)關(guān)系呈為現(xiàn)象變化模式。

3.項目檢測與試驗

為了更好地提高汽車電子加速踏板可靠性控制效果，需要對控制的過程進行仿真試驗，如濾波測試、傳感器故障測試、信號測試及定標(biāo)測試等。通過構(gòu)建仿真測試的控制模型，APS1輸入信號約為APS2輸入信號的2倍；

利用MotoTron快速控制的原型開發(fā)工具，在Matlab的運行環(huán)境中，利用編譯軟件進行仿真測試，將程序代碼輸入到MotoTron產(chǎn)品級的開發(fā)中，形成一個快速、精準(zhǔn)的控制原型控制系統(tǒng)。利用信號發(fā)生器，可模擬事先設(shè)置的踏板位置電壓信號值，以此作為快速控制原型控制系統(tǒng)的輸入依據(jù)。經(jīng)過濾波處理之后，可減少毛刺和脈沖對信號產(chǎn)生的干擾，對傳感器APS1進行測試，判斷其周期內(nèi)的信號是否正確，包括寬度檢測、頻度檢測等。如圖3、4所示。

傳感器APS2在0.23s發(fā)生信號錯誤，在第0.28s經(jīng)過寬度檢測之后，判斷為傳感器故障；在0-0.09s范圍內(nèi)，傳感器APS1與APS2均處于正常狀態(tài)；從0.28s開始，傳感器APS1處于正常狀態(tài)，而傳感器APS2發(fā)生故障。

4.結(jié)論與思考

本文系統(tǒng)性地分析了汽車電子加速踏板的工作原理，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建電子踏板可靠性控制模型，通過檢測與試驗，獲得如下結(jié)果：

（1）通過對傳感器的信號進行選取、判斷傳感器的故障，可有效避免由于傳感器故障而造成輸出失誤，進而影響加速踏板開度的精準(zhǔn)性，保障電子加速踏板的可靠性；

（2）采取聯(lián)合濾波技術(shù)，可減少干擾信號，進而避免影響踏板的信號采集，保障信號精確性、完整性；

（3）經(jīng)過對輸入踏板位置信號的處理，可以精確地控制加速踏板開度，滿足可靠性控制要求，提高行車安全性。

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