發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器故障硬件在環(huán)仿真平臺研究

周 兵 楊 靜 習(xí) 綱 陳 鵬

1.湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙，410082 2.聯(lián)合汽車電子有限公司，上海，201206

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)是一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)，使用了大量不同類型的傳感器，這些傳感器被用來測量系統(tǒng)中的各種物理量和狀態(tài)，為電控系統(tǒng)提供最原始的信息［1］。然而，傳感器在使用過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)接觸不良、信號干擾、電路短接等故障，使得傳感器測量信號出現(xiàn)偏差，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能衰退或不能可靠工作。

針對發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中所出現(xiàn)的各種傳感器故障，在實(shí)際電控單元功能開發(fā)過程中，需要根據(jù)不同故障類型，開發(fā)不同的容錯(cuò)功能包對所出現(xiàn)的故障進(jìn)行修復(fù)。對于容錯(cuò)功能包的開發(fā)，普遍采用的步驟是：①分析故障原因；②提出解決方案；③對解決方案進(jìn)行可行性分析；④按照可行方案編寫功能包；⑤對功能包進(jìn)行驗(yàn)證；⑥功能包發(fā)布。其中，第⑤步中對功能包的驗(yàn)證貫穿于功能開發(fā)后期的整個(gè)階段。通常情況下，為了確保所開發(fā)功能能在實(shí)車上可靠實(shí)現(xiàn)，在對功能包進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，需要做大量試驗(yàn)以對其中的一些匹配參數(shù)進(jìn)行不斷的修改。由于傳感器故障發(fā)生過程是隨機(jī)的，試驗(yàn)時(shí)在實(shí)車上完全復(fù)現(xiàn)故障是有一定難度的，因而，迫切需要能完整復(fù)現(xiàn)傳感器信號故障的試驗(yàn)臺。

硬件在環(huán)（hardware－in－the－loop，HIL）是一種實(shí)時(shí)仿真測試技術(shù)，它把實(shí)際的被控對象或其他的系統(tǒng)部件用高速計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)運(yùn)行的仿真模型來代替，而電控單元或其他外部負(fù)載則用實(shí)物與仿真模型連接在一起，構(gòu)成閉環(huán)回路，對電控系統(tǒng)的功能進(jìn)行測試和驗(yàn)證。目前比較常用的硬件在環(huán)開發(fā)工具包括［2－6］：德國 ETAS公司的LabCar設(shè)備、美國ADI公司的ADRTS系統(tǒng)、德國dSPACE硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)、美國NI公司的Lab VIEW－SIT系統(tǒng)等。

與以往只依靠Lab VIEW－SIT系統(tǒng)不同，本文首次將VeriStand開發(fā)工具引入發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真平臺的開發(fā)，并聯(lián)合Lab VIEW和Simulink軟件，使得所開發(fā)平臺的功能更強(qiáng)大，可重配置性更強(qiáng)。

1 硬件在環(huán)仿真平臺構(gòu)成

發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真平臺就是為電控單元提供一個(gè)虛擬的工作環(huán)境，它的主要功能包括3個(gè)方面：①通過發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型，模擬實(shí)車運(yùn)行工況；②除外接真實(shí)負(fù)載外，模擬其他真實(shí)的傳感器信號，并傳送給電控單元使其能夠正常工作；③對電控單元發(fā)出的控制信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采集分析，獲取發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所需關(guān)鍵信息，并傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型。

根據(jù)功能要求，本文設(shè)計(jì)的硬件在環(huán)仿真平臺由硬件和軟件兩部分組成，如圖1所示。硬件包括上位機(jī)、下位機(jī)、信號轉(zhuǎn)換接口和發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元；軟件包括仿真模型和上位機(jī)監(jiān)控界面。其中，軟件部分功能通過以下幾個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)：

（1）利用上位機(jī)在Simulink中建立發(fā)動(dòng)機(jī)模型；

（2）通過VeriStand目標(biāo)語言編譯器控制MATLAB＼RTW模塊生成模型動(dòng)態(tài)鏈接庫；

（3）在上位機(jī)中，通過MAX部署IP地址，使上位機(jī)和下位機(jī)借助以太網(wǎng)進(jìn)行通信；

（4）將步驟（2）中生成的模型動(dòng)態(tài)鏈接庫經(jīng)VeriStand引擎下載到下位機(jī)中實(shí)時(shí)運(yùn)行；

（5）上位機(jī)實(shí)時(shí)獲取下位機(jī)中模型的運(yùn)行狀態(tài)，并在Lab VIEW建立的上位機(jī)監(jiān)控界面中實(shí)時(shí)顯示模型運(yùn)行情況、在線調(diào)整參數(shù)。

圖1 硬件在環(huán)仿真平臺構(gòu)成

1.1 硬件系統(tǒng)

1.1.1 上位機(jī)系統(tǒng)、下位機(jī)系統(tǒng)

硬件在環(huán)仿真平臺由上位機(jī)、下位機(jī)2臺計(jì)算機(jī)組成。上位機(jī)為普通PC機(jī)，用于編制車輛動(dòng)力學(xué)模型、分配車輛動(dòng)力學(xué)模型和電控單元通信所需硬件通道、開發(fā)上位機(jī)監(jiān)控界面；下位機(jī)為工業(yè)控制器PXI－8108，用于運(yùn)行汽車動(dòng)力學(xué)模型和VeriStand引擎。下位機(jī)運(yùn)行在實(shí)時(shí)內(nèi)核下，可以保證整個(gè)硬件在環(huán)測試的實(shí)時(shí)性要求。

1.1.2 信號轉(zhuǎn)換接口

信號轉(zhuǎn)換接口由1塊FPGA PXI－7833R可編程卡、PXI－6723模擬卡、PXI－6289多功能DAQ卡及相關(guān)信號調(diào)理電路模塊組成。信號轉(zhuǎn)換接口的功能是實(shí)現(xiàn)車輛動(dòng)力學(xué)模型和發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元之間的信號轉(zhuǎn)換。其中，信號發(fā)生程序根據(jù)模型計(jì)算出的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，將轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度、車速、廢氣氧含量等參數(shù)，以發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元能夠識別的電壓信號輸出，從而提供電控單元控制算法中點(diǎn)火提前角、噴油時(shí)間等的計(jì)算輸入。

對于有4個(gè)噴油嘴、2個(gè)點(diǎn)火線圈的電控單元，信號采集程序通過6個(gè)高速數(shù)字輸入/輸出口分別對噴油信號和點(diǎn)火信號進(jìn)行采集。對于其他驅(qū)動(dòng)信號，如進(jìn)氣渦流控制閥、油泵繼電器、空調(diào)壓縮機(jī)繼電器等信號采用多路模擬輸入對其進(jìn)行采集。其中，點(diǎn)火、噴油信號具有持續(xù)時(shí)間短、高刷新率的特點(diǎn)，因此，對點(diǎn)火信號和噴油信號的快速識別是軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。此外，由于發(fā)動(dòng)機(jī)完成一個(gè)工作循環(huán)會(huì)分別經(jīng)過壓縮和排氣2個(gè)上止點(diǎn)，而對于點(diǎn)火信號而言，只有壓縮上止點(diǎn)附近所采集的點(diǎn)火信號才是有用的（噴油信號采集與點(diǎn)火信號類似），因此，點(diǎn)火信號窗和噴油信號窗的正確配置，對系統(tǒng)的正確運(yùn)行也起到至關(guān)重要的作用。

1.2 軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)硬件是整個(gè)系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，而系統(tǒng)軟件則是系統(tǒng)正常工作的保證。硬件在環(huán)仿真平臺的軟件主要指數(shù)學(xué)模型平臺、配置平臺、監(jiān)控平臺等。數(shù)學(xué)模型平臺是基于 MATLAB/Simulink建立的車輛動(dòng)力學(xué)模型；配置平臺采用VeriStand開發(fā)環(huán)境，該平臺能實(shí)現(xiàn)對軟件和硬件的綜合管理；監(jiān)控平臺采用Lab VIEW開發(fā)環(huán)境，用于實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對車輛動(dòng)力學(xué)模型及硬件的監(jiān)控。

1.2.1 車輛動(dòng)力學(xué)模型

車輛動(dòng)力學(xué)模型由發(fā)動(dòng)機(jī)模塊、駕駛員模塊、環(huán)境模塊三部分組成。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)模塊包括進(jìn)氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、廢氣系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)。傳動(dòng)系統(tǒng)包括離合器、變速器和差速器等。

車輛動(dòng)力學(xué)模型是通過扭矩方式來傳遞動(dòng)力的，在外接電控單元情況下，數(shù)據(jù)流的傳遞方向如圖2所示。

圖2 車輛動(dòng)力學(xué)模塊之間數(shù)據(jù)通信

在駕駛循環(huán)模塊中，設(shè)定目標(biāo)車速值，駕駛員模塊將當(dāng)前車速值與目標(biāo)車速進(jìn)行比較，確定油門開度大小。發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)得到油門開度和當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，根據(jù)內(nèi)部策略計(jì)算出噴油時(shí)間與點(diǎn)火提前角，輸出至發(fā)動(dòng)機(jī)模塊，并以此計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩；傳動(dòng)系統(tǒng)模塊依據(jù)駕駛員的輸出擋位、發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩計(jì)算出作用于驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)扭矩；車輛動(dòng)力學(xué)模塊綜合驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)扭矩和環(huán)境模塊產(chǎn)生的各種阻力矩后，將扭矩轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速與車速信息，并輸出至駕駛員模塊和發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)，形成閉環(huán)控制。

1.2.2 VeriStand環(huán)境下上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

VeriStand是一種配置實(shí)時(shí)測試應(yīng)用程序的軟件環(huán)境，用來配置硬件和建立模型與硬件之間的映射，并將這種配置和車輛動(dòng)力學(xué)模型通過VeriStand引擎以以太網(wǎng)的形式部署到下位機(jī)實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

1.2.3 Lab VIEW環(huán)境下上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

為便于對仿真過程進(jìn)行監(jiān)控、對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以及對仿真過程中可能出現(xiàn)的不可預(yù)期的故障進(jìn)行監(jiān)測與分析，需構(gòu)建仿真監(jiān)測系統(tǒng)，以便對仿真系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和工作參數(shù)進(jìn)行測控和調(diào)試［7］。本文運(yùn)用Lab VIEW建立了硬件在環(huán)仿真平臺的上位機(jī)監(jiān)控界面，上位機(jī)監(jiān)控界面即虛擬駕駛室，分為自動(dòng)駕駛模式和手動(dòng)駕駛模式兩種。駕駛員可以靈活選擇車輛在不同的模式下運(yùn)行，如自動(dòng)駕駛模式下的駕駛循環(huán)選擇，非自動(dòng)駕駛模式下的油門開度、制動(dòng)踏板位置、擋位選擇與離合器的結(jié)合和分離。

無論駕駛員選擇自動(dòng)駕駛模式還是手動(dòng)駕駛模式，都可以實(shí)時(shí)對轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、進(jìn)氣壓力、燃油壓力、車速等參數(shù)進(jìn)行手動(dòng)配置，并可以通過顯示控件對比配置值和車輛模型計(jì)算值的一致性。另外，在上位機(jī)監(jiān)控界面也可以實(shí)時(shí)讀取發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元的輸出信號值，如點(diǎn)火提前角、噴油時(shí)間等。

2 傳感器故障信號模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)中傳感器根據(jù)輸出信號類型可分為模擬式和數(shù)字式兩種［8］。模擬式如節(jié)氣門位置傳感器、進(jìn)氣壓力傳感器、溫度傳感器等，這一類型的傳感器都是以電壓值的大小表征不同的物理量的；數(shù)字式如轉(zhuǎn)速傳感器，這種類型的傳感器都是以信號頻率表示其所代表的物理量大小的。

根據(jù)傳感器輸出信號類型的不同，本文對模擬式傳感器故障模擬進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

模擬式傳感器的典型代表如節(jié)氣門位置傳感器，發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中，由于節(jié)氣門位置傳感器信號的電壓偏置或電壓抖動(dòng)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)怠速轉(zhuǎn)速不穩(wěn)或高怠速現(xiàn)象，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作性能。根據(jù)節(jié)氣門位置信號故障發(fā)生原因的不同，本文設(shè)計(jì)了8種不同類型的故障，見表1。

表1 節(jié)氣門位置信號故障列表

發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，電控單元對節(jié)氣門開度信號的讀取頻率為1k Hz，為了保證故障信號能和節(jié)氣門位置傳感器輸出信號同步、無偏差的輸入到電控單元，此處采用可重配置板卡NI PXI－7833R對故障信號進(jìn)行模擬。支持FPGA模塊的PXI－7833R板卡能以25ns的速率執(zhí)行并實(shí)現(xiàn)自定義信號處理、仿真和觸發(fā)控制任務(wù)，完全滿足高采樣率要求。

節(jié)氣門位置傳感器故障信號模擬實(shí)現(xiàn)步驟參見圖3。依據(jù)圖3所示算法步驟，在Lab VIEW中編程實(shí)現(xiàn)后的程序前面板如圖4所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由于篇幅限制，本文僅以機(jī)械式節(jié)氣門位置傳感器信號漂移故障為例進(jìn)行說明。

圖3 節(jié)氣門位置傳感器故障信號實(shí)現(xiàn)步驟

圖4 節(jié)氣門位置傳感器故障信號模擬

怠速節(jié)氣門開度定義為：發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)，節(jié)氣門位置傳感器所得電壓值的大小。發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)行時(shí)，電控系統(tǒng)會(huì)將該開度值與節(jié)氣門位置傳感器所測得開度值實(shí)時(shí)進(jìn)行比較，并將較小值記為新的怠速節(jié)氣門開度，即

式中，w1為怠速節(jié)氣門開度；n為怠速節(jié)氣門開度的更新次數(shù)；w2為節(jié)氣門位置傳感器所測得開度值。

發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，當(dāng)節(jié)氣門位置傳感器所測得開度值與怠速節(jié)氣門開度小于某一個(gè)閾值Δw時(shí)，怠速標(biāo)志位立即置1。此時(shí)，電控系統(tǒng)就認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)到達(dá)怠速條件，便對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行怠速控制。閥值Δw根據(jù)電控單元所使用平臺的不同取值會(huì)有所差異，取值過大會(huì)導(dǎo)致電控系統(tǒng)過早對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行怠速控制；取值過小則會(huì)導(dǎo)致怠速標(biāo)志位難以識別。因此，在實(shí)際應(yīng)用過程中，應(yīng)根據(jù)電控單元使用情況不斷進(jìn)行調(diào)整。

故障條件下，節(jié)氣門位置傳感器由于信號漂移，在加速踏板閉合時(shí)，電控系統(tǒng)不能正常識別怠速位置，從而導(dǎo)致電控系統(tǒng)無法對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行怠速控制，進(jìn)而出現(xiàn)怠速不穩(wěn)或高怠速現(xiàn)象。

3.1 實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果分析

圖5所示為使用機(jī)械式節(jié)氣門體的某款轎車在出現(xiàn)節(jié)氣門位置傳感器信號漂移時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速情況和怠速置位情況。圖中上方表示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，下方表示發(fā)動(dòng)機(jī)怠速標(biāo)志位置位情況，怠速標(biāo)志位為1表示怠速，為0表示非怠速。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)怠速不穩(wěn)實(shí)車測量數(shù)據(jù)

從圖5中可以看出，在t＝300s之前，發(fā)動(dòng)機(jī)一直處于穩(wěn)定怠速狀態(tài)，怠速標(biāo)志位為1，轉(zhuǎn)速n＝800r/min。在t＝300s時(shí)刻，駕駛員迅速踩油門到底并放松，在t＝320s時(shí)刻，轉(zhuǎn)速恢復(fù)到怠速轉(zhuǎn)速。但由于節(jié)氣門位置信號漂移，在怠速轉(zhuǎn)速恢復(fù)后，怠速標(biāo)志位一直在0和1之間來回波動(dòng)，電控系統(tǒng)無法對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行正常的怠速控制，從而導(dǎo)致在后續(xù)一段時(shí)間轉(zhuǎn)速一直處于波動(dòng)狀態(tài)，即怠速不穩(wěn)。

針對此問題，對原來電控系統(tǒng)中對怠速位置識別的方法進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，即在一定限度范圍內(nèi)，隨著踏板位置的變化，怠速位置信號電壓會(huì)相應(yīng)地改變，使得當(dāng)駕駛員松開加速踏板時(shí)，電控系統(tǒng)能重新進(jìn)入怠速控制，如圖6所示。

從圖6可以看出，在t＝150s時(shí)刻，即駕駛員踩踏板之前，轉(zhuǎn)速一直穩(wěn)定在796r/min，松開踏板后，怠速標(biāo)志位很快置位，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在經(jīng)過20s左右的波動(dòng)后也恢復(fù)到了加速前的水平。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)怠速穩(wěn)定實(shí)車測量數(shù)據(jù)

3.2 硬件在環(huán)試驗(yàn)結(jié)果分析

應(yīng)用2.1節(jié)所設(shè)計(jì)的傳感器故障硬件在環(huán)仿真平臺，對3.1節(jié)所述車型節(jié)氣門位置傳感器故障進(jìn)行了模擬，結(jié)果如圖7、圖8所示。圖7所示為節(jié)氣門位置傳感器出現(xiàn)信號漂移時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況。圖8所示為重新設(shè)計(jì)怠速識別方法后發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況。

從圖7可以看出，在t＝80s之前，轉(zhuǎn)速一直穩(wěn)定在798r/min左右，在駕駛員松開加速踏板后，怠速標(biāo)志位一直在0和1之間反復(fù)跳動(dòng)，從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也在怠速穩(wěn)定轉(zhuǎn)速上下來回波動(dòng)。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)怠速不穩(wěn)試驗(yàn)臺測量數(shù)據(jù)

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)怠速穩(wěn)定試驗(yàn)臺測量數(shù)據(jù)

從圖8可以看出，在t＝235s之前（即駕駛員踩踏板之前），轉(zhuǎn)速一直穩(wěn)定在797r/min左右，松開踏板后，經(jīng)過25s左右的波動(dòng)，怠速標(biāo)志位置位，轉(zhuǎn)速很快恢復(fù)到正常水平。

分別對比圖5和圖7、圖6和圖8可以看出，本文所設(shè)計(jì)的傳感器故障硬件在環(huán)仿真平臺能準(zhǔn)確模擬實(shí)車測得的節(jié)氣門位置傳感器故障，而新開發(fā)的容錯(cuò)功能包也能完全修復(fù)所出現(xiàn)的故障，因而，本文所開發(fā)的傳感器故障硬件在環(huán)仿真平臺完全符合測試要求。

4 結(jié)論

（1）利用Simulink、VeriStand、Lab VIEW 開發(fā)的硬件在環(huán)仿真平臺功能完善，人機(jī)界面友好，具有動(dòng)態(tài)監(jiān)控、調(diào)試等功能，為發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)參數(shù)匹配和控制策略優(yōu)化等功能測試提供試驗(yàn)平臺。

（2）設(shè)計(jì)的傳感器故障模擬系統(tǒng)能對發(fā)動(dòng)機(jī)中容易出現(xiàn)故障的節(jié)氣門位置傳感器、進(jìn)氣壓力傳感器、冷卻水溫傳感器等進(jìn)行故障信號模擬，并且能復(fù)現(xiàn)實(shí)車上難以出現(xiàn)的故障類型。

（3）實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的傳感器故障模擬硬件在環(huán)仿真平臺具有使用方便、可靠性強(qiáng)、精度高等特點(diǎn)。

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