冗余電位器加速踏板故障診斷策略研究

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(hào)，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(shí)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(gè)獨(dú)立的位移傳感器，將踏板位置信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓模擬信號(hào)。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(hào)發(fā)生變化，因此通過測(cè)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(duì)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(duì)加速踏板故障進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)診斷，通過故障診斷，故障鑒定，故障處理和信號(hào)選取等故障診斷控制策略以保證在發(fā)動(dòng)機(jī)加速過程中，診斷出故障并且能進(jìn)行相應(yīng)的處理以及替代值輸出，有效保障發(fā)動(dòng)機(jī)在故障情況下繼續(xù)運(yùn)行。但是由于目前大多數(shù)加速踏板在出現(xiàn)故障時(shí)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(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)候以一定的斜率上升，避免了發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)能繼續(xù)運(yùn)行，并且能保障行駛安全性。

1 電子加速踏板簡(jiǎn)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：?jiǎn)坞娢黄餍秃腿哂嚯娢黄餍停p電位器型）。單電位器加速踏板一旦發(fā)生故障將不能運(yùn)行，冗余電位器加速踏板由于采用兩個(gè)傳感器，一旦一個(gè)傳感器發(fā)生故障，另一個(gè)傳感器進(jìn)行接替，有效保障加速踏板正常工作?；诩铀偬ぐ宄掷m(xù)運(yùn)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(cè)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(hào)診斷過程

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

圖2 典型的信號(hào)診斷過程

3 信號(hào)范圍檢測(cè)和關(guān)聯(lián)性檢測(cè)

3.1 信號(hào)范圍檢測(cè)

圖3為信號(hào)范圍檢測(cè)控制模型示意圖。初始信號(hào)通過模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換為ECU可以識(shí)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)行駛過程中熄火，影響駕駛安全性。進(jìn)行傳感器信號(hào)范圍的診斷，用于判斷傳感器信號(hào)回路的短路、斷路等極端情況。

圖3 范圍檢測(cè)控制模型示意圖

圖4 為信號(hào)范圍檢測(cè)MATLAB程序圖，當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)1輸入電壓值大于4.5 V或小于0.75 V或信號(hào)2電壓輸入值大于2.25 V或小于0.375 V時(shí)就可判斷油門發(fā)生范圍檢測(cè)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(shí)輸出標(biāo)志0。

圖4 范圍檢測(cè)MATLAB程序圖

3.2 關(guān)聯(lián)性檢測(cè)

圖5 為關(guān)聯(lián)性檢測(cè)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(hào)出現(xiàn)故障時(shí)，采用另一路信號(hào)以保證發(fā)動(dòng)機(jī)能安全地運(yùn)行，信號(hào)1電壓值一般為信號(hào)2電壓值的兩倍。兩路電壓值經(jīng)過信號(hào)范圍檢測(cè)之后，如果信號(hào)沒有范圍缺陷，如果兩路信號(hào)出現(xiàn)不一致的情況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)踏板信號(hào)的采集就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)亂，極易造成噴油紊亂，造成發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，因此必須兩信號(hào)進(jìn)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(hào)1電壓值，u2是信號(hào)2電壓值，u是u1和u2的和，U為5 V。

圖5 關(guān)聯(lián)性檢測(cè)控制模型示意圖

由于公式（1）計(jì)算得出此值在0.021 5之間小范圍浮動(dòng)，因此設(shè)定絕對(duì)差為0.022 V。圖6為關(guān)聯(lián)性檢測(cè)MATLAB程序圖。當(dāng)信號(hào)1輸入值減去信號(hào)2電壓值的2倍大于絕對(duì)誤差0.022時(shí)，則認(rèn)為此時(shí)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(hào)恢復(fù)正常后，選擇標(biāo)志位0，選擇兩信號(hào)中正常范圍的電壓輸出。

4 故障鑒定

圖7為時(shí)間預(yù)消抖檢測(cè)控制模型。與每一環(huán)節(jié)故障診斷相對(duì)應(yīng)的都有故障鑒定，故障鑒定就是確定信號(hào)是偶發(fā)故障還是最終故障[4]。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)電控系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，由于電磁干擾，可能會(huì)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(cè)到加速踏板傳感器一個(gè)超限信號(hào)，在此后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)該信號(hào)都正常，就屬于偶發(fā)性故障。要對(duì)檢測(cè)出的不正常信號(hào)采用一定的故障消抖（debouncing）方法進(jìn)行處理：消抖法一般有時(shí)間消抖法和事件消抖法。時(shí)間消抖法是通過啟用定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)錯(cuò)誤信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，定時(shí)器開始定時(shí)累加，時(shí)間的累加超過一定的閾值時(shí)，偶發(fā)故障確定為最終故障。對(duì)于最終故障要進(jìn)行相應(yīng)的缺省值代替，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)安全運(yùn)行，時(shí)間預(yù)消抖檢測(cè)控制模型如圖7所示。

圖6 關(guān)聯(lián)性檢測(cè)MATLAB程序圖

圖7 時(shí)間預(yù)消抖檢測(cè)控制模型

圖8 時(shí)間消抖StateFlow程序圖

圖8 為時(shí)間消抖StateFlow圖。當(dāng)偶發(fā)故障輸入為0時(shí)，時(shí)間消抖輸出為0，偶發(fā)故障輸入為1時(shí)，時(shí)間消抖輸出為0，隨后對(duì)故障進(jìn)行計(jì)時(shí)加，當(dāng)累加0.1s后，偶發(fā)輸入為0，此時(shí)時(shí)間消抖輸出為0，認(rèn)為故障修復(fù)。如果偶發(fā)輸入還是1，此時(shí)時(shí)間消抖輸出為1，確定為最終故障。

5 故障處理和信號(hào)選取

圖9為故障處理和信號(hào)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(diǎn)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(jìn)行相應(yīng)的故障處理，將故障的類型進(jìn)一步分類，對(duì)各分類信號(hào)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(hào)選取中有效地使用替代值，保證加速踏板故障時(shí)能繼續(xù)行駛，但在信號(hào)故障恢復(fù)處理中直接使故障信號(hào)恢復(fù)到當(dāng)前信號(hào)，這一處理方式易造成發(fā)動(dòng)機(jī)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(hào)以一定的斜率上升達(dá)到當(dāng)前信號(hào)值，保證發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速突變。采用故障處理和信號(hào)選取模塊，以保證油門踏板出現(xiàn)故障時(shí)，車輛能安全地完成行駛。對(duì)經(jīng)過檢測(cè)的信號(hào)再進(jìn)一步進(jìn)行PT1濾波處理，防止信號(hào)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(dòng)機(jī)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(dá)到當(dāng)前值，斜坡函數(shù)公式如下：

圖9 故障處理和信號(hào)選取控制模型示意圖

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

圖10 故障信號(hào)處理及缺省輸出MATLAB程序圖

6 仿真測(cè)試

6.1 測(cè)試項(xiàng)目

為了確定整個(gè)控制過程的可靠性，對(duì)整個(gè)控制過程進(jìn)行仿真測(cè)試，根據(jù)控制流程，設(shè)定以下測(cè)試項(xiàng)目：范圍檢測(cè)、關(guān)聯(lián)性檢測(cè)、預(yù)消抖、故障信號(hào)處理及缺省值輸出模型。

6.2 建立測(cè)試模型

圖11為建立的仿真測(cè)試控制模型示意圖。其中信號(hào)1電壓值是信號(hào)2電壓值輸入的兩倍左右，輸入信號(hào)經(jīng)范圍檢測(cè)、關(guān)聯(lián)性檢測(cè)、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(cè)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(dòng)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(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主開發(fā)的ECU中，構(gòu)成控制原型系統(tǒng)。通過信號(hào)發(fā)生器模擬設(shè)定的踏板位置電壓信號(hào)，用作控制系統(tǒng)的輸入。

圖12為兩個(gè)信號(hào)輸入電壓值均超出范圍測(cè)試結(jié)果。由圖分析可知，APP1和APP2在整個(gè)測(cè)試過程中信號(hào)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(shí)間，因此被確定為最終故障，此時(shí)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(shí)故障再次出現(xiàn)并被確定為最終故障，信號(hào)再次以同樣的方式輸出。

圖12 超出范圍故障仿真測(cè)試

圖13為兩個(gè)輸入信號(hào)電壓值關(guān)聯(lián)性故障測(cè)試結(jié)果。由圖分析可知，APP1在整個(gè)周期內(nèi)信號(hào)范圍檢測(cè)正常；APP2在第0.3 s信號(hào)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(duì)值不大于0.022 V，因此輸出傳感器APP1信號(hào)；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(duì)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(cè)試完成。驗(yàn)證了控制策略，測(cè)試了冗余電位器加速踏板的實(shí)際工作狀態(tài)，證實(shí)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(cè)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(duì)整個(gè)過程進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明：

1）通過信號(hào)范圍檢測(cè)和關(guān)聯(lián)性兩級(jí)檢測(cè)，可以檢測(cè)出實(shí)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速突變的問題。

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

3）在加速踏板信號(hào)出現(xiàn)故障的過程中，針對(duì)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(dòng)機(jī)在加速踏板發(fā)生故障的情況下，重復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛的安全運(yùn)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

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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(dòng)機(jī)，2006（2）：29-33

4 路瓊瓊，申立中，徐勁松，等.高壓共軌柴油機(jī)故障診斷系統(tǒng)控制策略研究[J]．內(nèi)燃機(jī)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(jī)雙電位器油門踏板控制策略的研究[J].柴油機(jī)，2012，34（4）：14-17，52

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