基于CAN總線的電動汽車踏板、換擋系統(tǒng)建模與故障診斷仿真

崔淑華，公彥峰

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院， 哈爾濱 150040)

電動汽車的加速踏板、制動踏板根據(jù)駕駛員的操作產(chǎn)生相應(yīng)角度并轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺妷盒盘柾ㄟ^傳感器傳遞到整車控制器，將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，整車控制器根據(jù)自身算法將電壓信號傳遞給相應(yīng)的控制器，各分控器再對接收的信號及時響應(yīng)實現(xiàn)制動或加速，從而完成駕駛員的行駛意圖。如在緊急制動中，駕駛員迅速將制動踏板踏到底時，電子制動系統(tǒng)會提前感知駕駛員的制動意圖，在駕駛員未將制動踏板踏到底時即提供最大制動力[1-2]。

電動汽車的動力通過電機與固定速率比的減、差速器連接驅(qū)動汽車行駛，其擋位的切換通過手動操作機械開關(guān)，依靠電控單元信號控制電機的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)。純電動汽車傳動系統(tǒng)至少需要3個擋位來滿足其行駛要求，包括前進擋(D)、空擋(N)以及倒擋(R)。純電動車在低速時電機應(yīng)能夠提供較大的轉(zhuǎn)矩以滿足汽車爬坡能力的要求，在電機最大功率下要實現(xiàn)低轉(zhuǎn)矩高轉(zhuǎn)速，以使電動汽車具有良好的加速性能[3]。因此，對于電動汽車而言，整車控制器控制策略和算法的合理性非常重要。

電動汽車在加速、制動或換擋過程中存在故障時，可通過讀取儲存器里的故障代碼信息，確定故障類型和相關(guān)部位，使故障的排除更加準確。隨著CAN總線技術(shù)在汽車控制中應(yīng)用的成熟化，使得電動汽車的診斷變得更加便捷。CAN總線作為各電控單元之間信息交換的一種串行協(xié)議，由于其具有高性能、高可靠性、實時性等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用到汽車網(wǎng)絡(luò)上。并且CAN總線通訊頻率高、傳輸速度快，采用定時發(fā)送和接收信息的方式，可滿足整車通訊的要求[4-5]。將加速、制動和換擋時所產(chǎn)生的電壓信號以CAN信號的方式經(jīng)過EVCAN進行各電控單元信息交互，通過外部設(shè)備對其信號進行讀取。當汽車出現(xiàn)故障時，汽車自診斷系統(tǒng)會以儀表盤上的故障指示燈閃爍的方式提示駕駛員，儲存器會把這些故障代碼儲存在相應(yīng)的位置，并保持這部分持續(xù)供電，使儲存的內(nèi)容不會丟失。而外部設(shè)備的使用就是對這些所儲存的數(shù)據(jù)進行調(diào)取、拆分和顯示。

1 Simulink模型與故障分析

Matlab/Simulink是汽車電子控制領(lǐng)域應(yīng)用較多的一款軟件，它不僅提供圖形化編程環(huán)境，而且可根據(jù)模型生成、測試和配置C代碼。通過與其他軟件配合可實現(xiàn)在線標定與離線燒錄功能，從而滿足整車控制器電控系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用需求[6]。

加速踏板和制動踏板開度的信號通過兩路采集。在建模過程中首先通過測量得到實際踏板開度的電壓信號值，并根據(jù)一定比例設(shè)定模型中其傳感器閾值的上下限，如圖1、圖2所示，為保證電壓信號的同步性，兩路傳感器的采集電壓不同，兩者約為2倍關(guān)系。換擋模型中的3個擋位應(yīng)為互斥關(guān)系，即不能出現(xiàn)兩個擋位并存的情況，否則輸出擋位錯誤故障信息，擋位切換時必須踩制動踏板，在車速大于4.5 km/h時，為保證車輛的安全性，換擋器鎖止無法切換擋位。擋位邏輯信號輸出如表1所示，依據(jù)真值表里設(shè)定的值確定當前擋位，系統(tǒng)模型采集信號周期為10 ms。如果在操作過程中出現(xiàn)故障，每個故障都會通過一個計數(shù)器模塊，若該故障在一定周期內(nèi)超過50次，則確定出現(xiàn)故障，故障部位的相關(guān)模塊輸出故障信息，其故障計數(shù)模塊模型如圖3所示。常數(shù)最大值Max_Lin取50，最小值Min_release要小于50，在模型中取25，Input_Bool為故障電信號輸入端。制動踏板、加速踏板和擋位功能模型與診斷流程算法模型如圖4、圖5所示。

圖1 制動踏板電壓信號輸出

圖4 制動踏板、加速踏板、換擋的功能模型

圖5 制動踏板、加速踏板、換擋的診斷流程算法模型

輸出擋位判斷[0001]空擋錯誤[0010]倒擋正確[0100]空檔正確[0111]空擋錯誤[1000]前進擋正確[1011]空擋錯誤[1111]空擋錯誤

加速踏板和制動踏板采集傳感器故障信號的原理基本相同。當傳感器損壞或相關(guān)電路短路、斷路時，容易發(fā)生傳感器閾值溢出故障，若傳感器機械損壞或機械部件變形，則會導(dǎo)致兩路電壓采集精度不足，產(chǎn)生傳感器同步性故障。在換擋時若傳感器損壞或換擋開關(guān)機械零部件變形，可能會造成換擋錯誤故障。當制動踏板和擋位出現(xiàn)故障時，若制動無信號輸出，擋位保持在空擋狀態(tài)。當加速踏板和擋位出現(xiàn)故障時，加速踏板無輸出信號，擋位保持在空擋狀態(tài)。由于在擋位切換過程中極易出現(xiàn)異常電壓信號，所以只有制動踏板信號的數(shù)字量小于35，即制動踏板的角度值小于0.14°時才會進行擋位故障信號的判斷。

2 CAN信號與故障碼格式設(shè)定

2.1 CAN信號設(shè)定

在各路CAN總線中信號的格式應(yīng)滿足ISO 15765標準。本文傳輸?shù)男盘柧鶠?1位CAN標識的標準幀。在外部診斷設(shè)備請求電控單元故障數(shù)據(jù)時，若所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)超過6或7個字節(jié)時，發(fā)送端會根據(jù)一定的規(guī)則將數(shù)據(jù)分組，拆分成首幀和多個連續(xù)幀，此時接收端需要發(fā)送一幀流控信號，即實現(xiàn)將數(shù)據(jù)分多次并有一定時間間隔地傳輸給接收端[7]。CAN信號數(shù)字段結(jié)構(gòu)與說明如表2、表3所示。

在外部診斷設(shè)備讀取相關(guān)電控單元故障信息及傳輸數(shù)據(jù)時，兩者需要服從相關(guān)的服務(wù)規(guī)范標準要求，即電控單元接收到并識別外部設(shè)備所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)請求，將所需的數(shù)據(jù)按照所規(guī)定的通訊矩陣格式傳輸給外部設(shè)備，實現(xiàn)電控單元和數(shù)據(jù)請求設(shè)備之間的信息交換與傳輸[8]。依據(jù)ISO 14229服務(wù)標準規(guī)范，其診斷數(shù)據(jù)請求的基本服務(wù)如表4所示。

表2 數(shù)據(jù)字段結(jié)構(gòu)

幀類型字節(jié)1位7～4位3～0字節(jié)2字節(jié)3字節(jié)4～8單幀0000SF_DLSIDDB1DB2-6首幀0001—FF_DLSIDDB1-5連續(xù)幀0010SNDBx1DBx2DBx3-x7流控0011FSBSSTminN/A

表3 數(shù)據(jù)字段說明

數(shù)據(jù)字段說 明SF_DL字節(jié)1低四位表示單幀長度FF_DL需要傳輸數(shù)據(jù)長度SN序列FS數(shù)據(jù)流的狀態(tài),FS設(shè)定為0,表示診斷設(shè)備已經(jīng)準備接收最大數(shù)目的續(xù)幀,電控單元繼續(xù)發(fā)送續(xù)幀 BS塊大小,BS值設(shè)定為0,表示傳輸分段消息時,不再發(fā)送流控制,電控單元需要連續(xù)發(fā)送后續(xù)幀 STmin最小分離時間,對于排放相關(guān)的電控單元,STmin=0 ms;否則,STmin=10 msDB數(shù)據(jù)字節(jié)SID服務(wù)ID

表4 診斷服務(wù)

服務(wù)號內(nèi)容功能10 h會話模式激活數(shù)據(jù)傳輸19 h讀取故障碼信息讀取故障信息14 h清除診斷信息清除診斷器信息

2.2 故障碼設(shè)定

汽車系統(tǒng)發(fā)生故障時，部分故障可以通過儀表的顯示提示駕駛員，部分故障則需要通過外部診斷儀對電控單元的本地數(shù)據(jù)進行讀取、識別其故障碼，確定故障部位的范圍以及產(chǎn)生故障的可能原因。通過對故障部位的具體排查和故障排除，從而確定故障具體部位和發(fā)生故障的原因。

依據(jù)ISO 15301故障碼規(guī)范，推薦的故障碼是由3位字節(jié)所組成的，故障碼前面是字母數(shù)字指示符，其分配應(yīng)該由最適合該功能的區(qū)域決定。代碼的結(jié)構(gòu)如圖6所示。制造商只使用ISO/SAE批準且已經(jīng)實現(xiàn)行業(yè)一致性的部分故障碼。對于汽車制造商所定義的故障碼，由于存在基本系統(tǒng)的差異、實施差異或診斷策略差異，在部分故障定義中，不同的制造商對其故障碼的定義會有所不同。在制造商控制區(qū)域分配代碼，設(shè)計和規(guī)定流程算法、軟件、故障代碼時，每個汽車制造商應(yīng)在整個產(chǎn)品線上保持一致性[9]。

圖6 故障碼結(jié)構(gòu)

診斷數(shù)據(jù)傳輸時，在故障碼的后面會有一個狀態(tài)碼，如表5所示，它表示當前故障碼產(chǎn)生時的一個狀態(tài)。在請求故障碼時，數(shù)據(jù)請求幀的掩碼與電控單元所支持的故障碼掩碼進行與運算，再與電控單元所存在的故障的狀態(tài)碼進行與運算，從而確定發(fā)生的故障并讀取其故障碼。依據(jù)故障碼標準，對加速踏板、制動踏板和換擋模型中可能產(chǎn)生的可測量部位設(shè)定故障碼，其制動踏板、加速踏板、換擋故障碼和故障說明如表6所示。

表5 狀態(tài)碼

表6 制動踏板、加速踏板、換擋故障碼和故障說明

序列顯示碼高字節(jié)中字節(jié)低字節(jié)描述1C104211504211制動踏板反饋傳感器1閾值范圍溢出故障2C104312504312制動踏板反饋傳感器2閾值范圍溢出故障3C104613504613制動踏板反饋傳感器同步性故障4P112214112214加速踏板反饋傳感器1閾值范圍溢出故障5P122315122315加速踏板反饋傳感器2閾值范圍溢出故障6P113516113516加速踏板反饋傳感器同步性故障7C170017570017擋位錯誤

3 Labview上位機數(shù)據(jù)仿真

本文LabVIEW上位機主要是模擬汽車診斷儀，通過軟件的圖形化仿真實現(xiàn)其診斷功能，通過與汽車整車控制器的連接，將輸出的CAN信號進行拆分、顯示，可模擬實際診斷儀對電控單元的診斷功能[10-11]。

3.1 數(shù)據(jù)仿真流程

1) VCU程序燒錄與CAN信號的正確性驗證。模擬診斷儀請求VCU數(shù)據(jù)的CAN信號如表7所示。將通過VCU發(fā)送給外部設(shè)備的CAN信號數(shù)據(jù)在CANTEST軟件中顯示，并驗證發(fā)送的信息的準確性，其發(fā)送內(nèi)容如表8所示。

2) CAN信號在模擬診斷儀上的仿真顯示。其數(shù)據(jù)傳輸路徑為VCU——周立功CAN卡——上位機，由于在上位機仿真時的信號源與Simulink不同，所以在上位機顯示故障信號時，需要改變VCU的相關(guān)系統(tǒng)的引腳輸入電壓，可使系統(tǒng)產(chǎn)生故障信息。由于改變一個引腳的電壓可能會產(chǎn)生多個故障，可通過去除掉無關(guān)部分的算法模型來實現(xiàn)。制動踏板反饋傳感器1閾值范圍溢出故障：將制動踏板反饋傳感器1的輸入引腳電壓變?yōu)? V；制動踏板反饋傳感器2閾值范圍溢出故障：將制動踏板反饋傳感器2的輸入電壓變?yōu)? V；制動踏板反饋傳感器同步性故障：將制動踏板反饋傳感器1或制動踏板反饋傳感器2的引腳輸入電壓為0 V；擋位錯誤：R擋、D擋和N擋中的2個引腳輸入電壓信號為低壓，使2個擋位并存產(chǎn)生錯誤檔位信號。最終可實現(xiàn)相關(guān)故障信號的數(shù)據(jù)傳輸與模擬仿真。在外部設(shè)備請求數(shù)據(jù)以及相關(guān)CAN信號傳輸時，其傳輸?shù)墓收闲畔?nèi)容應(yīng)與表7和表8保持一致。

表7 診斷儀請求數(shù)據(jù)

幀類型數(shù)據(jù)長度CAN數(shù)據(jù)標準幀0x0803 19 02 FF 00 00 00 00

表8 CAN信號傳輸內(nèi)容格式

CAN信號傳輸方向幀類型數(shù)據(jù)(HEX)無故障數(shù)據(jù)接收標準03 7F 19 31 00 00 00 00包含故障碼接收標準07 59 02 FF xx xx xx 02

3.2 仿真結(jié)果

針對制動踏板的故障機理與加速踏板模型相仿，僅針對制動踏板模型和換擋模型故障數(shù)據(jù)進行仿真，其仿真結(jié)果如圖7～10所示。

圖7 上位機故障碼仿真1

圖8 上位機故障碼仿真2

圖9 上位機故障碼仿真3

圖10 上位機故障碼仿真4

4 結(jié)束語

本文建立了電動汽車加速踏板、制動踏板和換擋系統(tǒng)的Simulink模型以及符合故障診斷的算法模型。CAN信號的格式和故障碼設(shè)定符合相關(guān)標準的要求，避免出現(xiàn)不合理的幀格式和不規(guī)范的故障碼，降低因操作失誤而造成的上位機顯示異常。仿真結(jié)果顯示上位機數(shù)據(jù)仿真過程中并未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

從模型的建立到上位機數(shù)據(jù)的仿真出發(fā)，模擬了外部診斷儀對汽車電控單元中故障碼的請求和讀取，實現(xiàn)了基于Simulink軟件的汽車模型在整車控制器應(yīng)用層的仿真，對于電動汽車的診斷系統(tǒng)以及診斷儀的設(shè)計和研發(fā)具有一定意義。