基于MATLAB／Simulink 的電動汽車真空泵集成控制研究

楊 凡， 黃 偉， 馬 敬， 王元林

（湖南獵豹汽車股份有限公司， 湖南 長沙 410100）

1 前言

電動真空泵作為電動汽車的制動輔助裝置，為制動系統(tǒng)提供真空助力，是保障車輛制動安全的重要部件。電動汽車發(fā)展初期，配套零部件技術(shù)尚未成熟，電動真空泵的常用控制方式為：壓力開關(guān)串聯(lián)繼電器線圈，由繼電器控制真空泵電源以實現(xiàn)真空泵啟?？刂?。該控制方式簡單但故障率較高，且在系統(tǒng)發(fā)生故障時無法發(fā)出警示，行車安全存在風(fēng)險［1］。隨著電動汽車技術(shù)發(fā)展，汽車行業(yè)設(shè)計開發(fā)了專用于真空泵控制的控制器，該類控制器完善了控制算法，可以實現(xiàn)通信或故障提示等較復(fù)雜的功能，具有故障判斷能力，顯著提高了整車制動安全性［2-4］。

由于獨(dú)立真空泵控制器的功能仍存在不足，為完善功能引入整車信號，會增加成本和系統(tǒng)復(fù)雜度。由整車控制器直接控制真空泵，可以從整車控制角度進(jìn)行相應(yīng)控制和故障保護(hù)，而且整車控制器采集整車相關(guān)信號，可方便擴(kuò)展更多功能，使系統(tǒng)更為安全可靠［5］。目前，控制系統(tǒng)集成化已經(jīng)成為電動汽車的發(fā)展趨勢，因此本文從替代某電動汽車現(xiàn)有真空泵控制器的角度，對整車控制器集成電動真空泵控制功能的系統(tǒng)方案和控制策略進(jìn)行了研究。

2 真空泵集成控制系統(tǒng)方案

某電動汽車的真空助力制動系統(tǒng)由真空泵控制器、電動真空泵、儲氣罐和氣管等組成，組成部件如圖1所示。真空泵控制器集成壓力傳感器采集儲氣罐內(nèi)壓力信號，控制真空泵啟停和故障診斷，并將故障信息通過PWM信號發(fā)送給整車控制器。

圖1 某車型真空助力制動系統(tǒng)

考慮取消該車型的真空泵控制器，由整車控制器實現(xiàn)真空泵控制功能，評估現(xiàn)有整車控制器取代真空泵控制器所需的硬件資源，可通過AD接口連接外置壓力傳感器監(jiān)測儲氣罐壓力，通過IO接口控制真空泵繼電器的通斷。因整車控制器不直接驅(qū)動真空泵，為了對控制輸出形成閉環(huán)監(jiān)測，還需增加IO接口檢測真空泵電源狀態(tài)。另外，整車控制器已采集的整車信號如制動開關(guān)信號、車速信號等都可以在系統(tǒng)中使用。真空泵集成控制的方案原理如圖2所示。

圖2 真空泵集成控制方案

絕對壓力傳感器由壓力轉(zhuǎn)換元件和信號放大調(diào)理電路組成，可以將壓力的變化轉(zhuǎn)換成電信號，壓力信號與電壓輸出的關(guān)系見下列公式：

式中：P——壓力檢測數(shù)值，kPa；Vref——傳感器的供電電壓，V。

3 真空泵集成控制策略

3.1 故障診斷

為保障電動汽車的使用安全和維修便利，控制軟件需盡量準(zhǔn)確定位出故障部件和故障原因，所以在整車控制器軟件開發(fā)中，針對各系統(tǒng)故障診斷與故障處理為重點(diǎn)工作。上述系統(tǒng)包含的零件中，壓力傳感器故障較容易識別，其余部件故障需結(jié)合控制輸出、壓力變化和真空泵電源狀態(tài)等信號進(jìn)行綜合判斷。

在原車測試中發(fā)現(xiàn)踩制動時真空度變化較大，容易對壓力檢測產(chǎn)生干擾，特別是在反復(fù)快速踩制動時會產(chǎn)生故障誤報，所以選擇不踩制動踏板時進(jìn)行故障診斷。綜合分析故障發(fā)生時系統(tǒng)的狀態(tài)，集成控制系統(tǒng)可診斷7種故障（表1）。

表1 真空助力制動系統(tǒng)故障

3.2 正常工作模式

在正常狀態(tài)下，系統(tǒng)可根據(jù)絕對壓力值的大小控制繼電器通斷，實現(xiàn)真空泵啟停控制。為避免真空泵頻繁啟停，采用滯環(huán)比較的控制策略［5］。

當(dāng)絕對壓力＞啟動限值50kPa （可標(biāo)定），真空泵啟動抽真空；當(dāng)絕對壓力＜停機(jī)限值30kPa （可標(biāo)定），真空泵停止抽真空。

3.3 故障工作模式

當(dāng)真空助力制動系統(tǒng)存在故障時，首要考慮行車安全，控制器需要保證制動時的真空助力，并發(fā)送相應(yīng)的警告信息提醒駕駛員。其次要考慮真空助力制動系統(tǒng)的安全，長時間持續(xù)工作會使真空泵過熱，導(dǎo)致真空泵損壞。基于上述兩個原則，對7種故障問題進(jìn)行分析。

當(dāng)壓力傳感器故障時，采集到的壓力值會超出啟停限值，如果仍根據(jù)壓力值進(jìn)行控制，會讓真空泵處于持續(xù)啟動（或停止） 狀態(tài)。為保證制動安全，此狀態(tài)下采用以制動開關(guān)信號作為啟動條件的控制策略，即踩下制動踏板時，真空泵啟動。為防止制動踏板一直踩下的情況下真空泵持續(xù)工作，在再次啟動真空泵前，必須檢測到松開制動，否則禁止真空泵再啟動［5］。

發(fā)生中度泄漏故障時，因壓力值難以降低到停機(jī)限值，真空泵會處于長時間工作狀態(tài)。為了保證真空泵安全，采用真空泵間歇工作的控制策略，真空泵工作至最大允許工作時間后，停機(jī)一段時間后再啟動。但是為了保證制動安全，當(dāng)壓力值大于啟動限值時，會重新啟動真空泵。

當(dāng)發(fā)生真空泵故障／嚴(yán)重泄漏或繼電器粘連故障時，應(yīng)當(dāng)控制真空泵停機(jī)。當(dāng)發(fā)生其他故障時，可按照正常邏輯對真空泵進(jìn)行控制，不會對助力系統(tǒng)產(chǎn)生其它影響。

發(fā)生以上故障時，系統(tǒng)會對車輛采取相應(yīng)的限速策略，并通過故障警告提醒駕駛員處理。

4 策略建模及仿真

4.1 策略建模

本文主要研究對象為真空泵的控制與故障診斷，系統(tǒng)發(fā)生故障后的整車控制需配合整車控制策略實現(xiàn)，不在本文中體現(xiàn)。在MATLAB／Simulink中建立真空泵控制策略模型，模型分信號采集處理、故障診斷和真空泵控制3個模塊，如圖3所示。

圖3 真空泵控制策略模型

在信號采集處理模塊中，整車控制器采集絕對壓力、真空泵電源狀態(tài)等信號，并經(jīng)過濾波處理：壓力值為模擬量信號，采用中值濾波；真空泵電源狀態(tài)為開關(guān)信號，采用防抖算法。在故障診斷模塊中，根據(jù)控制輸出、壓力值和真空泵電源狀態(tài)等進(jìn)行邏輯判斷，識別系統(tǒng)故障。在真空泵控制模塊中，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)對真空泵進(jìn)行控制，其stateflow邏輯框圖如圖4所示。

圖4 真空泵控制stateflow邏輯框圖

4.2 仿真測試

按照正常工作、壓力傳感器故障和中度泄漏故障情況，對建立的真空泵控制策略模型進(jìn)行仿真分析。

1） 正常工作模式。從圖5可以看出，當(dāng)絕對壓力大于50kPa時，控制真空泵啟動抽真空，絕對壓力小于30kPa時，控制真空泵停止工作。

圖5 正常工作時控制狀態(tài)

2） 壓力傳感器故障。從圖6可以看出，在1.05s時系統(tǒng)識別出傳感器故障，7s時踩下制動踏板后，控制真空泵啟動抽真空，工作10s后停止，19s時制動踏板再次踩下后，真空泵再次啟動。

3） 中度泄漏故障。從圖7可以看出，15s時系統(tǒng)識別出中度泄漏故障，真空泵繼續(xù)工作至20s停止，停止6s后，真空泵再次啟動工作20s。

5 總結(jié)

圖6 壓力傳感器故障時控制狀態(tài)

圖7 中度泄漏故障時控制狀態(tài)

本文分析研究了某車型上使用整車控制器取代真空泵控制器，完成真空泵集成控制的方案可行性，并在MATLAB／Simulink中進(jìn)行了策略建模和仿真分析，結(jié)果表明集成控制方案能夠?qū)崿F(xiàn)真空泵控制與系統(tǒng)故障診斷功能。將現(xiàn)有真空泵控制功能集成在整車控制器后，可實現(xiàn)更多類型故障判斷和更為完善的故障保護(hù)措施，充分提高了車輛行駛安全性，具有良好的研究前景。