純電動(dòng)汽車加速踏板信號(hào)處理機(jī)制研究

鄭潤(rùn)

（合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥230009）

1 加速踏板信號(hào)研究現(xiàn)狀

在純電動(dòng)汽車加速踏板故障診斷技術(shù)研究中，采用非接觸式霍爾傳感器作為加速踏板位置傳感器，并使用改進(jìn)的一階濾波算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。為滿足加速踏板的高診斷率和覆蓋率需求，根據(jù)ISO 26262設(shè)計(jì)了一種應(yīng)對(duì)加速踏板信號(hào)失效的安全機(jī)制，這些故障診斷研究提高了加速踏板故障診斷的可靠性和及時(shí)性[1-3]。

2 加速踏板信號(hào)解析

加速踏板硬件的兩路踏板的5 V模擬信號(hào)電源由整車控制提供，整車控制器實(shí)時(shí)采集兩路模擬信號(hào)的電壓，從而識(shí)別加速踏板當(dāng)前的狀態(tài)和踏板的位置。

加速踏板信號(hào)處理機(jī)制如圖1所示，整車控制器對(duì)兩路加速踏板信號(hào)的處理分為兩個(gè)模塊：①加速踏板信號(hào)有效性判斷。采集加速踏板傳感器輸出的AD信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，對(duì)轉(zhuǎn)化的電壓信號(hào)進(jìn)行有效性診斷，確定用于計(jì)算加速踏板開度的電壓值。②加速踏板開度計(jì)算。將加速踏板有效電壓進(jìn)行歸一化處理，并進(jìn)行故障診斷與控制，最后將計(jì)算后的踏板開度輸出給扭矩處理模塊進(jìn)行扭矩計(jì)算。

圖1加速踏板信號(hào)處理機(jī)制

在加速踏板信號(hào)有效性判斷中，首先將輸入的AD值進(jìn)行電壓值轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換公式為：

式（1）中：PV_out為加速踏板實(shí)際的模擬電壓值；Pin為基礎(chǔ)層實(shí)時(shí)采集的AD值；Vmax為加速踏板模擬電壓值所允許的最大值；Pin_max為采集的最大AD值。

對(duì)轉(zhuǎn)換后的電壓值采用滾動(dòng)平滑濾波法進(jìn)行濾波，濾波算法為：

式（2）中：Pout為當(dāng)前輸出電壓值；Ttick為采樣周期；Tenum為時(shí)間常數(shù)；Pin為當(dāng)前采集的電壓輸入值；Ppreout為上一次輸出的電壓值。

而在加速踏板開度計(jì)算中，首先對(duì)有效性輸出的兩路踏板電壓信號(hào)進(jìn)行計(jì)算：

式（3）中：Aout為輸出的踏板開度信號(hào)；Pin為經(jīng)過有效性判斷輸出的踏板電壓信號(hào)；Pzero為根據(jù)踏板特性曲線標(biāo)定的開度下限計(jì)算值；Pup為根據(jù)踏板特性曲線標(biāo)定的開度上限計(jì)算值。

將計(jì)算得出的開度信號(hào)經(jīng)過故障診斷控制方可輸出至扭矩控制模塊，進(jìn)行當(dāng)前駕駛員需求扭矩計(jì)算。

3 加速踏板信號(hào)故障診斷

為了真實(shí)有效地反映出駕駛員對(duì)當(dāng)前扭矩需求，對(duì)加速踏板信號(hào)的診斷必須快速準(zhǔn)確，既不能因?yàn)楣收显\斷而犧牲精度，也不能因?yàn)楣收显\斷而將當(dāng)前踏板開度延時(shí)時(shí)間過長(zhǎng)，所以診斷算法必須選取合適。本文選擇邏輯門診斷策略，該策略具有響應(yīng)時(shí)間周期短、穩(wěn)定性高、使用廣泛、相對(duì)成熟等優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)雙路加速踏板輸出的電壓值特性進(jìn)行分析，從而得出加速踏板信號(hào)的故障類型，具體診斷流程如圖2所示。

短路故障診斷：根據(jù)加速踏板特性曲線可查得兩路踏板信號(hào)的上限和下限值，并根據(jù)此值設(shè)定故障檢測(cè)的上下限閾值。加速踏板的第一路信號(hào)區(qū)間值為[（0.75±0.15）V，（3.84±0.25）V]，即當(dāng)信號(hào)輸入值為（0.75±0.15）V時(shí)，則認(rèn)為第一路信號(hào)輸入的開度為0%，當(dāng)信號(hào)輸入的值為（3.84±0.25）V時(shí)，則認(rèn)為第一路信號(hào)輸入的開度為100%。加速踏板第二路信號(hào)區(qū)間值為[（0.375±0.2）V，（1.92±0.3）V]，即當(dāng)信號(hào)輸入值為（0.375±0.2）V時(shí)，則認(rèn)為第二路信號(hào)輸入的開度為0%，當(dāng)信號(hào)輸入的值為（1.92±0.3）V時(shí)，則認(rèn)為第二路信號(hào)輸入的開度為100%。將輸入的兩路踏板信號(hào)和設(shè)定的短路閾值進(jìn)行比較，若大于設(shè)定的閾值則認(rèn)為出現(xiàn)短路故障。

圖2加速踏板故障診斷流程

同步性故障診斷：根據(jù)加速踏板特性曲線可知，第一路踏板信號(hào)值是第二路踏板信號(hào)值的2倍，根據(jù)特性曲線設(shè)定同步性故障診斷的閾值。將經(jīng)過短路故障診斷輸出的兩路踏板信號(hào)進(jìn)行分離，并將第二路踏板信號(hào)進(jìn)行增益，將增益后的踏板信號(hào)和第一路踏板信號(hào)做差值處理，若得到的值不在設(shè)定的閾值范圍內(nèi)，則判定當(dāng)前出現(xiàn)不同步故障。

故障確認(rèn)：由于加速踏板的信號(hào)來源于電壓型傳感器，傳感器的工作會(huì)受到周圍環(huán)境的影響，例如溫度、供電電壓以及機(jī)械操作等，所以需要對(duì)診斷出的瞬時(shí)性故障進(jìn)行故障確認(rèn)，以免診斷有誤。故障確認(rèn)可利用防抖動(dòng)處理機(jī)制，即在設(shè)定的時(shí)間里，若診斷出的短路瞬時(shí)故障和不同步瞬時(shí)故障在計(jì)數(shù)器累加超出設(shè)定的閾值時(shí)依舊沒有得到清除，此時(shí)就可以認(rèn)為踏板信號(hào)出現(xiàn)短路故障或不同步故障。將確認(rèn)的故障標(biāo)志狀態(tài)傳遞給故障控制環(huán)節(jié)，以此來保證踏板信號(hào)的準(zhǔn)確性以及整車的安全性。

4 加速踏板信號(hào)控制

為了防止加速踏板輸入信號(hào)不符合特性曲線，需要制定合適控制策略進(jìn)行信號(hào)處理，考慮到加速踏板采用雙路信號(hào)輸入，即硬件采用了冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所以采用容錯(cuò)控制思想。加速踏板信號(hào)控制一般采用容錯(cuò)替換法，根據(jù)加速踏板故障診斷模塊輸出的故障信息，給控制策略中替代參數(shù)設(shè)定權(quán)重，對(duì)權(quán)重參數(shù)進(jìn)行計(jì)算得出加速踏板最終輸出的開度值。

權(quán)重參數(shù)分別有第一路加速踏板信號(hào)值（APS1）、第二路加速踏板信號(hào)值（APS2）、上一時(shí)刻加速踏板開度值以及替代值，每一個(gè)權(quán)重參數(shù)在相應(yīng)故障下的權(quán)重值如表1所示。

表1加速踏板故障控制權(quán)重值

加速踏板信號(hào)控制策略采用基于信號(hào)的控制率重構(gòu)方式，重構(gòu)算法中權(quán)重參數(shù)參考表1計(jì)算。當(dāng)故障診斷模塊輸出信號(hào)存在瞬時(shí)性短路故障或不同步故障，則加速踏板信號(hào)計(jì)算值由上一時(shí)刻踏板開度值替代輸出；當(dāng)故障診斷模塊輸出信號(hào)存在第一路加速踏板信號(hào)確認(rèn)性故障，則加速踏板信號(hào)計(jì)算值由第二路加速踏板信號(hào)值替代輸出；當(dāng)故障診斷模塊輸出信號(hào)存在第二路加速踏板信號(hào)確認(rèn)性故障，則加速踏板信號(hào)計(jì)算值由第一路加速踏板信號(hào)值替代輸出；當(dāng)故障診斷模塊輸出兩路加速踏板信號(hào)同時(shí)存在確認(rèn)性故障，則根據(jù)整車安全要求設(shè)定的安全值替代加速踏板信號(hào)計(jì)算值；當(dāng)故障診斷模塊輸出信號(hào)存在不同步確認(rèn)故障，則根據(jù)整車安全要求設(shè)定的安全值替代加速踏板信號(hào)計(jì)算值；當(dāng)故障診斷模塊輸出信號(hào)不存在故障時(shí)，則加速踏板信號(hào)計(jì)算值由第一路和第二路踏板信號(hào)值各取1/2計(jì)算后輸出。

5 加速踏板信號(hào)仿真測(cè)試

按照加速踏板信號(hào)處理流程，在Matlab/Simulink中搭建加速踏板信號(hào)仿真模型，并進(jìn)行了仿真測(cè)試，按照加速踏板信號(hào)處理機(jī)制設(shè)計(jì)測(cè)試用例，將設(shè)計(jì)好的測(cè)試用例注入進(jìn)行仿真測(cè)試，得到的仿真測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可知，在2.046 s和8.79 s時(shí)，加速踏板分別發(fā)生了加速踏板單路確認(rèn)性電壓故障，加速踏板故障診斷與控制系統(tǒng)可以很快進(jìn)行踏板開度值切換，電機(jī)扭矩沒有出現(xiàn)突變，扭矩梯度值基本平滑過渡，所以不會(huì)對(duì)駕駛平順性產(chǎn)生影響。在15.519 s時(shí)，加速踏板發(fā)生不同步確認(rèn)性故障時(shí)，整車控制器將當(dāng)前計(jì)算的踏板開度值進(jìn)行限制，由于當(dāng)前車速值過高，需要進(jìn)行限扭矩運(yùn)行，扭矩平滑切換至27 Nm。在18.05 s時(shí)，加速踏板由單一確認(rèn)性電壓故障變成兩路同時(shí)發(fā)生確認(rèn)性電壓故障時(shí)，整車控制器立即將開度值進(jìn)行置零，此時(shí)整車立即進(jìn)行0扭矩輸出。在20.05 s時(shí)，加速踏板確認(rèn)性故障消除時(shí)，即使開度值返回為實(shí)際輸入值時(shí)，從整車安全角度出發(fā)，整車扭矩也必須進(jìn)行0扭矩限制，整車等待進(jìn)入下電模式。

圖3測(cè)試加速踏板開度輸出

6 結(jié)論

根據(jù)加速踏板的仿真測(cè)試結(jié)果可以得出，按照本論文中提出的加速踏板信號(hào)處理機(jī)制可以比較理想地實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)汽車對(duì)驅(qū)動(dòng)安全的設(shè)計(jì)要求。