汽車電子加速踏板可靠性控制和故障處理機制研究

文德華

摘 要：為確保汽車電子加速踏板信號的可靠性，對踏板位置傳感器信號提出一種限幅消抖濾波、中位值平均濾波、一階低通濾波，進(jìn)行3次濾波消除信號突變，并結(jié)合“強制法規(guī)”對加速踏板位置傳感器信號進(jìn)行故障診斷。在Simulink/Stateflow中建立加速踏板信號檢測模塊、故障診斷模塊、信號選擇模塊等。測試了整個控制過程的可靠性。結(jié)果表明，踏板信號出現(xiàn)線路故障或同步性異常時能準(zhǔn)確判斷出各種故障狀態(tài)，且故障后的信號處理措施科學(xué)、實用，符合行車安全要求。

關(guān)鍵詞：加速踏板信號 一階低通濾波 診斷 故障處理機制

1 引言

純電動汽車在行駛過程中，駕駛員的駕駛意圖較大程度上通過加速踏板信號來反映。踏板信號的問題，無論是由于踏板本身的機械問題，還是由于踏板位置傳感器的故障，都會導(dǎo)致監(jiān)控控制器發(fā)送錯誤的扭矩命令，這可能會導(dǎo)致傳動系統(tǒng)傳遞的扭矩過大[1]，影響行車安全。

目前，國內(nèi)外對可靠性和故障處理機制研究較少，大多集中在防誤踩識別上面[2-3]，文獻(xiàn)[4-5]對踏板信號的濾波處理，文獻(xiàn)[6]集中研究了失效診斷和安全機制。本文提出一種聯(lián)合濾波算法，并對加速踏板傳感器信號進(jìn)行故障診斷，設(shè)計故障處理機制，保證行車安全。

2 踏板信號處理

2.1 加速踏板原理

汽車電子加速踏板即轉(zhuǎn)變踏板位移為模擬量信號輸出，基于踏板、電路、位移傳感器三部分構(gòu)成。在純電動汽車中，加速踏板開度值多使用非接觸式傳感器來測量，相較于接觸式傳感器有更長的使用壽命和較高可靠性。但是加速踏板都在一定程度上存在短路、斷路、電磁干擾等直接影響著踏板信號的準(zhǔn)確可靠傳輸。加速踏板通過兩個獨立傳感器，且兩路信號變化呈現(xiàn)雙倍關(guān)系，以此雙冗余結(jié)構(gòu)的加速踏板，可自主診斷加速踏板信號，并進(jìn)行可靠性設(shè)計。

踏板信號的處理流程見圖1，踏板信號經(jīng)過限幅消抖濾波，中位值平均濾波，一階低通濾波后，分別進(jìn)行線路故障診斷和同步性故障診斷，根據(jù)當(dāng)前的故障類型，進(jìn)行綜合決策，最終輸出踏板開度信號，進(jìn)行安全機制處理。

2.2 聯(lián)合濾波算法

在純電動車上加速踏板一定程度存在短路、開路、電磁干擾等直接影響踏板信號的準(zhǔn)確傳輸，因此，加速踏板傳感器輸出的電壓模擬信號傳送給整車控制器處理之前，要經(jīng)過濾波算法消除信號中的抖動和干擾，從而得到較準(zhǔn)確的信號。

為得到靈敏性高和平穩(wěn)性好的信號，采取聯(lián)合濾波算法：

（1）限幅消抖濾波，根據(jù)經(jīng)驗判斷兩次采樣允許的最大偏差值A(chǔ)，每次采新值時判斷：若本次值與上次值之差<=A，則本次有效;若本次值與上次值之差>A，本次無效，用上次值代替本次。

（2）中位值平均濾波。連續(xù)采樣多次次，按大小排列，取中間值的平均值為本次有效值。

（3）一階低通濾波，其數(shù)學(xué)微分方程為：

（1）

式中：Ｒ，Ｃ 分別為ＲＣ電路的電阻和電容值;ｘ（ｔ）為系統(tǒng)激勵源;ｙ（ｔ）為系統(tǒng)響應(yīng);ｔ為采樣時間。

踏板信號經(jīng)過限幅消抖濾波和中位值平均濾波后，送到一階低通濾波模型處理，當(dāng)濾波程度大時，信號平穩(wěn)，但是靈敏度差，當(dāng)濾波程度小時，信號響應(yīng)快，但平穩(wěn)性差。在聯(lián)合濾波模型中增加濾波程度的控制邏輯，當(dāng)前加速踏板采樣值和上次加速踏板濾波后采樣值做差，根據(jù)差值來查表得到不同的濾波程度。使系統(tǒng)能較好的滿足信號響應(yīng)和平穩(wěn)性的要求。

從圖4可以看出聯(lián)合濾波模型對雜波有良好的過濾效果，信號靈敏度好，平穩(wěn)性優(yōu)良。

2.3 故障診斷

2.3.1 超限值檢測處理

將輸入的踏板加速信號與設(shè)定的最大值和最小值進(jìn)行比較，能夠檢測出信號傳輸電路對控制器短路故障、對地短路開路等故障。以加速踏板信號1為例，信號先進(jìn)行上限和下限比對，如果超過了上限值則短高錯誤故障計數(shù)以200ms周期開始累加，累加至1S，錯誤標(biāo)志APS1_Hiv_error置1，如果低于下限值則短地錯誤故障計數(shù)增長至2S，錯誤標(biāo)志 APS1_Lov_error置1。否則經(jīng)歷故障輪巡時間之后，確認(rèn)沒有故障，故障標(biāo)志位APS1_Hiv_error，APS1_Lov_error為0。

2.3.2 同步校驗

對兩路加速踏板信號分別進(jìn)行短路故障處理后，還要通過判斷加速踏板信號的同步性是否合理，來最終選擇加速踏板位置傳感器信號輸出。圖8為同步性校驗控制模型，首先進(jìn)行同步異常判斷，將聯(lián)合濾波處理后得到的兩路輸出信號 APS1_Per和APS2_Per相差再取絕對值，若該值大于4%，且持續(xù)時間超過2S，則報出同步性故障，APS_Syn_error置1。

2.4 信號選取和安全機制處理

首先判斷2個傳感器的線路故障，若兩個傳感器沒有線路故障，再判斷同步性故障，若沒有同步性故障，則加速踏板傳感器信號輸出選用APS1_afterfilter。若2個傳感器有一個出現(xiàn)線路故障，則輸出另一路傳感器信號;若2個傳感器都出現(xiàn)線路故障，則輸出踏板開度0，并且VCU控制電機強制切換為怠速模式，進(jìn)入跛行狀態(tài);若2個傳感器都沒有線路故障，則進(jìn)入同步性診斷，若出現(xiàn)同步性故障，則踏板信號1的權(quán)重取0.6，踏板信號2的權(quán)重取0.4，輸出踏板開度。

3 仿真測試

圖9中，在時間戳5S處，加速踏板信號1電壓低于閾值，在第7S處APS1_Lov_error置1，報出加速踏板信號1短地故障。在第10S處加速踏板信號1電壓恢復(fù)正常，在第12S處APS1_Lov_error置0。

圖10中，在時間戳14.9S處，加速踏板信號1電壓高于閾值，在第15.9S處APS1_Hiv_error置1，報出加速踏板信號1短高故障。在第19.2S處加速踏板信號1電壓恢復(fù)正常，在第21S處APS1_Hiv_error置0。

圖11中，在時間戳13.9S處，加速踏板1的開度比加速踏板2高3%，未達(dá)到閾值4%，沒有報出同步性故障;在時間戳19.9S處，加速踏板1的開度比加速踏板2高5%，超過了閾值4%，約延時2S后，同步性故障標(biāo)志APS_Syn_error置1。

4 結(jié)論

基于加速踏板信號的特性，建立了信號聯(lián)合濾波、故障診斷模型，通過測試驗證，結(jié)果表明：

１）線路故障、同步性故障可以及時的診斷出來，發(fā)生故障后的信號處理邏輯合理，保證行車安全性。

２）采用聯(lián)合濾波算法，能夠有效消除干擾信號，能兼顧靈敏性和平穩(wěn)性，保證信號可靠。

參考文獻(xiàn)：

[1] J. Zhang， A. Amodio， B. Aksun-Guvenc， G. Rizzoni and P. Pisu， "Investigation of torque security problems in electrified vehicles"， Proc. ASME 2015 Dyn. Syst. Control Conf.， 2015.

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