電子節(jié)氣門(mén)系統(tǒng)故障管理策略研究

李衛(wèi)兵，吳 瓊，彭憶強(qiáng)，冀樹(shù)德

（1.安徽江淮汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合 肥 230601；2.西華大學(xué)交通與汽車(chē)工程學(xué)院，四川 成 都 610039；3.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，山西 大 同 037036）

隨著科技進(jìn)步，整車(chē)電子控制系統(tǒng)數(shù)量和功能不斷增加，它們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩響應(yīng)方式和控制精度要求越來(lái)越復(fù)雜。為了解決駕駛員與外界電子控制系統(tǒng)之間的扭矩需求協(xié)調(diào)，電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)（Electronic Throttle Control System，ETCS）逐步被采用［1－2］。ETCS采集駕駛員加速踏板信號(hào)，通過(guò)ECU計(jì)算進(jìn)氣量，由直流電機(jī)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩輸出和速度響應(yīng)。由此可見(jiàn)，系統(tǒng)中各部件的故障對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)安全運(yùn)行和扭矩輸出有著重要作用。由于ETCS系統(tǒng)每個(gè)部件的故障狀態(tài)復(fù)雜，因此本研究提出一種嵌入式故障狀態(tài)矩陣的故障管理方法，從部件到系統(tǒng)層面上研究ETCS故障管理策略。

1 ETCS組成

ETCS系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖1，它由2個(gè)加速踏板位置傳感器（PPS）、ECU、節(jié)氣門(mén)體、直流電機(jī)、2個(gè)節(jié)氣門(mén)位置傳感器（TPS）、剎車(chē)開(kāi)關(guān)以及連接線(xiàn)束組成，各部件通過(guò)線(xiàn)束連接 ECU（見(jiàn)圖2）［3－4］。

當(dāng)PPS1信號(hào)出現(xiàn)故障不能正確反映駕駛員的操作意圖時(shí)，如果此時(shí)TPS2信號(hào)也出現(xiàn)故障不能正確反映節(jié)氣門(mén)位置傳感器的狀態(tài)，那么就會(huì)導(dǎo)致直流電機(jī)不能正確控制節(jié)氣門(mén)動(dòng)作，造成發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩過(guò)大，出現(xiàn)車(chē)輛安全問(wèn)題。

2 ETCS部件故障管理

2.1 電子節(jié)氣門(mén)故障模式

TPS采用冗余設(shè)計(jì)方式，如圖2所示，2個(gè)傳感器共用1個(gè)電源供電，傳感器信號(hào)完全反向，任何時(shí)候2個(gè)傳感器輸出電壓之和都與參考電壓一致。利用該特性對(duì)2個(gè)傳感器輸出電壓一致性進(jìn)行相互校核和故障診斷。

TPS有2種故障模式：一種是與線(xiàn)路相關(guān)的斷路和短路故障，根據(jù)ISO 15031—6定義，當(dāng)輸出電壓值低于或者高于正常電壓范圍出現(xiàn)斷路故障時(shí)，TPS1／TPS2 故 障 碼 分 別 為 P0122／P0222，P0123／P0223［5］；另一種故障模式為2個(gè)傳感器信號(hào)不一致，當(dāng)TPS1和TPS2傳感器信號(hào)出現(xiàn)相關(guān)性故障時(shí)，故障碼為P2135。

用TPS＿Status定義TPS故障狀態(tài)。當(dāng)TPS1診斷模塊發(fā)現(xiàn)故障碼為P0122，TPS1和TPS2沒(méi)有出現(xiàn)相關(guān)性故障，此時(shí)定義傳感器的故障狀態(tài)為T(mén)PS＿Status＝1。表1列出根據(jù)TPS不同故障可能組合得到的TPS故障狀態(tài)。

表1 TPS故障矩陣

節(jié)氣門(mén)體失效模式主要是直流電機(jī)和節(jié)氣門(mén)閥片回位出現(xiàn)故障。直流電機(jī)線(xiàn)路出現(xiàn)低電壓時(shí)報(bào)故障碼P2102，高電壓時(shí)報(bào)故障碼P2103，線(xiàn)路斷開(kāi)時(shí)報(bào)故障碼P2100，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能故障時(shí)報(bào)故障碼P2101；當(dāng)出現(xiàn)節(jié)氣門(mén)閥片不回位時(shí)報(bào)故障碼P2119。通過(guò)表2計(jì)算得到節(jié)氣門(mén)故障狀態(tài)，將診斷結(jié)果存入變量Throttle＿Actuation＿Status中。當(dāng)直流電機(jī)診斷模塊出現(xiàn)故障碼P2102，節(jié)氣門(mén)閥片沒(méi) 有 出 現(xiàn) 卡 滯 故 障 時(shí)，Throttle＿Actuation＿Status＝2，用該值表示這種狀態(tài)。

表2 節(jié)氣門(mén)體故障狀態(tài)矩陣

用變量Throttle＿Status表示電子節(jié)氣門(mén)故障狀態(tài)，表3為電子節(jié)氣門(mén)故障狀態(tài)計(jì)算矩陣。當(dāng)電子節(jié)氣門(mén)沒(méi)有任何故障時(shí)，Throttle＿Status＝2；當(dāng)2個(gè)節(jié)氣門(mén)位置傳感器有1個(gè)失效不能安全可靠地判定位置時(shí)，Throttle＿Status＝1；當(dāng)2個(gè)傳感器都出現(xiàn)了故障或者執(zhí)行系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，電子節(jié)氣門(mén)系統(tǒng)失效，Throttle＿Status＝0。

表3 電子節(jié)氣門(mén)故障狀態(tài)矩陣

2.2 加速踏板失效模式

為了保證安全，PPS電路采用冗余設(shè)計(jì)方式，2路傳感器獨(dú)立工作，采用不同的參考電源，輸出電壓完全反向。將電子油門(mén)踏板的故障模式分為兩類(lèi)：一種是與連接線(xiàn)路相關(guān)的故障，PPS1／PPS2斷路報(bào) P2122／P2127，短路報(bào) P2123／P2128，用變量PPS＿Range表示PPS線(xiàn)路故障狀態(tài)（見(jiàn)表4）；另一種是與傳感器輸出特性一致性相關(guān)故障，當(dāng)出現(xiàn)傳感器信號(hào)一致性故障時(shí)報(bào)P2138，此時(shí)變量PPS＿Correlation＝1，否則為0。

表4 加速踏板位置傳感器線(xiàn)路故障狀態(tài)矩陣

用變量PPS＿Status表示電子油門(mén)踏板故障狀態(tài)。當(dāng)2個(gè)傳感器都出現(xiàn)故障時(shí)，電子油門(mén)踏板信號(hào)完全失效，PPS＿Status＝0；當(dāng)有1個(gè)傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，但不能完全可靠地給ECU傳達(dá)駕駛性操作意圖，此時(shí)性能受到限制，PPS＿Status＝1；沒(méi)有故障時(shí)PPS＿Status＝2。表5為油門(mén)踏板的故障狀態(tài)矩陣。

表5 油門(mén)踏板故障狀態(tài)矩陣

2.3 輔助部件故障失效模式

制動(dòng)信號(hào)也反映駕駛員的操作意圖，ECU需要接收制動(dòng)踏板的制動(dòng)信號(hào)，對(duì)車(chē)輛進(jìn)行安全控制。車(chē)速信號(hào)涉及到車(chē)輛安全，在ETCS系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)車(chē)速信號(hào)進(jìn)行安全性診斷。用變量Support＿Status表示這些輔助部件狀態(tài)。

沒(méi)任何故障時(shí)，Support＿Status＝0；當(dāng)制動(dòng)開(kāi)關(guān)出現(xiàn)故障時(shí)，Support＿Status＝1；當(dāng)車(chē)速傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，Support＿Status＝2；制動(dòng)開(kāi)關(guān)和車(chē)速傳感器都出現(xiàn)故障時(shí)，Support＿Status＝3。

進(jìn)氣壓力傳感器作為動(dòng)力輸出控制系統(tǒng)的一個(gè)重要部件，它的故障狀態(tài)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出有重要的影響。動(dòng)力系統(tǒng)的故障狀態(tài)需要綜合考慮該傳感器的故障狀態(tài)，ECU對(duì)進(jìn)氣壓力傳感器故障狀態(tài)進(jìn)行診斷，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)報(bào)P0068。

3 ETCS故障管理策略模型

將ETCS分為2個(gè)功能相關(guān)的子系統(tǒng)，一個(gè)是與駕駛員操作意圖相關(guān)的子系統(tǒng)，另一個(gè)為發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出控制子系統(tǒng)。建立ETCS的故障管理策略模型，從系統(tǒng)層面上確定各部件失效對(duì)整車(chē)安全行駛的影響及其應(yīng)對(duì)處理措施。

用變量Driver＿Status表示系統(tǒng)的故障狀態(tài)。當(dāng)子系統(tǒng)沒(méi)有任何故障時(shí)，Driver＿Status＝2；當(dāng)不能準(zhǔn)確判斷駕駛性操作時(shí)需要限制發(fā)動(dòng)機(jī)性能時(shí)，Driver＿Status＝1，該狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)的最大性能被限制，發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)變慢，當(dāng)踩制動(dòng)踏板時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)制進(jìn)入怠速；當(dāng)完全丟失油門(mén)踏板的操作意圖，發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)制進(jìn)入怠速控制模式時(shí)，Driver＿Status＝0。表6為駕駛員操作意圖子系統(tǒng)故障狀態(tài)計(jì)算矩陣。

表6 駕駛員操作意圖子系統(tǒng)故障狀態(tài)矩陣

用變量Power＿Control＿Status表示動(dòng)力控制子系統(tǒng)狀態(tài)。當(dāng)動(dòng)力控制系統(tǒng)沒(méi)有任何故障時(shí)，Power＿Control＿Status＝2；當(dāng)失去了對(duì)節(jié)氣門(mén)的控制能力時(shí)，節(jié)氣門(mén)只能回到初始位置，只能通過(guò)供油、點(diǎn)火和滅缸方式控制發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出，此時(shí)進(jìn)入動(dòng)力管理模式，Power＿Control＿Status＝1；當(dāng)ECU內(nèi)部系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)不能控制發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出，需要強(qiáng)制發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，Power＿Control＿Status＝0。

表7 動(dòng)力控制子系統(tǒng)狀態(tài)矩陣

用變量ETCS＿Status表示電子節(jié)氣門(mén)系統(tǒng)故障狀態(tài)，表8定義了如何通過(guò)駕駛員操作意圖子系統(tǒng)和動(dòng)力控制子系統(tǒng)計(jì)算ETCS系統(tǒng)工作狀態(tài)。

表8 電子節(jié)氣門(mén)系統(tǒng)故障狀態(tài)矩陣

1）當(dāng)ECU出現(xiàn)非常嚴(yán)重內(nèi)部程序問(wèn)題，或者節(jié)氣門(mén)體不能控制進(jìn)氣、燃油，點(diǎn)火和進(jìn)氣控制能力喪失，發(fā)動(dòng)機(jī)不能產(chǎn)生任何動(dòng)力。此時(shí)必須進(jìn)入強(qiáng)制熄火模式，報(bào)故障碼P2105，ETCS＿Status＝0。

2）當(dāng)節(jié)氣門(mén)位置傳感器發(fā)生故障，ETC系統(tǒng)不能通過(guò)節(jié)氣門(mén)控制動(dòng)力輸出，節(jié)氣門(mén)也不能可靠地回到缺省位置。怠速轉(zhuǎn)速控制主要靠點(diǎn)火、改變?nèi)加土亢蜏绺椎姆椒?，這個(gè)時(shí)候進(jìn)入怠速主要通過(guò)加速踏板的位置去辨識(shí)，系統(tǒng)處于功率輸出管理模式，報(bào)故障碼P2104，ETCS＿Status＝1。

3）當(dāng)不能可靠地識(shí)別駕駛員意圖時(shí)，只能讓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入怠速模式，這個(gè)時(shí)候車(chē)輛只能實(shí)現(xiàn)加熱、冷卻、電氣和燈光等功能，但是不能行駛。由于此時(shí)也是強(qiáng)制進(jìn)入怠速，但是不能對(duì)外輸出功率，所以也報(bào)出故障碼P2104，ETCS＿Status＝2。

4）當(dāng)不能通過(guò)節(jié)氣門(mén)控制發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力只能通過(guò)改變?nèi)加土亢忘c(diǎn)火方式確定，此時(shí)節(jié)氣門(mén)在缺省位置處，車(chē)輛可以緩慢行駛，但不能夠正常加速和爬坡等。該模式下限制性能和功率輸出，報(bào)故障碼P2106，ETCS＿Status＝3。

5）當(dāng)加速踏板冗余傳感器信號(hào)丟失時(shí)，駕駛員的操作意圖被限制，所以發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出被限制，發(fā)動(dòng)機(jī)隨加速踏板的響應(yīng)也減慢，踩制動(dòng)踏板就進(jìn)入了怠速，此時(shí)也報(bào)故障碼P2106，ETCS＿Status＝4。

6）沒(méi)有故障時(shí)，ETCS＿Status＝5。

4 ETCS故障管理策略建模

4.1 嵌入式故障狀態(tài)矩陣

由于每個(gè)部件的故障狀態(tài)是有限的，部件與部件之間的故障狀態(tài)可以通過(guò)排列組合方式進(jìn)行計(jì)算得到，這種排列和組合可以通過(guò)矩陣方式進(jìn)行表示。

嵌入式故障矩陣定義：故障矩陣A（x，y）的行x是通過(guò)故障矩陣B（i，j）計(jì)算得到，列是通過(guò)故障狀態(tài)C矩陣計(jì)算得到，而B(niǎo)矩陣和C矩陣中的行和列也分別是通過(guò)其他的矩陣計(jì)算得到或者是通過(guò)部件的故障狀態(tài)得到，由此可見(jiàn)B矩陣和C矩陣是嵌入在A矩陣內(nèi)部。

由圖3示意可知，B（2，2）＝3，C（2，3）＝1，計(jì)算得到A（1，3）＝4，最后系統(tǒng)的故障狀態(tài)為4。通過(guò)嵌入式矩陣表達(dá)部件、子系統(tǒng)和系統(tǒng)的故障狀態(tài)，便于從部件到系統(tǒng)狀態(tài)推理、查找與計(jì)算。

4.2 故障管理策略建模

利用Matlab／Simulink軟件建立ETCS故障管理策略模型（見(jiàn)圖4）。用sensor and actuator singal processing模塊處理來(lái)自電子油門(mén)踏板、電子節(jié)氣門(mén)等傳感器原始信號(hào)并進(jìn)行故障診斷，將各傳感器的故障狀態(tài)傳遞給Driver＿Status和Power＿Control＿Status 2個(gè)模塊。根據(jù)前文描述部件、子系統(tǒng)和系統(tǒng)的故障，查表計(jì)算當(dāng)前的故障狀態(tài)。

5 ETCS模型在環(huán)仿真與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述模型的正確性和可行性，利用MACS565快速原型系統(tǒng)（見(jiàn)圖5）進(jìn)行在環(huán)仿真和模型驗(yàn)證。

Matlab／Simulink開(kāi)發(fā)環(huán)境用于建立模型，通過(guò)RTW技術(shù)自動(dòng)將模型轉(zhuǎn)化成可以在MACS565上運(yùn)行的.rpc執(zhí)行文件。Winspecs監(jiān)控軟件將自動(dòng)生產(chǎn)的rpc文件寫(xiě)入到主控制器中，并對(duì)主控制器的RAM和FLASH進(jìn)行相關(guān)管理。車(chē)輛模擬器（VS－VVT）能夠提供汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)常用的各種傳感器信號(hào)，它能模擬各種模擬量、數(shù)字量，且符合各種傳感器的電壓輸出范圍和變化規(guī)律，ECU輸出信號(hào)可以在上面得到實(shí)時(shí)的反映。車(chē)輛模擬器可以對(duì)這些輸入信號(hào)進(jìn)行通、斷和一致性設(shè)置。

利用上述系統(tǒng)將模型寫(xiě)入控制器中，通過(guò)汽車(chē)模擬器模擬實(shí)際電子節(jié)氣門(mén)系統(tǒng)的部分故障狀態(tài)，驗(yàn)證模型的正確性，結(jié)果見(jiàn)圖6至圖8。

圖6示出電子油門(mén)踏板故障驗(yàn)證結(jié)果。利用車(chē)輛模擬器對(duì)PPS1傳感器進(jìn)行斷路時(shí)，報(bào)出故障碼P2122，PPS＿Range＝1，PPS＿Status＝1，駕駛員需求子系統(tǒng)故障狀態(tài)Driver＿Status＝1，進(jìn)入限制性能模式，報(bào)故障碼P2106。然后對(duì)PPS2傳感器進(jìn)行斷路，報(bào)出故障碼P2122，P2127，駕駛員需求子系統(tǒng)故障狀態(tài)Driver＿Status＝0，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入強(qiáng)制怠速，報(bào)出故障碼P2104。驗(yàn)證結(jié)果與模型一致，符合ISO 15031標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7示出節(jié)氣門(mén)位置傳感器故障模型驗(yàn)證結(jié)果。對(duì)兩路節(jié)氣門(mén)信號(hào)逐一進(jìn)行斷路，系統(tǒng)立刻進(jìn)入了強(qiáng)制怠速模式，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度保持默認(rèn)值，不再響應(yīng)駕駛性的操作。

圖8示出直流電機(jī)故障模型驗(yàn)證結(jié)果，對(duì)直流驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路進(jìn)行斷路試驗(yàn)，系統(tǒng)立刻進(jìn)入強(qiáng)制怠速模式，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度保持默認(rèn)值，不再響應(yīng)駕駛性的操作。

6 結(jié)束語(yǔ)

由于電子節(jié)氣門(mén)系統(tǒng)的安全性能直接關(guān)系到整車(chē)安全性，所以針對(duì)電子節(jié)氣門(mén)系統(tǒng)各部件的故障管理策略進(jìn)行研究，確保整車(chē)系統(tǒng)的安全。首先對(duì)電子油門(mén)踏板、電子節(jié)氣門(mén)等部件的失效模式進(jìn)行分析，根據(jù)各子系統(tǒng)的故障狀態(tài)矩陣計(jì)算得到子系統(tǒng)的故障狀態(tài)，最后確定電子節(jié)氣門(mén)系統(tǒng)的故障狀態(tài)及ISO 15031—6定義的故障碼。

通過(guò)Matlab／Simlink軟件建立故障管理模型，利用快速原型開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行模型驗(yàn)證，結(jié)果證明，由車(chē)輛模擬器注入故障后，故障管理模型能夠正確報(bào)出故障碼。

［1］ 吳 瓊.基于模型的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩研究［D］.成都：西華大學(xué)，2009.

［2］ 陶國(guó)良，郭 連.電子節(jié)氣門(mén)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)［J］.車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2003（4）：1－5.

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