汽車電子加速踏板可靠性控制的研究

廣州廣電計量檢測股份有限公司 陳 寧

對于傳統的汽車運行來說，主要通過機械連接的方法，有效控制拉線式節氣門的開度，其加速踏板的控制較為簡單，但是往往出現數據偏差，影響操作的精確度，造成發動機工作狀態和汽車的運行狀況不相符。應用汽車電子加速踏板，通過傳感器采集踏板位置的信號，經過電控技術單元的處理之后，就可以通過伺服電機來精確控制電子節氣門的開度，不單純地由駕駛員操縱加速踏板而決定；在電控單元運行過程中，結合發動機的工況以及汽車行駛的狀態等，有針對性地調整節氣門開度，確保發動機始終處于良好的運行過程，保障企業的安全性、舒適性與動力性。雖然這一過程中的控制較為復雜，但是精確度高，當前已經普遍投入使用。

另外，為了更好地提升節氣門開度的精確性、可靠性，國內外已經針對此問題開展了大量的研究，提出了各種各樣的控制技巧與計算方法，如模糊控制、PID控制、滑膜控制等，但是具體到汽車電子加速踏板的可靠性研究卻十分有限。應該考慮到，汽車電子加速踏板與電子節氣門的開度控制密不可分，在電子加速踏板的工作過程中，必須保障踏板信號的精準性，加強汽車電子加速踏板可靠性控制的相關分析，具有重要意義。

1.汽車電子加速踏板的工作原理

汽車電子加速踏板主要包括踏板、電路、位移傳感器及相關附件等；利用位移傳感器的作用，可以將踏板的位置信號轉化為電壓模擬信號；在踏板中，存在兩個獨立發生作用的傳感器，可以根據踏板位置的變化情況，對輸出端的電阻值做出相應變化調整，進而帶動輸出電壓信號的變化，只要測試輸出電壓值的大小就可以判斷踏板具體位置。

2.汽車電子加速踏板的可靠性控制策略

2.1 信號濾波的診斷

對于經過位移傳感器傳輸的電壓模擬信號來說，必須經過濾波處理之后，減少信號中存在的毛刺或干擾問題，以此提高信號的精準性、有效性。例如，采取限幅濾波與中位值平衡濾波相結合的方法，處理電壓信號濾波，如圖1所示。

為了更好地提高信號可靠性，在經過濾波處理之后，必須診斷信號狀況，以保障其檢測的精準性。分別在踏板空載與踏板滿載的位置進行濾波信號的比較，如果獲得數值大于滿載位置的電壓或者小于空載位置的電壓，則可判斷該信號出現錯誤，此時需要輸入APS1信號的錯誤標志位：APS1_Signal_Error為1；如果該數值位于滿載位置電壓和空載位置電壓的數值中間，那么可判斷該信號為正確信號，此時需要輸出標志位：0。為確保所有濾波后的正確信號都能被檢測到，在設定比較電壓時，放大上下限值的范圍，因此設定APS1比較電壓上限值U’max1=0.961V，下限值U’min1=0.085V；設定APS2比較電壓上限值U’max2=0.496V，下限值U’min2=0.010V。

2.2 傳感器的信號選擇

在汽車電子加速踏板中，分別存在兩個獨立運行的傳感器，當系統處于工作狀態，其中一個傳感器的輸出信號就是顯示踏板位置的信號。首先，應該判斷兩個傳感器分別所處的信號狀態，如何二者均存在故障或缺陷，則此時輸出傳感器選取標志位：APS_Sensor_Choice為0；且輸出選取信號APS_Sensor為0；如果兩個傳感器只有一個發生故障，那么另一個傳感器仍然可以用于正確輸出信號，并獲得相應位置的標志位，此時選取傳感器APS1的標志位：1；傳感器APS2的標志位：2。如果兩個傳感器都處于正常狀態，那么利用APS1的信號值減去APS2信號值的2倍，將其差值的絕對值與事先設定的限值進行比較，如果大于限值，則信號存在錯誤，此時輸出選取標志位：0，輸出信號也為0；如果小于該限值，則由傳感器APS1信號作為輸出信號。

圖1 信號濾波及其診斷控制模型

圖2 傳感器故障診斷的模型

圖3 傳感器APsl仿真測試

圖4 傳感器Aps2仿真測試

2.3 傳感器的故障診斷

為了更好地確定經過信號診斷發生錯誤信號的原因，必須進一步診斷錯誤信號，判斷其是否由于傳感器故障而引起。當前，大多采用對錯誤信號進行頻度與寬度的檢測，其中頻度檢測設置在特定的時間范圍內，查看累計出現錯誤信號的次數是否超過限定值；寬度檢測主要判斷連續出現錯誤信號的頻率是否已經超過了事先設定的次數。例如，在傳感器APS1中進行寬度檢測，如圖2所示。

假定其中a=15，如果連續出現了15次以上的錯誤信號，那么就可判定傳感器發生故障，此時輸出APS1傳感器故障的標志位：APS1_Signal_Error為1；在進行頻度檢測時，系統運行的周期為5ms，設置時間的周期為1s，那么在該周期范圍內運行的次數為200次，假設c=200，b=25，當周期內累計出現的錯誤信號超過了25次，則判斷傳感器發生故障，此時輸出傳感器故障的標志位：1。反之，如果沒有超過25次，則輸出標志位：0。為了保證加速踏板開度的穩定性，且方便系統采樣和計算，須對計算得到的加速踏板開度值做取整運算，只保留加速踏板開度值的整數位。

如果傳感器的故障標志位APS1_Signal_Error為1，那么可以判斷該傳感器存在故障，為了確保系統能夠保持平穩、可靠地運行，應停止使用由該傳感器輸出的信號，不需要繼續判斷傳感器的故障；當傳感器發生故障之后，系統也無需針對其故障進行建模，只有檢修合格之后，才能重新啟動系統并投入工作。

2.4 定標處理過程

當已經選擇了正確的信號指揮，應該將輸出的電壓模擬信號轉化為數字信號；也就是將傳感器中的輸出電壓轉換為電子加速踏板的開度值；例如，在應用傳感器APS1時，假設踏板處于空載位置對應的加速踏板為0開度；在滿載位置時對應的加速踏板為100%開度，那么為了避免去除誤差、空行程等對加速踏板開度造成影響，應該設置電壓為0.145V和加速踏板的0開度對應；同時設置電壓為0.911V和加速踏板的100%開度對應，改對應關系呈為現象變化模式。

3.項目檢測與試驗

為了更好地提高汽車電子加速踏板可靠性控制效果，需要對控制的過程進行仿真試驗，如濾波測試、傳感器故障測試、信號測試及定標測試等。通過構建仿真測試的控制模型，APS1輸入信號約為APS2輸入信號的2倍；

利用MotoTron快速控制的原型開發工具，在Matlab的運行環境中，利用編譯軟件進行仿真測試，將程序代碼輸入到MotoTron產品級的開發中，形成一個快速、精準的控制原型控制系統。利用信號發生器，可模擬事先設置的踏板位置電壓信號值，以此作為快速控制原型控制系統的輸入依據。經過濾波處理之后，可減少毛刺和脈沖對信號產生的干擾，對傳感器APS1進行測試，判斷其周期內的信號是否正確，包括寬度檢測、頻度檢測等。如圖3、4所示。

傳感器APS2在0.23s發生信號錯誤，在第0.28s經過寬度檢測之后，判斷為傳感器故障；在0-0.09s范圍內，傳感器APS1與APS2均處于正常狀態；從0.28s開始，傳感器APS1處于正常狀態，而傳感器APS2發生故障。

4.結論與思考

本文系統性地分析了汽車電子加速踏板的工作原理，在此基礎上構建電子踏板可靠性控制模型，通過檢測與試驗，獲得如下結果：

（1）通過對傳感器的信號進行選取、判斷傳感器的故障，可有效避免由于傳感器故障而造成輸出失誤，進而影響加速踏板開度的精準性，保障電子加速踏板的可靠性；

（2）采取聯合濾波技術，可減少干擾信號，進而避免影響踏板的信號采集，保障信號精確性、完整性；

（3）經過對輸入踏板位置信號的處理，可以精確地控制加速踏板開度，滿足可靠性控制要求，提高行車安全性。

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