發動機傳感器故障硬件在環仿真平臺研究

周 兵 楊 靜 習 綱 陳 鵬

1.湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙，410082 2.聯合汽車電子有限公司，上海，201206

0 引言

發動機電控系統是一個較為復雜的系統，使用了大量不同類型的傳感器，這些傳感器被用來測量系統中的各種物理量和狀態，為電控系統提供最原始的信息［1］。然而，傳感器在使用過程中，經常會出現接觸不良、信號干擾、電路短接等故障，使得傳感器測量信號出現偏差，進而導致發動機性能衰退或不能可靠工作。

針對發動機運行過程中所出現的各種傳感器故障，在實際電控單元功能開發過程中，需要根據不同故障類型，開發不同的容錯功能包對所出現的故障進行修復。對于容錯功能包的開發，普遍采用的步驟是：①分析故障原因；②提出解決方案；③對解決方案進行可行性分析；④按照可行方案編寫功能包；⑤對功能包進行驗證；⑥功能包發布。其中，第⑤步中對功能包的驗證貫穿于功能開發后期的整個階段。通常情況下，為了確保所開發功能能在實車上可靠實現，在對功能包進行驗證時，需要做大量試驗以對其中的一些匹配參數進行不斷的修改。由于傳感器故障發生過程是隨機的，試驗時在實車上完全復現故障是有一定難度的，因而，迫切需要能完整復現傳感器信號故障的試驗臺。

硬件在環（hardware－in－the－loop，HIL）是一種實時仿真測試技術，它把實際的被控對象或其他的系統部件用高速計算機上實時運行的仿真模型來代替，而電控單元或其他外部負載則用實物與仿真模型連接在一起，構成閉環回路，對電控系統的功能進行測試和驗證。目前比較常用的硬件在環開發工具包括［2－6］：德國 ETAS公司的LabCar設備、美國ADI公司的ADRTS系統、德國dSPACE硬件在環實時仿真系統、美國NI公司的Lab VIEW－SIT系統等。

與以往只依靠Lab VIEW－SIT系統不同，本文首次將VeriStand開發工具引入發動機電控系統硬件在環仿真平臺的開發，并聯合Lab VIEW和Simulink軟件，使得所開發平臺的功能更強大，可重配置性更強。

1 硬件在環仿真平臺構成

發動機電控系統硬件在環仿真平臺就是為電控單元提供一個虛擬的工作環境，它的主要功能包括3個方面：①通過發動機動態模型，模擬實車運行工況；②除外接真實負載外，模擬其他真實的傳感器信號，并傳送給電控單元使其能夠正常工作；③對電控單元發出的控制信號進行實時采集分析，獲取發動機運轉所需關鍵信息，并傳遞給發動機動態模型。

根據功能要求，本文設計的硬件在環仿真平臺由硬件和軟件兩部分組成，如圖1所示。硬件包括上位機、下位機、信號轉換接口和發動機電控單元；軟件包括仿真模型和上位機監控界面。其中，軟件部分功能通過以下幾個步驟實現：

（1）利用上位機在Simulink中建立發動機模型；

（2）通過VeriStand目標語言編譯器控制MATLAB＼RTW模塊生成模型動態鏈接庫；

（3）在上位機中，通過MAX部署IP地址，使上位機和下位機借助以太網進行通信；

（4）將步驟（2）中生成的模型動態鏈接庫經VeriStand引擎下載到下位機中實時運行；

（5）上位機實時獲取下位機中模型的運行狀態，并在Lab VIEW建立的上位機監控界面中實時顯示模型運行情況、在線調整參數。

圖1 硬件在環仿真平臺構成

1.1 硬件系統

1.1.1 上位機系統、下位機系統

硬件在環仿真平臺由上位機、下位機2臺計算機組成。上位機為普通PC機，用于編制車輛動力學模型、分配車輛動力學模型和電控單元通信所需硬件通道、開發上位機監控界面；下位機為工業控制器PXI－8108，用于運行汽車動力學模型和VeriStand引擎。下位機運行在實時內核下，可以保證整個硬件在環測試的實時性要求。

1.1.2 信號轉換接口

信號轉換接口由1塊FPGA PXI－7833R可編程卡、PXI－6723模擬卡、PXI－6289多功能DAQ卡及相關信號調理電路模塊組成。信號轉換接口的功能是實現車輛動力學模型和發動機電控單元之間的信號轉換。其中，信號發生程序根據模型計算出的發動機狀態，將轉速、進氣壓力、發動機冷卻液溫度、車速、廢氣氧含量等參數，以發動機電控單元能夠識別的電壓信號輸出，從而提供電控單元控制算法中點火提前角、噴油時間等的計算輸入。

對于有4個噴油嘴、2個點火線圈的電控單元，信號采集程序通過6個高速數字輸入/輸出口分別對噴油信號和點火信號進行采集。對于其他驅動信號，如進氣渦流控制閥、油泵繼電器、空調壓縮機繼電器等信號采用多路模擬輸入對其進行采集。其中，點火、噴油信號具有持續時間短、高刷新率的特點，因此，對點火信號和噴油信號的快速識別是軟件設計的關鍵。此外，由于發動機完成一個工作循環會分別經過壓縮和排氣2個上止點，而對于點火信號而言，只有壓縮上止點附近所采集的點火信號才是有用的（噴油信號采集與點火信號類似），因此，點火信號窗和噴油信號窗的正確配置，對系統的正確運行也起到至關重要的作用。

1.2 軟件系統

系統硬件是整個系統工作的基礎，而系統軟件則是系統正常工作的保證。硬件在環仿真平臺的軟件主要指數學模型平臺、配置平臺、監控平臺等。數學模型平臺是基于 MATLAB/Simulink建立的車輛動力學模型；配置平臺采用VeriStand開發環境，該平臺能實現對軟件和硬件的綜合管理；監控平臺采用Lab VIEW開發環境，用于實現上位機對車輛動力學模型及硬件的監控。

1.2.1 車輛動力學模型

車輛動力學模型由發動機模塊、駕駛員模塊、環境模塊三部分組成。其中，發動機模塊包括進氣系統、燃油系統、燃燒系統、廢氣系統和傳動系統。傳動系統包括離合器、變速器和差速器等。

車輛動力學模型是通過扭矩方式來傳遞動力的，在外接電控單元情況下，數據流的傳遞方向如圖2所示。

圖2 車輛動力學模塊之間數據通信

在駕駛循環模塊中，設定目標車速值，駕駛員模塊將當前車速值與目標車速進行比較，確定油門開度大小。發動機電控系統得到油門開度和當前發動機轉速，根據內部策略計算出噴油時間與點火提前角，輸出至發動機模塊，并以此計算出發動機輸出扭矩；傳動系統模塊依據駕駛員的輸出擋位、發動機的輸出扭矩計算出作用于驅動輪的驅動扭矩；車輛動力學模塊綜合驅動輪的驅動扭矩和環境模塊產生的各種阻力矩后，將扭矩轉換為轉速與車速信息，并輸出至駕駛員模塊和發動機電控系統，形成閉環控制。

1.2.2 VeriStand環境下上位機監控系統

VeriStand是一種配置實時測試應用程序的軟件環境，用來配置硬件和建立模型與硬件之間的映射，并將這種配置和車輛動力學模型通過VeriStand引擎以以太網的形式部署到下位機實時系統。

1.2.3 Lab VIEW環境下上位機監控系統

為便于對仿真過程進行監控、對參數進行調整以及對仿真過程中可能出現的不可預期的故障進行監測與分析，需構建仿真監測系統，以便對仿真系統運行狀態和工作參數進行測控和調試［7］。本文運用Lab VIEW建立了硬件在環仿真平臺的上位機監控界面，上位機監控界面即虛擬駕駛室，分為自動駕駛模式和手動駕駛模式兩種。駕駛員可以靈活選擇車輛在不同的模式下運行，如自動駕駛模式下的駕駛循環選擇，非自動駕駛模式下的油門開度、制動踏板位置、擋位選擇與離合器的結合和分離。

無論駕駛員選擇自動駕駛模式還是手動駕駛模式，都可以實時對轉速、發動機冷卻液溫度、發動機扭矩、進氣壓力、燃油壓力、車速等參數進行手動配置，并可以通過顯示控件對比配置值和車輛模型計算值的一致性。另外，在上位機監控界面也可以實時讀取發動機電控單元的輸出信號值，如點火提前角、噴油時間等。

2 傳感器故障信號模擬系統設計

發動機中傳感器根據輸出信號類型可分為模擬式和數字式兩種［8］。模擬式如節氣門位置傳感器、進氣壓力傳感器、溫度傳感器等，這一類型的傳感器都是以電壓值的大小表征不同的物理量的；數字式如轉速傳感器，這種類型的傳感器都是以信號頻率表示其所代表的物理量大小的。

根據傳感器輸出信號類型的不同，本文對模擬式傳感器故障模擬進行了設計。

模擬式傳感器的典型代表如節氣門位置傳感器，發動機在工作過程中，由于節氣門位置傳感器信號的電壓偏置或電壓抖動，經常會出現怠速轉速不穩或高怠速現象，嚴重影響發動機正常工作性能。根據節氣門位置信號故障發生原因的不同，本文設計了8種不同類型的故障，見表1。

表1 節氣門位置信號故障列表

發動機工作過程中，電控單元對節氣門開度信號的讀取頻率為1k Hz，為了保證故障信號能和節氣門位置傳感器輸出信號同步、無偏差的輸入到電控單元，此處采用可重配置板卡NI PXI－7833R對故障信號進行模擬。支持FPGA模塊的PXI－7833R板卡能以25ns的速率執行并實現自定義信號處理、仿真和觸發控制任務，完全滿足高采樣率要求。

節氣門位置傳感器故障信號模擬實現步驟參見圖3。依據圖3所示算法步驟，在Lab VIEW中編程實現后的程序前面板如圖4所示。

3 試驗結果與分析

由于篇幅限制，本文僅以機械式節氣門位置傳感器信號漂移故障為例進行說明。

圖3 節氣門位置傳感器故障信號實現步驟

圖4 節氣門位置傳感器故障信號模擬

怠速節氣門開度定義為：發動機怠速時，節氣門位置傳感器所得電壓值的大小。發動機怠速運行時，電控系統會將該開度值與節氣門位置傳感器所測得開度值實時進行比較，并將較小值記為新的怠速節氣門開度，即

式中，w1為怠速節氣門開度；n為怠速節氣門開度的更新次數；w2為節氣門位置傳感器所測得開度值。

發動機正常運行時，當節氣門位置傳感器所測得開度值與怠速節氣門開度小于某一個閾值Δw時，怠速標志位立即置1。此時，電控系統就認為發動機已經到達怠速條件，便對發動機進行怠速控制。閥值Δw根據電控單元所使用平臺的不同取值會有所差異，取值過大會導致電控系統過早對發動機進行怠速控制；取值過小則會導致怠速標志位難以識別。因此，在實際應用過程中，應根據電控單元使用情況不斷進行調整。

故障條件下，節氣門位置傳感器由于信號漂移，在加速踏板閉合時，電控系統不能正常識別怠速位置，從而導致電控系統無法對發動機進行怠速控制，進而出現怠速不穩或高怠速現象。

3.1 實車試驗結果分析

圖5所示為使用機械式節氣門體的某款轎車在出現節氣門位置傳感器信號漂移時，發動機轉速情況和怠速置位情況。圖中上方表示發動機轉速，下方表示發動機怠速標志位置位情況，怠速標志位為1表示怠速，為0表示非怠速。

圖5 發動機怠速不穩實車測量數據

從圖5中可以看出，在t＝300s之前，發動機一直處于穩定怠速狀態，怠速標志位為1，轉速n＝800r/min。在t＝300s時刻，駕駛員迅速踩油門到底并放松，在t＝320s時刻，轉速恢復到怠速轉速。但由于節氣門位置信號漂移，在怠速轉速恢復后，怠速標志位一直在0和1之間來回波動，電控系統無法對發動機進行正常的怠速控制，從而導致在后續一段時間轉速一直處于波動狀態，即怠速不穩。

針對此問題，對原來電控系統中對怠速位置識別的方法進行了重新設計，即在一定限度范圍內，隨著踏板位置的變化，怠速位置信號電壓會相應地改變，使得當駕駛員松開加速踏板時，電控系統能重新進入怠速控制，如圖6所示。

從圖6可以看出，在t＝150s時刻，即駕駛員踩踏板之前，轉速一直穩定在796r/min，松開踏板后，怠速標志位很快置位，發動機轉速在經過20s左右的波動后也恢復到了加速前的水平。

圖6 發動機怠速穩定實車測量數據

3.2 硬件在環試驗結果分析

應用2.1節所設計的傳感器故障硬件在環仿真平臺，對3.1節所述車型節氣門位置傳感器故障進行了模擬，結果如圖7、圖8所示。圖7所示為節氣門位置傳感器出現信號漂移時，發動機運行情況。圖8所示為重新設計怠速識別方法后發動機的運行情況。

從圖7可以看出，在t＝80s之前，轉速一直穩定在798r/min左右，在駕駛員松開加速踏板后，怠速標志位一直在0和1之間反復跳動，從而使得發動機轉速也在怠速穩定轉速上下來回波動。

圖7 發動機怠速不穩試驗臺測量數據

圖8 發動機怠速穩定試驗臺測量數據

從圖8可以看出，在t＝235s之前（即駕駛員踩踏板之前），轉速一直穩定在797r/min左右，松開踏板后，經過25s左右的波動，怠速標志位置位，轉速很快恢復到正常水平。

分別對比圖5和圖7、圖6和圖8可以看出，本文所設計的傳感器故障硬件在環仿真平臺能準確模擬實車測得的節氣門位置傳感器故障，而新開發的容錯功能包也能完全修復所出現的故障，因而，本文所開發的傳感器故障硬件在環仿真平臺完全符合測試要求。

4 結論

（1）利用Simulink、VeriStand、Lab VIEW 開發的硬件在環仿真平臺功能完善，人機界面友好，具有動態監控、調試等功能，為發動機電控系統參數匹配和控制策略優化等功能測試提供試驗平臺。

（2）設計的傳感器故障模擬系統能對發動機中容易出現故障的節氣門位置傳感器、進氣壓力傳感器、冷卻水溫傳感器等進行故障信號模擬，并且能復現實車上難以出現的故障類型。

（3）實車試驗結果表明，本文所設計的傳感器故障模擬硬件在環仿真平臺具有使用方便、可靠性強、精度高等特點。

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