純電動汽車加速踏板信號處理機制研究

鄭潤

（合肥工業大學，安徽 合肥230009）

1 加速踏板信號研究現狀

在純電動汽車加速踏板故障診斷技術研究中，采用非接觸式霍爾傳感器作為加速踏板位置傳感器，并使用改進的一階濾波算法對信號進行處理。為滿足加速踏板的高診斷率和覆蓋率需求，根據ISO 26262設計了一種應對加速踏板信號失效的安全機制，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性[1-3]。

2 加速踏板信號解析

加速踏板硬件的兩路踏板的5 V模擬信號電源由整車控制提供，整車控制器實時采集兩路模擬信號的電壓，從而識別加速踏板當前的狀態和踏板的位置。

加速踏板信號處理機制如圖1所示，整車控制器對兩路加速踏板信號的處理分為兩個模塊：①加速踏板信號有效性判斷。采集加速踏板傳感器輸出的AD信號，并將其轉化為對應的電壓信號，對轉化的電壓信號進行有效性診斷，確定用于計算加速踏板開度的電壓值。②加速踏板開度計算。將加速踏板有效電壓進行歸一化處理，并進行故障診斷與控制，最后將計算后的踏板開度輸出給扭矩處理模塊進行扭矩計算。

圖1加速踏板信號處理機制

在加速踏板信號有效性判斷中，首先將輸入的AD值進行電壓值轉換，轉換公式為：

式（1）中：PV_out為加速踏板實際的模擬電壓值；Pin為基礎層實時采集的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。

對轉換后的電壓值采用滾動平滑濾波法進行濾波，濾波算法為：

式（2）中：Pout為當前輸出電壓值；Ttick為采樣周期；Tenum為時間常數；Pin為當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算中，首先對有效性輸出的兩路踏板電壓信號進行計算：

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

將計算得出的開度信號經過故障診斷控制方可輸出至扭矩控制模塊，進行當前駕駛員需求扭矩計算。

3 加速踏板信號故障診斷

為了真實有效地反映出駕駛員對當前扭矩需求，對加速踏板信號的診斷必須快速準確，既不能因為故障診斷而犧牲精度，也不能因為故障診斷而將當前踏板開度延時時間過長，所以診斷算法必須選取合適。本文選擇邏輯門診斷策略，該策略具有響應時間周期短、穩定性高、使用廣泛、相對成熟等優點。

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

短路故障診斷：根據加速踏板特性曲線可查得兩路踏板信號的上限和下限值，并根據此值設定故障檢測的上下限閾值。加速踏板的第一路信號區間值為[（0.75±0.15）V，（3.84±0.25）V]，即當信號輸入值為（0.75±0.15）V時，則認為第一路信號輸入的開度為0%，當信號輸入的值為（3.84±0.25）V時，則認為第一路信號輸入的開度為100%。加速踏板第二路信號區間值為[（0.375±0.2）V，（1.92±0.3）V]，即當信號輸入值為（0.375±0.2）V時，則認為第二路信號輸入的開度為0%，當信號輸入的值為（1.92±0.3）V時，則認為第二路信號輸入的開度為100%。將輸入的兩路踏板信號和設定的短路閾值進行比較，若大于設定的閾值則認為出現短路故障。

圖2加速踏板故障診斷流程

同步性故障診斷：根據加速踏板特性曲線可知，第一路踏板信號值是第二路踏板信號值的2倍，根據特性曲線設定同步性故障診斷的閾值。將經過短路故障診斷輸出的兩路踏板信號進行分離，并將第二路踏板信號進行增益，將增益后的踏板信號和第一路踏板信號做差值處理，若得到的值不在設定的閾值范圍內，則判定當前出現不同步故障。

故障確認：由于加速踏板的信號來源于電壓型傳感器，傳感器的工作會受到周圍環境的影響，例如溫度、供電電壓以及機械操作等，所以需要對診斷出的瞬時性故障進行故障確認，以免診斷有誤。故障確認可利用防抖動處理機制，即在設定的時間里，若診斷出的短路瞬時故障和不同步瞬時故障在計數器累加超出設定的閾值時依舊沒有得到清除，此時就可以認為踏板信號出現短路故障或不同步故障。將確認的故障標志狀態傳遞給故障控制環節，以此來保證踏板信號的準確性以及整車的安全性。

4 加速踏板信號控制

為了防止加速踏板輸入信號不符合特性曲線，需要制定合適控制策略進行信號處理，考慮到加速踏板采用雙路信號輸入，即硬件采用了冗余結構設計，所以采用容錯控制思想。加速踏板信號控制一般采用容錯替換法，根據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設定權重，對權重參數進行計算得出加速踏板最終輸出的開度值。

權重參數分別有第一路加速踏板信號值（APS1）、第二路加速踏板信號值（APS2）、上一時刻加速踏板開度值以及替代值，每一個權重參數在相應故障下的權重值如表1所示。

表1加速踏板故障控制權重值

加速踏板信號控制策略采用基于信號的控制率重構方式，重構算法中權重參數參考表1計算。當故障診斷模塊輸出信號存在瞬時性短路故障或不同步故障，則加速踏板信號計算值由上一時刻踏板開度值替代輸出；當故障診斷模塊輸出信號存在第一路加速踏板信號確認性故障，則加速踏板信號計算值由第二路加速踏板信號值替代輸出；當故障診斷模塊輸出信號存在第二路加速踏板信號確認性故障，則加速踏板信號計算值由第一路加速踏板信號值替代輸出；當故障診斷模塊輸出兩路加速踏板信號同時存在確認性故障，則根據整車安全要求設定的安全值替代加速踏板信號計算值；當故障診斷模塊輸出信號存在不同步確認故障，則根據整車安全要求設定的安全值替代加速踏板信號計算值；當故障診斷模塊輸出信號不存在故障時，則加速踏板信號計算值由第一路和第二路踏板信號值各取1/2計算后輸出。

5 加速踏板信號仿真測試

按照加速踏板信號處理流程，在Matlab/Simulink中搭建加速踏板信號仿真模型，并進行了仿真測試，按照加速踏板信號處理機制設計測試用例，將設計好的測試用例注入進行仿真測試，得到的仿真測試結果如圖3所示。

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

圖3測試加速踏板開度輸出

6 結論

根據加速踏板的仿真測試結果可以得出，按照本論文中提出的加速踏板信號處理機制可以比較理想地實現純電動汽車對驅動安全的設計要求。