曹子健 吳長水 陳禮

關(guān)鍵詞：主動進(jìn)氣格柵；軟件架構(gòu)；故障診斷；故障注入

國六標(biāo)準(zhǔn)的出臺與實施，使各大汽車廠商對排放的要求更加嚴(yán)格，并嘗試通過不同的技術(shù)手段解決問題[1-2]。主動進(jìn)氣格柵（activegrilleshutter，AGS）技術(shù)作為其中一項舉措，能夠根據(jù)汽車的不同工況，調(diào)節(jié)柵葉開閉角度，控制發(fā)動機艙的進(jìn)氣量，提升發(fā)動機冷機狀態(tài)的運行效率，同時改善汽車的空氣動力學(xué)性能，有效減小行駛阻力，提高燃油經(jīng)濟(jì)性[3-5]。據(jù)J.Bouilly等的評估結(jié)果顯示在-7°和25°新歐洲駕駛循環(huán)周期（newEuropeandrivingcycle，NEDC）工況下，燃油經(jīng)濟(jì)性能夠提高1.7%～2.4%[6]。但由于車輛本身運行工況較為復(fù)雜，格柵會出現(xiàn)在某一開度范圍內(nèi)的頻繁啟停，對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了較高要求，因此監(jiān)測主動進(jìn)氣格柵的運行狀態(tài)非常重要。

近年來，主動進(jìn)氣格柵技術(shù)在一些中高端車型上得到應(yīng)用，取得了一定成效。隨著該技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用，對其優(yōu)化設(shè)計研究尤為重要。賈青等[7]通過氣動阻力與散熱需求之間的模擬仿真，優(yōu)化進(jìn)氣格柵策略，提高燃油經(jīng)濟(jì)性；N.Dutta等[8]針對主動進(jìn)氣格柵與其他系統(tǒng)相互作用的復(fù)雜性，提出用系統(tǒng)工程的方法來研究主動進(jìn)氣格柵，優(yōu)化其控制策略；LIJiacheng等[9]通過建模，對機艙內(nèi)的關(guān)鍵部件進(jìn)行仿真，并結(jié)合散熱量的研究，得到主動進(jìn)氣格柵的最佳開度曲線，依此對控制策略進(jìn)行優(yōu)化。謝月鳳[10]將AGS系統(tǒng)控制模式分為初始化模式、故障模式、正常模式和手動模式4種，并在故障模式控制方案中設(shè)置了內(nèi)部故障處理機制和外部故障處理機制來進(jìn)行故障的處理；殷杰[11]采用了有限狀態(tài)機和基本的simulink/stateflow模塊庫實現(xiàn)控制邏輯，在增扭驅(qū)動模式狀態(tài)對堵轉(zhuǎn)進(jìn)行處理，在錯誤模式狀態(tài)下，對故障進(jìn)行處理。目前對于主動進(jìn)氣格柵的研究主要偏向于通過優(yōu)化其控制策略以進(jìn)一步提高燃油經(jīng)濟(jì)性，對于格柵的故障診斷以及處理等可靠性與穩(wěn)定性方面的研究較少，故障的分類以及處理動作比較單一。

因此，本文以上述研究結(jié)果為基礎(chǔ)，提出一種故障診斷策略。在該策略中，增加故障診斷類別，明確故障在各狀態(tài)下的跳轉(zhuǎn)條件，引入故障分級處理機制對故障進(jìn)行處理[12]；并增加格柵擋點位置自適應(yīng)算法，減小誤差干擾，降低故障誤報率，以提高系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

1主動進(jìn)氣格柵及電控系統(tǒng)

主動進(jìn)氣格柵系統(tǒng)主要由3部分構(gòu)成，即傳感器、控制單元、執(zhí)行器。執(zhí)行器又分成執(zhí)行電機、減速機構(gòu)和格柵3部分。工作過程中，傳感器采集溫度、車速、空調(diào)狀態(tài)等相關(guān)信號，傳送至控制單元，經(jīng)由相關(guān)控制策略計算出格柵最優(yōu)開度，然后傳輸給執(zhí)行器，執(zhí)行相應(yīng)動作[13]。由整個工作進(jìn)程可知，為保證格柵動作執(zhí)行的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，必須對格柵系統(tǒng)進(jìn)行實時診斷監(jiān)測。主動進(jìn)氣格柵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理圖如圖1所示。

本文選用無刷直流電機（brushlessdirectcurrentmotor，BLDCM），采用脈沖寬度調(diào)制（pulsewidthmodulation，PWM）占空比調(diào)節(jié)進(jìn)行速度控制，通過鍵連接，帶動格柵以一定速度正反轉(zhuǎn)。格柵驅(qū)動電機技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2主動進(jìn)氣格柵故障診斷策略

2.1AGS電控系統(tǒng)軟件架構(gòu)

軟件上，控制器需要實現(xiàn)電機穩(wěn)定運行，根據(jù)控制策略得出的最優(yōu)開度執(zhí)行啟停動作。同時為保護(hù)格柵系統(tǒng)，需實時檢測故障標(biāo)志位，執(zhí)行故障處理動作。AGS電控系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖2所示。

2.2主動進(jìn)氣格柵故障診斷與處理

本文設(shè)計了4類故障診斷機制，實時監(jiān)測系統(tǒng)運行過程中可能出現(xiàn)的電氣故障、超行程故障、通信故障、堵轉(zhuǎn)故障[14]，并提出相應(yīng)的故障保護(hù)措施，為電機、格柵控制器以及格柵機械結(jié)構(gòu)等提供保護(hù)作用，提升系統(tǒng)在高溫、寒冷等惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定性與可靠性。

2.2.1主動進(jìn)氣格柵故障診斷機制

電氣故障：將電氣信號異常，電子元器件異常以及溫度異常導(dǎo)致的系統(tǒng)故障判定為電氣故障。電氣故障診斷機制如表2所示。

超行程故障：若檢測到格柵開度超過額定行程（90°）時，判定為超行程故障。

通信故障：本項目整車控制單元（vehiclecontrolunit，VCU）與電機控制器之間采用局域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（localinterconnectnetwork，LIN）總線通信，當(dāng)LIN通信中斷時，判定為通信故障。以上2種故障診斷機制如表3所示。

堵轉(zhuǎn)故障：為提高系統(tǒng)堵轉(zhuǎn)故障判斷的準(zhǔn)確性，堵轉(zhuǎn)故障判斷需要經(jīng)過堵轉(zhuǎn)條件和堵轉(zhuǎn)工況的判斷，連續(xù)2次堵轉(zhuǎn)工況后觸發(fā)堵轉(zhuǎn)故障。首先通過轉(zhuǎn)速、電流以及狀態(tài)持續(xù)時間來進(jìn)行堵轉(zhuǎn)條件的判斷，如圖3所示。當(dāng)堵轉(zhuǎn)條件觸發(fā)后，通過與目標(biāo)位置偏差值進(jìn)一步判斷堵轉(zhuǎn)工況。檢測到堵轉(zhuǎn)工況后，進(jìn)入故障模式，增大輸出扭矩，進(jìn)行擋點位置自學(xué)習(xí)。在自學(xué)習(xí)動作完成后，再次檢測，若堵轉(zhuǎn)工況消除，系統(tǒng)進(jìn)入正常模式；若堵轉(zhuǎn)工況仍舊未消除，則觸發(fā)堵轉(zhuǎn)故障。堵轉(zhuǎn)故障診斷機制如表3所示。

堵轉(zhuǎn)電流通過標(biāo)定實驗進(jìn)行確定，利用臺架模擬主動進(jìn)氣格柵的工況，測量最大額定負(fù)載時的母線電流峰值，作為堵轉(zhuǎn)電流。

轉(zhuǎn)速的測算需要經(jīng)過濾波處理，本文選用了一階低通濾波，采用實時轉(zhuǎn)速值與上次濾波后轉(zhuǎn)速值加權(quán)，得到有效濾波值，提高故障診斷轉(zhuǎn)速輸入條件的準(zhǔn)確性。

其中：α為濾波系數(shù)；Xn為實時轉(zhuǎn)速值；Y（n-1）為上次濾波輸出的轉(zhuǎn)速值；Yn為本次濾波輸出的轉(zhuǎn)速值。

2.2.2主動進(jìn)氣格柵故障處理機制

1）運行模式。在實際運行過程中，格柵會處于不同的狀態(tài)，為方便故障診斷與處理以及提高系統(tǒng)的運行效率與可靠性，將格柵配置為多模式運行，明確各模式下的功能以及各模式間的跳轉(zhuǎn)邏輯。

格柵控制器運行模式分為5種：初始化模式，標(biāo)定模式，正常模式，睡眠模式，故障模式[15]。系統(tǒng)啟動后，首先進(jìn)入初始化模式，進(jìn)行系統(tǒng)自檢。若自檢通過，進(jìn)入標(biāo)定模式，等待VCU控制命令，并開始實時檢測系統(tǒng)故障。當(dāng)電機控制器接收到擋點位置自學(xué)習(xí)命令，開始學(xué)習(xí)格柵全開、全閉2個動作運行的極限點，分別作為0%和100%的參考位置，作為之后一切動作的基礎(chǔ)。完成自學(xué)習(xí)后進(jìn)入正常模式，等待開度指令，在沒有故障發(fā)生的情況下，系統(tǒng)持續(xù)根據(jù)VCU下發(fā)的命令執(zhí)行動作。當(dāng)發(fā)生故障時，立即跳轉(zhuǎn)到故障模式，執(zhí)行相應(yīng)故障處理動作，并向VCU反饋故障信息，等待相應(yīng)指令。格柵系統(tǒng)模式跳轉(zhuǎn)邏輯如圖4所示。

2）故障處理機制。電氣故障分作2級進(jìn)行處理。一級為低壓故障、高壓故障、高溫故障，當(dāng)此類故障發(fā)生后，短時間的運行并不會對系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響，所以對格柵進(jìn)行功能降級處理。此時檢測到故障，跳轉(zhuǎn)進(jìn)入故障模式，格柵運行到全開位置后停止運動，保留格柵最基本的散熱功能，不再響應(yīng)其他控制命令，同時將故障反饋到VCU，等待故障消除。二級為欠壓故障、過壓故障、過溫故障。此類故障會嚴(yán)重影響元器件的使用壽命，造成不可逆的后果，甚至影響到整車的其他功能。檢測到故障時，立即停止動作，關(guān)閉驅(qū)動橋輸出，等待故障消除；若故障解決，進(jìn)入標(biāo)定模式重新進(jìn)行擋點位置自學(xué)習(xí)。

超行程故障發(fā)生多為柵葉損壞，進(jìn)一步的動作可能對車身其他結(jié)構(gòu)造成破壞。所以故障發(fā)生時，進(jìn)入故障模式，立刻停止動作，保持力矩，反饋故障，等待維修。

通信故障發(fā)生后，格柵開度不能及時更新，散熱需求處于不確定狀態(tài)，系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)進(jìn)入故障模式，對格柵功能進(jìn)行降級處理。柵葉向全開方向開至最大，保持力矩，保證足夠散熱量，并依照LIN標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，進(jìn)入休眠狀態(tài)。當(dāng)檢測到故障消除時，恢復(fù)至原狀態(tài)。

堵轉(zhuǎn)故障發(fā)生時，系統(tǒng)立即停止動作，保持力矩，并反饋故障信息，等待維修。

2.3故障誤報消除算法

自學(xué)習(xí)過程中，格柵學(xué)習(xí)到的擋點位置與總行程是開度指令執(zhí)行的基礎(chǔ)。但由于器件的老化、齒輪間隙以及開度執(zhí)行誤差的累積等內(nèi)因，往往會導(dǎo)致這2個基準(zhǔn)值在頻繁啟停后不再準(zhǔn)確，影響開度指令的執(zhí)行，進(jìn)入堵轉(zhuǎn)條件、堵轉(zhuǎn)工況的判斷與處理，甚至誤報堵轉(zhuǎn)故障，嚴(yán)重影響用戶體驗。為避免這種情況的發(fā)生，增加格柵擋點位置自適應(yīng)算法，一方面保證格柵能夠運行到位，另一方面通過撞擊2個擋點，更新位置值與總行程，消除誤差，使格柵始終在正確的基準(zhǔn)上執(zhí)行動作。

格柵擋點位置自適應(yīng)算法流程圖如圖5所示。當(dāng)接收到開度指令之后，首先對指令進(jìn)行判斷，區(qū)分出邊界指令0%、100%。當(dāng)判斷為邊界指令，在到達(dá)位置后繼續(xù)對堵轉(zhuǎn)條件進(jìn)行判斷。若觸發(fā)堵轉(zhuǎn)條件，格柵立即停止運動；若到達(dá)位置后，堵轉(zhuǎn)條件未觸發(fā)，格柵繼續(xù)保持原運動方向運行，直至堵轉(zhuǎn)條件觸發(fā)，并將此時的位置更新為邊界位置。

3AGS故障診斷策略驗證實驗

基于臺架模擬格柵運行工況，通過上位機軟件發(fā)送控制指令，并記錄測試過程的系統(tǒng)響應(yīng)狀態(tài)，驗證診斷策略的合理性與可靠性。

3.1故障注入

從故障注入實驗中選取如下幾種故障工況進(jìn)行詳細(xì)陳述。

圖6為電氣故障注入后的系統(tǒng)響應(yīng)狀態(tài)。格柵自學(xué)習(xí)成功后，進(jìn)入正常模式，通過上位機發(fā)送開度指令100%，并將系統(tǒng)的母線供電電壓由初始值12V調(diào)節(jié)到異常值17.5V，格柵迅速識別，進(jìn)行功能降級處理，運行至全開位置0%，使能故障標(biāo)志位，并不再響應(yīng)開度命令。將系統(tǒng)的母線供電電壓恢復(fù)至正常范圍12V，故障標(biāo)志位被清除，電氣故障消除。

圖7為超行程故障注入后的系統(tǒng)響應(yīng)狀態(tài)。進(jìn)入正常模式后，將測試臺架的行程由正常值90°調(diào)整為異常值125°，格柵超過額定邊界15°后，識別到故障，立即停止動作，并使能標(biāo)志位。

圖8為通信故障注入后的系統(tǒng)響應(yīng)狀態(tài)。正常模式下，通過上位機發(fā)送開度指令100%，在格柵運行過程中斷開LIN線，格柵運行至全開位置。通信恢復(fù)后，繼續(xù)執(zhí)行開度命令。

圖9為堵轉(zhuǎn)故障注入后的系統(tǒng)響應(yīng)狀態(tài)。標(biāo)定模式下，在格柵開度范圍內(nèi)設(shè)置故障擋點，利用上位機發(fā)送自學(xué)習(xí)指令，格柵能夠迅速識別堵轉(zhuǎn)工況，并進(jìn)行增扭自學(xué)習(xí)。當(dāng)自學(xué)習(xí)完成時，停留在正常模式，等待VCU進(jìn)一步指令，故障標(biāo)志位清除。

3.2故障誤報測試

本項試驗主要驗證所設(shè)計的擋點位置自適應(yīng)算法對誤報故障問題的影響，通過上位機發(fā)送開度指令，控制格柵以一定的步長往復(fù)運動，并設(shè)置試驗組數(shù)與每組試驗循環(huán)次數(shù)。試驗結(jié)果表明，在每組試驗循環(huán)次數(shù)為1000次的情況下，添加格柵擋點位置自適應(yīng)算法后，誤報故障次數(shù)得到降低，保證了格柵的可靠性。故障誤報測試結(jié)果如表4所示。

4結(jié)論

本文基于主動進(jìn)氣格柵電控系統(tǒng)軟件架構(gòu)，設(shè)計了格柵故障診斷策略，并引入格柵擋點位置自適應(yīng)算法，解決因齒輪間隙、開度執(zhí)行誤差累積以及格柵器件老化導(dǎo)致的誤報故障問題，提高故障診斷策略的準(zhǔn)確性與可靠性。

基于臺架對格柵進(jìn)行故障注入試驗與故障誤報測試試驗，實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的故障診斷策略能夠快速、準(zhǔn)確檢測到故障，并根據(jù)故障類別進(jìn)行相應(yīng)處理，保證正常運行過程中的格柵開度誤差范圍為限值5°，提高了格柵系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。