文德華

摘 要：為確保汽車電子加速踏板信號(hào)的可靠性，對(duì)踏板位置傳感器信號(hào)提出一種限幅消抖濾波、中位值平均濾波、一階低通濾波，進(jìn)行3次濾波消除信號(hào)突變，并結(jié)合“強(qiáng)制法規(guī)”對(duì)加速踏板位置傳感器信號(hào)進(jìn)行故障診斷。在Simulink/Stateflow中建立加速踏板信號(hào)檢測模塊、故障診斷模塊、信號(hào)選擇模塊等。測試了整個(gè)控制過程的可靠性。結(jié)果表明，踏板信號(hào)出現(xiàn)線路故障或同步性異常時(shí)能準(zhǔn)確判斷出各種故障狀態(tài)，且故障后的信號(hào)處理措施科學(xué)、實(shí)用，符合行車安全要求。

關(guān)鍵詞：加速踏板信號(hào) 一階低通濾波 診斷 故障處理機(jī)制

1 引言

純電動(dòng)汽車在行駛過程中，駕駛員的駕駛意圖較大程度上通過加速踏板信號(hào)來反映。踏板信號(hào)的問題，無論是由于踏板本身的機(jī)械問題，還是由于踏板位置傳感器的故障，都會(huì)導(dǎo)致監(jiān)控控制器發(fā)送錯(cuò)誤的扭矩命令，這可能會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞的扭矩過大[1]，影響行車安全。

目前，國內(nèi)外對(duì)可靠性和故障處理機(jī)制研究較少，大多集中在防誤踩識(shí)別上面[2-3]，文獻(xiàn)[4-5]對(duì)踏板信號(hào)的濾波處理，文獻(xiàn)[6]集中研究了失效診斷和安全機(jī)制。本文提出一種聯(lián)合濾波算法，并對(duì)加速踏板傳感器信號(hào)進(jìn)行故障診斷，設(shè)計(jì)故障處理機(jī)制，保證行車安全。

2 踏板信號(hào)處理

2.1 加速踏板原理

汽車電子加速踏板即轉(zhuǎn)變踏板位移為模擬量信號(hào)輸出，基于踏板、電路、位移傳感器三部分構(gòu)成。在純電動(dòng)汽車中，加速踏板開度值多使用非接觸式傳感器來測量，相較于接觸式傳感器有更長的使用壽命和較高可靠性。但是加速踏板都在一定程度上存在短路、斷路、電磁干擾等直接影響著踏板信號(hào)的準(zhǔn)確可靠傳輸。加速踏板通過兩個(gè)獨(dú)立傳感器，且兩路信號(hào)變化呈現(xiàn)雙倍關(guān)系，以此雙冗余結(jié)構(gòu)的加速踏板，可自主診斷加速踏板信號(hào)，并進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)。

踏板信號(hào)的處理流程見圖1，踏板信號(hào)經(jīng)過限幅消抖濾波，中位值平均濾波，一階低通濾波后，分別進(jìn)行線路故障診斷和同步性故障診斷，根據(jù)當(dāng)前的故障類型，進(jìn)行綜合決策，最終輸出踏板開度信號(hào)，進(jìn)行安全機(jī)制處理。

2.2 聯(lián)合濾波算法

在純電動(dòng)車上加速踏板一定程度存在短路、開路、電磁干擾等直接影響踏板信號(hào)的準(zhǔn)確傳輸，因此，加速踏板傳感器輸出的電壓模擬信號(hào)傳送給整車控制器處理之前，要經(jīng)過濾波算法消除信號(hào)中的抖動(dòng)和干擾，從而得到較準(zhǔn)確的信號(hào)。

為得到靈敏性高和平穩(wěn)性好的信號(hào)，采取聯(lián)合濾波算法：

（1）限幅消抖濾波，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷兩次采樣允許的最大偏差值A(chǔ)，每次采新值時(shí)判斷：若本次值與上次值之差<=A，則本次有效;若本次值與上次值之差>A，本次無效，用上次值代替本次。

（2）中位值平均濾波。連續(xù)采樣多次次，按大小排列，取中間值的平均值為本次有效值。

（3）一階低通濾波，其數(shù)學(xué)微分方程為：

（1）

式中：Ｒ，Ｃ 分別為ＲＣ電路的電阻和電容值;ｘ（ｔ）為系統(tǒng)激勵(lì)源;ｙ（ｔ）為系統(tǒng)響應(yīng);ｔ為采樣時(shí)間。

踏板信號(hào)經(jīng)過限幅消抖濾波和中位值平均濾波后，送到一階低通濾波模型處理，當(dāng)濾波程度大時(shí)，信號(hào)平穩(wěn)，但是靈敏度差，當(dāng)濾波程度小時(shí)，信號(hào)響應(yīng)快，但平穩(wěn)性差。在聯(lián)合濾波模型中增加濾波程度的控制邏輯，當(dāng)前加速踏板采樣值和上次加速踏板濾波后采樣值做差，根據(jù)差值來查表得到不同的濾波程度。使系統(tǒng)能較好的滿足信號(hào)響應(yīng)和平穩(wěn)性的要求。

從圖4可以看出聯(lián)合濾波模型對(duì)雜波有良好的過濾效果，信號(hào)靈敏度好，平穩(wěn)性優(yōu)良。

2.3 故障診斷

2.3.1 超限值檢測處理

將輸入的踏板加速信號(hào)與設(shè)定的最大值和最小值進(jìn)行比較，能夠檢測出信號(hào)傳輸電路對(duì)控制器短路故障、對(duì)地短路開路等故障。以加速踏板信號(hào)1為例，信號(hào)先進(jìn)行上限和下限比對(duì)，如果超過了上限值則短高錯(cuò)誤故障計(jì)數(shù)以200ms周期開始累加，累加至1S，錯(cuò)誤標(biāo)志APS1_Hiv_error置1，如果低于下限值則短地錯(cuò)誤故障計(jì)數(shù)增長至2S，錯(cuò)誤標(biāo)志 APS1_Lov_error置1。否則經(jīng)歷故障輪巡時(shí)間之后，確認(rèn)沒有故障，故障標(biāo)志位APS1_Hiv_error，APS1_Lov_error為0。

2.3.2 同步校驗(yàn)

對(duì)兩路加速踏板信號(hào)分別進(jìn)行短路故障處理后，還要通過判斷加速踏板信號(hào)的同步性是否合理，來最終選擇加速踏板位置傳感器信號(hào)輸出。圖8為同步性校驗(yàn)控制模型，首先進(jìn)行同步異常判斷，將聯(lián)合濾波處理后得到的兩路輸出信號(hào) APS1_Per和APS2_Per相差再取絕對(duì)值，若該值大于4%，且持續(xù)時(shí)間超過2S，則報(bào)出同步性故障，APS_Syn_error置1。

2.4 信號(hào)選取和安全機(jī)制處理

首先判斷2個(gè)傳感器的線路故障，若兩個(gè)傳感器沒有線路故障，再判斷同步性故障，若沒有同步性故障，則加速踏板傳感器信號(hào)輸出選用APS1_afterfilter。若2個(gè)傳感器有一個(gè)出現(xiàn)線路故障，則輸出另一路傳感器信號(hào);若2個(gè)傳感器都出現(xiàn)線路故障，則輸出踏板開度0，并且VCU控制電機(jī)強(qiáng)制切換為怠速模式，進(jìn)入跛行狀態(tài);若2個(gè)傳感器都沒有線路故障，則進(jìn)入同步性診斷，若出現(xiàn)同步性故障，則踏板信號(hào)1的權(quán)重取0.6，踏板信號(hào)2的權(quán)重取0.4，輸出踏板開度。

3 仿真測試

圖9中，在時(shí)間戳5S處，加速踏板信號(hào)1電壓低于閾值，在第7S處APS1_Lov_error置1，報(bào)出加速踏板信號(hào)1短地故障。在第10S處加速踏板信號(hào)1電壓恢復(fù)正常，在第12S處APS1_Lov_error置0。

圖10中，在時(shí)間戳14.9S處，加速踏板信號(hào)1電壓高于閾值，在第15.9S處APS1_Hiv_error置1，報(bào)出加速踏板信號(hào)1短高故障。在第19.2S處加速踏板信號(hào)1電壓恢復(fù)正常，在第21S處APS1_Hiv_error置0。

圖11中，在時(shí)間戳13.9S處，加速踏板1的開度比加速踏板2高3%，未達(dá)到閾值4%，沒有報(bào)出同步性故障;在時(shí)間戳19.9S處，加速踏板1的開度比加速踏板2高5%，超過了閾值4%，約延時(shí)2S后，同步性故障標(biāo)志APS_Syn_error置1。

4 結(jié)論

基于加速踏板信號(hào)的特性，建立了信號(hào)聯(lián)合濾波、故障診斷模型，通過測試驗(yàn)證，結(jié)果表明：

１）線路故障、同步性故障可以及時(shí)的診斷出來，發(fā)生故障后的信號(hào)處理邏輯合理，保證行車安全性。

２）采用聯(lián)合濾波算法，能夠有效消除干擾信號(hào)，能兼顧靈敏性和平穩(wěn)性，保證信號(hào)可靠。

參考文獻(xiàn)：

[1] J. Zhang， A. Amodio， B. Aksun-Guvenc， G. Rizzoni and P. Pisu， "Investigation of torque security problems in electrified vehicles"， Proc. ASME 2015 Dyn. Syst. Control Conf.， 2015.

[2]胡振奇，朱昌吉，李君，等.汽車防誤踩加速踏板系統(tǒng)的研發(fā)[J].汽車工程，2011，33（8）：713-716.

[3]魏麗.汽車油門防誤踩智能控制裝置設(shè)計(jì)[J].微型電腦應(yīng)用，2020，36（9）：120-122.

[4]汪東坪，李舜酩，魏民祥，等．汽車電子加速踏板可靠性控制的研究[J]．汽車工程，2012，34（8）：713-717.

[5]巴特，高印寒，曾小華，等.混合動(dòng)力汽車工作模式切換控制方案[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2016，46（1）：21-27.

[6]孫振耀，孫仁云，王瀚，等.純電動(dòng)汽車加速踏板失效診斷和安全機(jī)制的研究[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，33（1）：28-33.